西太平洋副热带高压下热对流降水结构特征的个例分析

利用热带测雨卫星的测雨雷达和红外辐射计的探测结果,对2003年8月2日15时(北京时)中国东南部副热带高压下发生的热对流降水结构特征、云和降水云之间的关系进行了分析研究。大气背景分析表明,500 hPa副热带高压中心附近的较强上升运动和850 hPa的水汽通量辐合为此次午后热对流降水云团的发生提供了动力和水汽条件。热带测雨卫星的测雨雷达探测结果表明,热对流降水云团的水平尺度多为30~40 km,平均垂直尺度均超过10 km,最高达17.5 km;云团的最大近地面雨强超过50 mm/h。热对流降水云团的平均降水廓线表明,其最大降水率出现在5 km的高度,这一高度比估计的环境大气0℃层高度低1 km。与“98.7.20”中尺度强降水的对流降水廓线比较表明,两者的最大降水率高度相同,但热对流降水云团更深厚;在4 km高度至近地面,热对流的降水率减少速度比“98.7.20”强对流降水的快,表明前者雨滴在下降过程中因气温高而发生强烈蒸发。对降水云团顶部特征与近地面雨强关系的分析结果表明,雨顶高较低时,云顶高度变化范围大;当雨顶越高时,云顶高度与雨顶高度越相近;平均而言,给定地面降水率,云顶高度比雨顶高度高出1~4 km;当近地面雨强越大,则云顶高度和雨顶高度越高、且越相近。结果还表明,非降水云面积约占86%,晴空面积仅占2%,而降雨云面积约为云面积的1/8。     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

基于热带测雨卫星探测的东亚降水云结构特征的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(TRMMPR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外辐射计(VIRS)、闪电成像仪(LIS)对降水云的综合探测结果,结合全球降水气候计划降水资料(GPCP)和中国气象台站雨量计观测资料,分析了东亚降水分布特点,并比较了TRMMPR与GPCP及地面雨量计观测结果的差异;揭示了中国中东部大陆、东海和南海对流降水和层云降水平均降水廓线的季节变化特征及物理意义,以及TMI高频和低频微波信号对地表降水率变化的响应特点;通过对中尺度强降水系统、锋面气旋降水系统和热对流降水系统的个例分析,探明了降水结构及其与闪电活动的关系、降水云顶部信息与地表雨强之间的关系。     

星载测雨雷达探测的夏季亚洲对流与层云降水雨顶高度气候特征

利用热带测雨卫星测雨雷达的10年探测结果,对夏季亚洲对流降水与层云降水雨顶高度分布、雨顶高度与地表降水强度的关系、雨顶高度日变化特征进行了研究。结果表明,青藏高原和中国东部平原的多数(70%以上)对流降水雨顶高度分布在8—12和5—10km,其他地区分布在5—9km;陆面对流降水雨顶平均高度高于洋面。洋面和陆面层云降水雨顶高度没有明显差异,多在5—8km。夏季亚洲浅对流降水比例少,而深厚对流主要出现在中国东部平原、西南、印度次大陆西部至伊朗高原东部地区,比例约40%。洋面和陆面的弱对流降水的雨顶平均高度在7—8km,弱层云降水相应的雨顶平均高度多小于7.5km;陆面约90%的强对流降水雨顶平均高度在9km以上,而强层云降水雨顶的平均高度通常不超过8.5km。夏季亚洲对流降水和层云降水的雨顶平均高度均随着地面平均降水率的增大而升高,两者遵从二次函数关系。对流降水及层云降水频次、强度和雨顶高度的日变化峰值分析表明,陆面这些参量的日变化强于洋面,并且三者的日变化基本同步。     

An analysis of heavy precipitation caused by a retracing plateau vortex based on TRMM data

In this paper, we study a persistent heavy precipitation process caused by a special retracing plateau vortex in the eastern Tibetan Plateau during 21–26 July 2010 using tropical rainfall measuring mission (TRMM) data. Results show that during the whole heavy rainfall process, the precipitation rate of convective cloud is steady for all four phases of the plateau vortex movement. Compared with the convective precipitation clouds, the stratiform precipitation clouds have a higher fraction of area, a comparable ratio of contribution to the total precipitation, and a much lower precipitation rate. Precipitation increases substantially after the vortex moves out of the Tibetan Plateau, and Sichuan Province has the most extensive precipitation, which occurs when the vortex turns back westward. A number of strong convective precipitation cloud centers appear at 3–5 km. With strong upward motion, the highest rain top can reach up to 15 km. In various phases of the vortex evolution, there is always more precipitable ice than precipitable water, cloud ice water and cloud liquid water. The precipitating cloud particles increase significantly in the middle and lower troposphere when the vortex moves eastward, and cloud ice particles increase quickly at 6–8 km when the vortex retraces westward. The center of the latent heat release is always prior to the center of the vortex, and the vortex moves along the latent heat release areas. Moreover, high latent heat is released at 5–8 km with maximum at 7 km. Also, the latent heat release is more significant when the vortex moves out of the Tibetan Plateau than over the Tibetan Plateau.     

