X波段双偏振雷达相态识别与拼图的关键技术

X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点,但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究,提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中,融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布,有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题,识别的降雹区与地面观测相符。     

Ground-Based Radar Reflectivity Mosaic of Mei-yu Precipitation Systems over the Yangtze River–Huaihe River Basins

The 3D radar reflectivity produced by a mosaic software system, with measurements from 29 operational weather radars in the Yangtze River–Huaihe River Basins(YRHRB) during the mei-yu season of 2007, is compared to coincident TRMM PR observations in order to evaluate the value of the ground-based radar reflectivity mosaic in characterizing the 3D structures of mei-yu precipitation. Results show reasonable agreement in the composite radar reflectivity between the two datasets,with a correlation coefficient of 0.8 and a mean bias of -1 dB. The radar mosaic data at constant altitudes are reasonably consistent with the TRMM PR observations in the height range of 2–5 km, revealing essentially the same spatial distribution of radar echo and nearly identical histograms of reflectivity. However, at altitudes above 5 km, the mosaic data overestimate reflectivity and have slower decreasing rates with height compared to the TRMM PR observations. The areas of convective and stratiform precipitation, based on the mosaic reflectivity distribution at 3-km altitude, are highly correlated with the corresponding regions in the TRMM products, with correlation coefficients of 0.92 and 0.97 and mean relative differences of -7.9% and -2.5%, respectively. Finally, the usefulness of the mosaic reflectivity at 3-km altitude at 6-min intervals is illustrated using a mesoscale convective system that occurred over the YRHRB.     

复杂地形下C波段雷达定量降水估计算法

C波段雷达定量降水估计（QPE）精度受到很多因素的影响,主要包括:（1）雷达标定,（2）非气象回波的干扰,（3）降水物垂直空间变化,（4）地形或地物的严重遮挡,（5）Z-R关系的代表性,（6）雷达拼图的质量,（7）雷达观测回波衰减等。文中雷达定量降水估计算法基于陕西省C波段天气雷达展开,从雷达探测数据质量控制、地形遮挡、Z-R关系和雷达拼图等方面提高C波段天气雷达定量降水估计的精度,产生降水类型产品和1 h定量降水估计产品,产品空间分辨率为0.01°×0.01°,时间分辨率为6 min。通过对7次降水过程进行评估,结果表明:基于混合仰角反射率因子处理模块和降水类型分类模块进行雷达定量降水估计,得到的结果与地面雨量站观测降水接近,1 h累计降水量的统计评分指标均方根误差稳定在3 mm以下,相对误差稳定在50%左右,相对偏差保持在?30%以内,雷达定量降水估计产品的离散度和绝对偏差都较低,表明该算法得到的雷达定量降水估计稳定可靠。      

基于VDRAS的快速更新雷达四维变分分析系统

基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式,初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化,并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果,可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例,通过一系列敏感性试验,并利用局地加密资料进行检验对比,表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明:恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征,包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等,以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。     

Assimilating All-sky Infrared Radiances from Himawari-8 Using the 3DVar Method for the Prediction of a Severe Storm over North China

Although radar observations capture storm structures with high spatiotemporal resolutions, they are limited within the storm region after the precipitation formed. Geostationary satellites data cover the gaps in the radar network prior to the formation of the precipitation for the storms and their environment. The study explores the effects of assimilating the water vapor channel radiances from Himawari-8 data with Weather Research and Forecasting model data assimilation system(WRFDA) for a severe storm case over north China. A fast cloud detection scheme for Advanced Himawari imager(AHI)radiance is enhanced in the framework of the WRFDA system initially in this study. The bias corrections, the cloud detection for the clear-sky AHI radiance, and the observation error modeling for cloudy radiance are conducted before the data assimilation. All AHI radiance observations are fully applied without any quality control for all-sky AHI radiance data assimilation. Results show that the simulated all-sky AHI radiance fits the observations better by using the cloud dependent observation error model, further improving the cloud heights. The all-sky AHI radiance assimilation adjusts all types of hydrometeor variables, especially cloud water and precipitation snow. It is proven that assimilating all-sky AHI data improves hydrometeor specifications when verified against the radar reflectivity. Consequently, the assimilation of AHI observations under the all-sky condition has an overall improved impact on both the precipitation locations and intensity compared to the experiment with only conventional and AHI clear-sky radiance data.     

苏北一次强降水超级单体风暴过程的诊断分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、FY2C卫星和多普勒雷达资料,对2008年7月22日发生在苏北的一次强降水超级单体风暴过程进行诊断分析。天气分析显示,风暴发生于高湿、较低的抬升凝结高度、强对流不稳定(3 445 J/kg)和中到强的垂直风切变(0~6 km,18 m/s)环境,这种大气环境非常有利于强降水超级单体风暴的发生发展。雷达回波分析揭示,该超级单体的演化可归结为"孤立单体—经典强降水超级单体—减弱东移"三个阶段,持续时间超过2 h。强降水超级单体风暴成熟期,呈现出典型的倒"V"型缺口、中低层有界弱回波区和反射率因子大值区由低层向高层往低层入流一侧倾斜的特征,相应的雷达径向速度场显示在倒"V"型缺口附近的强降水区中存在一个成熟的中气旋。湿位涡的诊断结果表明:高层干冷空气侵入触发潜在对流不稳定能量释放,有利于对流运动的发展;中低层大气对流不稳定与条件对称不稳定共存,既有垂直对流,又有倾斜对流发生,同时边界层的偏东风入流向暴雨区提供充沛的水汽,对暴雨的发生发展起增幅作用。     

A three-dimensional variational single-Doppler velocity retrieval method with simple conservation equation constraint

Summary In this paper, a new three-dimensional variational analysis scheme capable of retrieving three-dimensional winds from single Doppler observations of convective storms is developed. The method incorporates, in a single cost function, Doppler radar observations, a background field, smoothness and mass continuity constraints, and the residual of reflectivity or radial velocity conservation. By minimizing this cost function, an analysis with the desired fit to these constraints is obtained in a single procedure. In tests with both simulated and real thunderstorm cases, detailed structures of the storms are well retrieved in comparison with reference analysis. Unlike most kinematic retrieval methods, our scheme is capable of directly dealing with data voids. When an analysis background is available, say from a proximity sounding, a wind profiler, or a numerical model forecast, the method naturally blends Doppler radar observations with it. Thus, a smooth transition is obtained between data-rich and data-void areas. These features, among others, are important if the analysis is to be used to initialize storm-scale numerical models or for diagnostic studies of storm structures.     

一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析

讨论了新一代（多普勒）天气雷达对2002年5月14日19:00至21:00影响湖南常德地区的3个对流风暴的探测情况，其中两个为超级单体，一个为飑线。观测到了与超级单体相联系的中气旋和龙卷式涡旋特征（TVS）。上述强对流系统产生了地面大风、大冰雹和龙卷等强烈天气，与雷达的探测相吻合。特别值得一提的是在中国首次探测到了三体散射（TBSS）和龙卷式涡旋特征（TVS）这两个分别指示大冰雹和龙卷的雷达回波特征，并得到了地面报告的印证。     

雷达定量降水估计技术及效果评估

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。     

基于风暴相对螺旋度的降雨预报方法研究

风暴相对螺旋度是一个衡量对流风暴发展强度的物理量,所以对强对流天气的预报具有实际意义。通过提取2008-2010年3年天津地区153个降雨过程的多普勒天气雷达风场数据来计算了风暴相对螺旋度,然后将风暴相对螺旋度与从雷达反射率因子图中提取的风暴信息相融合,得到基于风暴相对螺旋度的降雨预报模型。经过2014年4月到8月天津地区59个降雨过程对本文所提出的降雨预报模型进行验证,结果表明本文提出的降雨预报模型的准确率达到61%,其中提前2小时预测降雨占41%,在2小时间以内预测降雨占59%。上述结果说明,风暴相对螺旋度在结合其他降雨特征后对降雨具有良好的预报效果。     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。     

Radar observations of precipitation production in thunderstorms

Abstract

Precipitation production is investigated for 9 intense thunderstorms that developed over the Lowveld in South Africa. A C‐band radar is used to observe the 3‐dimensional reflectivity pattern. Using an empirical relation between reflectivity factor and precipitation content and integrating over the storm volume provides an estimate of the total precipitation content aloft. Likewise, an area integration of the instantaneous rain rate at cloud base yields an estimate of the rate of total outflow. At their maturing stage, the storms had precipitation contents of 0.2 to 5.0 Tg and rainfall rates of about 0.3 to 2.0 Gg s^?1. The total accumulation of rain at the ground ranged from 1 to 10 Tg. The characteristic storm updraft, defined as the ratio of the area‐averaged rainfall rate to the volume‐averaged precipitation content, was about 5 ms^?1 for all storms. The time evolution of integral storm parameters is also presented and related to the overall storm development. The precipitation production values observed in the Lowveld storms compares well with previous estimates reported for large thunderstorms observed in Alberta and New England.     