基于TRMM卫星资料对四川盆地降水的三维结构特征分析

利用TRMM卫星多种探测仪器得到的观测资料,分析研究2010年7月15~18日由西南低涡引发的四川盆地区域性暴雨天气过程,重点揭示了该次过程降水的三维结构特征。结果表明:红外和微波亮温数据均能从一定侧面反映低涡云系的降水特征;西南低涡引发的降水属于中尺度系统降水,层云降水对总降水的贡献率超过90%,存在明显的亮带结构;大范围降水区内包含一条主雨带和若干独立的对流性雨团,表现为大范围层云降水围绕对流降水的结构特征,对流性降水云顶最高能发展到17km,局部最大降水率出现在2~5km高度;降水凸起部分为独立的对流降水云团,呈塔状立体结构。      

东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析

为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

伊犁河谷汛期一场短时强降水雨滴谱特征分析

利用常规地面、高空资料、新一代天气雷达资料、雨滴谱资料,对2012年8月3日发生在伊犁河谷的一次较大范围暴雨的天气背景、雷达回波特征和降雨微物理特征等进行深入分析。结果表明,200hPa西西伯利亚西风槽、500hPa中亚低涡和地面冷锋是这次强降雨过程的主要影响系统。河谷喇叭口地形对气流的机械挤压、东高西低地形对对流的触发、地形强迫抬升对对流和降水的增强具有重要影响。这场降水过程属于积层混合云降水,其中大面积的层状云中嵌有多个对流云团,这些云团连接在一起就构成了对流性雨带,通过对暴雨雨滴谱演变分析得出,这次暴雨主要降水由对流性云团造成,对流云团微物理结构存在明显的不均匀性,其中存在多个强降水中心,其水平尺度多维持在10km左右,持续时间维持在5分钟到10分钟之内,降水集中且雨滴数浓度较高,一般在1000m-1个以上,雨滴谱宽及分布差异很大,小于1mm粒子数浓度很高,对雨强的贡献占两成以上。     

台风“温比亚”影响山东期间GPM资料的降水分析

为研究GPM（Global Precipitation Measurement）资料对台风雨带降水结构的探测能力,利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018 年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。结果表明：台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水;台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度,基本在7 km以上,最大雨顶高度达到15 km;台风螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主,其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系,对流云的平均降水率是层云的3倍左右,对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区;台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比,具有数量多、密度大、高度高的特点,这与台风螺旋雨带中对流发展旺盛有关;2A DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。研究结果为用GPM产品估测降水结构提供了参考依据。     

利用TRMM卫星资料对青藏高原地区强对流天气特征分析

利用热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,结合NCEP再分析资料,研究了发生在青藏高原地区的一次强对流天气特征,综合分析了高原地区对流云特殊的水平、垂直结构特征。结果表明:(1)该强对流降水系统由几个孤立、零散的块状降水云团组成,以深厚弱对流降水为主,微波亮温的低值区也呈孤立、零散的块状分布,并且整个对流系统的云顶高度一致偏高,深厚强对流降水的雨谱主要集中在1～20mm.h-1的范围内,90%以上的深厚弱对流降水样本数和降水量都集中在0～5mm.h-1范围内,在垂直方向上呈被"挤压"状态。除云冰粒子集中在6～18km高度外,可降冰、可降水和云水粒子都集中在低层8km以下,冰雹天气表现为可降冰粒子在低层含量偏高。(2)高原地区强对流天气的特征与其他地方的不同,表现为雨强较小,比平原地区明显偏弱,且对流云降雨样本在不同降雨率范围内分布不均匀,降水云团雨顶高度也远低于平原地区的对流云,地表降水率大值区与微波辐射亮温低值区呈不完全对称分布,潜热释放呈单峰型。(3)高原地区强对流系统发生时,垂直上升运动在400hPa达到最大,水汽主要集中在400hPa高度以下的范围内。     

0302号(鲸鱼)台风降水和水粒子空间分布的三维结构特征

由于缺乏关于台风结构信息的高分辨率资料,即探测台风云系内部结构特征的技术限制,造成了进一步理解台风的动力传送特征的困难.作者用热带测雨卫星(TRMM,Tropical Rainfall Measuring Mission)的测雨雷达(PR,Precipitation Radar)和TRMM微波图像仪(TMI,TRMM Microwave Imager)资料详细研究了"鲸鱼"台风(0302号)于2003年4月16日1105 UTC的降水和降水云系中各种水粒子的三维结构特征.通过分析发现该时刻:(1)台风降水中大部分区域为层性降水(占总降水面积的85.5%),对流性降水占总降水面积的13.1%,但对流性降水的贡献却达到41.8%,所以,虽然对流性降水所占面积比例很少,但是它对总降水量的贡献却很大.(2)60%降水主要集中在距离台风中心100 km以内的区域,约占总降水量的60%.(3)各种水粒子含量随着与台风中心距离的增加而减少.降水云系中水粒子最大含量出现高度与水粒子的种类和与台风中心的距离有关.最后,分析了台风降水和降水云系中三维分布的成因.     