2017年5月14日合肥地区雷暴大风过程机理分析

利用地面、探空、机场自动观测、多普勒雷达等资料,以多普勒雷达数据产品为重点,对合肥机场及周边地区一次雷暴大风的成因进行了分析。结果表明：机场西北部两个对流风暴在3—6 km高度层合并,5 km高度处形成强反射率因子核,强反射率因子核高度10 min内迅速下降4 km,风暴内下沉气流在地面形成强冷池,强冷池的快速移动导致机场大风形成。下沉气流产生的初始原因是降水粒子的下降拖曳作用;吸入作用、水成物与环境间的负浮力增大、动量下传、补偿性气流的作用是下沉气流产生的重要原因。机场西南部的大风带由雷暴出流边界过境造成,出流边界破坏了边界层结构导致超折射现象的消失。风暴后部持续的冷空气补充和风暴前部源源不断的上升气流维持稳定的垂直环流,持续的下沉补偿气流导致机场东部大风的长时间维持。     

产生致灾大风的超级单体回波特征

基于中国东部平原地区31部S波段多普勒天气雷达数据和实况记录,筛选出2002-2020年56次由超级单体风暴导致的25m·s-1以上的直线型大风事件,分析超级单体风暴多普勒天气雷达回波特征与其导致的直线型大风间关系,获得产生直线型致灾大风的超级单体的量化结构特征,为超级单体产生的大风的主客观监测预警提供参考.统计结果表...     

“2011.7.14”沈阳短时强降水多普勒雷达回波特征

为了更好的预报、预警超级风暴单体引起的短时强降水,利用沈阳棋盘山多普勒雷达、营口多普勒雷达和自动站及地面、高空等气象资料,对2011年7月14日沈阳强降水超级单体风暴进行分析。结果表明：地面辐合线和切变线提前于降水2 h产生,而且地面辐合线和切变线的位置与风暴的生成位置重合。强对流风暴具有超级单体风暴特征,风暴出现弓形回波;速度图上存在“v”型入流缺口,相应速度场上出现中气旋,营口雷达基本反射率最大值达到61 dBz,反射率因子垂直剖面出现弱回波区和回波悬垂。当雷达回波发现中气旋,并预计此中气旋能维持1 h左右或者雷达回波发现弓形回波,沈阳棋盘山雷达基本反射率强度超过45 dBz时,可发布短时暴雨或雷雨大风等强对流气象灾害预警。     

闪电定位和雷达观测资料在云分析中的应用及数值试验

本文针对2016年6月山西、山东地区一次强对流活动,通过GRAPES（Global/Regional Assimilation andPrediction Enhanced System）云分析系统融合了多普勒雷达反射率三维组网拼图资料和ADTD（Active DirectoryTopology Diagrammer）闪电定位资料,对模式初始场的云水、云冰等云微物理变量进行了调整和分析,并对这次强对流过程设计了3组数值试验。结果表明:（1）云分析系统在加入雷达反射率资料以后,能在模式初始场中较准确的计算模式的初始水物质;（2）闪电定位资料转换成的替代雷达反射率对原有的雷达反射率有一定的补充作用,使模式的初始场与真实状况更接近;（3）从模式降水的角度看,在加入雷达资料以后,GRAPES云分析可以显著提高6小时以内降水的模拟效果,而闪电定位资料的加入,对中雨以上量级的降水模拟有进一步的改进作用。     

阵风锋、海风锋和冷锋等触发局地强对流风暴实例分析

利用CINRAD/SA雷达探测资料,结合地面实况和探空资料,对7次典型中尺度辐合线触发强对流风暴的特征进行了分析。结果表明：阵风锋、海风锋和冷锋等边界层辐合线在一定条件下雷达低层反射率因子产品上表现为清晰的窄带回波,某些辐合线在反射率因子产品上不能得到任何有用信息,但在低层径向速度上可识别出线性径向速度辐合;识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后,是雷暴首次触发的主要时间段;对于干型强对流风暴产生的阵风锋,其右侧往往是雷暴触发的主要区域,导致风暴右向传播;湿型强对流风暴产生的阵风锋,激发雷暴的方向与雷暴平均移动方向基本相反,导致风暴呈后向传播特征;海风锋向内陆推进速度快的区域是雷暴触发的主要区域,后继雷暴具有两侧传播特征;单纯的线性低层径向速度辐合在合适的环境条件下触发强对流,主要特征是对流风暴移动缓慢,可造成局地灾害性强降雨天气。     

长沙黄花机场两次对流风暴特征的对比分析

利用新一代多普勒天气雷达资料、机场自动观测系统资料结合其它有关资料,对2012年9月1日和2013年7月1日发生在长沙黄花机场的两次对流风暴的特征进行了对比分析,结果表明：2012年9月1日的对流风暴属于普通单体风暴,具有尺度小、持续时间短、降水量大的特点;2013年7月1日的对流风暴属于多单体风暴,具有尺度较小、生命史较短,产生了雷暴、降水量小的特点。两次对流风暴的共同点：在很短时间内产生了大于20 m/s的地面大风（〉17 m/s）,出现了风向突变、风速骤增、气压上升、气温骤降等类似于飑线的气象要素剧烈变化过程;两次对流风暴的触发机制都是副高外围的东风波扰动。     

2013年湖南首场致灾性强对流天气过程成因分析

应用湖南多部雷达和探空资料、中小尺度自动气象站资料、南岳高山站逐时观测资料及LAPS局地分析资料,对2013年3月19日湖南首场致灾性强对流天气过程的成因进行综合分析,并探讨强冰雹和雷暴大风预警着眼点及其可预警性。结果表明:强对流发生前,近地面晴空辐射增温、对流不稳定层结、强的垂直风切变、强温度梯度直减率以及近地层较好的水汽条件为强对流风暴发生发展提供了良好的潜势条件;中低层冷平流、地面中尺度辐合线、能量锋和露点锋以及近地面层弱辐散、中低层强辐合、高层强辐散的动力耦合结构是强对流发生的有利天气背景,中低层冷空气是这次强对流过程的触发机制;强对流风暴的前期以超级单体风暴和多单体风暴为主,超级单体风暴东移北上过程中与湖南西部不断新生的对流回波结合后发展成飑线,飑线维持、发展过程中出现"弓形"回波、中层径向辐合(MARC)、低层辐散、速度大值区等特征;在短临预警服务中,中低层明显的钩状回波结构、持续偏高的反射率因子和垂直积分液态水含量(VIL)值为靖州强冰雹预警的发布提供了有效依据,而低仰角距离地面1 km内的径向速度大值区(大于20 m.s-1)则为道县雷暴大风预警提供重要参考。     

辽宁开原强龙卷的卫星云图和雷达回波演变特征分析

利用葵花8号(Himawari-8)卫星资料、沈阳SC天气雷达数据、ERA5再分析资料及常规天气观测资料, 分析了2019年7月3日辽宁开原强龙卷的卫星云图、雷达回波演变及大气环流特征。结果表明: 此次开原强龙卷发生在东北冷涡底部, 低层850 hPa有明显的暖湿气流, 形成了“下湿上干”的垂直结构。3日17:00龙卷初生地0—6 km有22.8 m·s^-1、0—1 km有7.6 m·s^-1强垂直风切变。龙卷生成之前, 初生地西侧比东侧气温偏高, 存在2—5 ℃地面温度差。生成后, 移动路径东侧形成明显冷池, 最低温度19 ℃, 与西侧温差最大达11 ℃。龙卷生成时可见光云图上对流风暴的云砧水平尺度明显增大, 云顶升高、亮温降低。雷达回波演变特征表明, 龙卷对流风暴的发展经历了由多单体非强风暴发展到多单体强风暴再发展到超级单体风暴三个阶段, 龙卷在最强等级时有对流单体的合并。开原龙卷风暴在三个阶段都有中气旋, 17:11中气旋向下伸展到低层, 反射率因子出现指状回波。