京津冀地区夏季降水冰云和非降水冰云云特征对比分析

利用2013～2016年的Aqua MODIS卫星和CloudSat卫星的二级产品资料,对发生在京津冀地区夏季的降水冰云和非降水冰云进行了统计。基于此,对比分析了两类冰云的云类型,研究了二者在云特征参数、云层数及垂直结构上的差异,并且探究了二者在不同通道下云特征参数的相对大小。结果表明:1）京津冀地区的降水冰云以深对流云和雨层云为主,分别占48.63%和34.65%,而非降水冰云以高层云和卷云为主,分别占55.62%和31.58%。2）降水冰云和非降水冰云的平均云顶温度、云顶高度、光学厚度、积分云水总量、有效粒子半径分别为230.99 K、10.90 km、53.26、937.98 g/m2、31.45m和236.17 K、10.10 km、12.81、209.00 g/m2、27.54 μm。3）降水冰云以单层云为主,占80.39%,双层云占18.75%;而非降水冰云仍以单层云为主,占85.35%,双层云则占14.38%,比降水冰云低。4）相较于非降水冰云,降水冰云中卷云和高积云云体位置较高,而高层云和深对流云位置较低。5）随高度变化,降水冰云冰水含量是双峰结构,而非降水冰云是单峰结构;二者的粒子数浓度则差异不大;非降水冰云的粒子有效半径在5～7.5 km随高度变化不大,而降水冰云则随高度减小。6）降水冰云的积分云水总量、光学厚度和粒子有效半径>≥模态[、、分别代表该云特征参数在1.6、2.1、3.7 μm通道中的数值,当n=1, 2, 3时,分别代表光学厚度（b₁）、积分云水总量（b₂）、有效半径这三种（b₃）]的比例都高于非降水冰云,而二者在云参数≥≥模态的比例则有差异。     

基于GPM卫星降水产品对1808号超强台风“玛利亚”降水结构的分析

利用GPM卫星探测两个时次的资料,以1808号超强台风"玛利亚"为研究对象,分析了台风降水率、降水类型及台风高度水平分布,降水率垂直廓线变化特征,以及降水率三维结构分布特征。得出以下主要结论:两个时刻"玛利亚"均处在超强台风级,A时刻台风眼区为深厚对流区,B时刻眼区对流有所减弱,但是有强螺旋雨带出现。A、B时刻的降水率最大值与风暴顶高度并非一一对应,还与降水云系中微物理过程有关。GMI低频18.7 GHz探测的水粒子含量的大值区与强降水率对应较好,高频183.31±3 GHz探测的冰粒子信号与风暴顶高度分布一致。不同降水率对应的垂直廓线表明,降水率在5 km高度出现急剧变化,这是由于在该高度上雨滴碰并增长或者蒸发减小。从A时刻到B时刻,云墙区大于10 mm·h~(-1)的云墙半径内缩,B时刻眼壁与螺旋雨带之间存在着弱降水区及无降水区。     

STUDIES OF THE VERTICAL STRUCTURE MODEL AND THE MICROWAVE ATTENUATION OF CLOUDS AND PRECIPITATION OVER TROPICAL OCEAN AREA*

Using radiosonde data and other related observations in the TOGA-COARE IOP(from November 1,1992 to February 28,1993),the microwave attenuation of non-precipitating clouds is investigated based on microwave radiative transfer model(MRTM) at the specific frequencies of 6.8,10.65,13.9,19.35,22.235,37.0,85.5 and 90.0 GHz.Besides,utilizing the data of the airborne radar and radiometer at 13.8 GHz in the IOP(Intensive Observation Period),vertical structure models for different types of precipitating clouds are obtained,and also the microwave attenuation of precipitating cloud is studied.Some statistical characteristics of 13.8 GHz microwave path integrated attenuation for stratiform and convective precipitating clouds are presented.The results given here are valuable for the spaceborne microwave remote sensing of precipitation,and the cloud and precipitation attenuation corrections in the spaceborne microwave remote sensing of earth surface over tropical ocean area.     

Subpixel fractional cloud cover and inhomogeneity effects on microwave beam-filling error

Using synthetic geometrical clouds and radiative microwave model, we examine the possibility to correct the estimations of liquid water path (LWP) or rain rate with cloud cover measurement. This information may be gotten by co-localized measurements of microwave and infrared/visible measurements on new satellites (TRMM, ADEOS 2, …). In a first step, the effects of fractional cloud cover on microwave brightness temperatures (TB) are investigated in three typical cases of nonprecipitating and precipitating (stratiform and convective) clouds. The beam-filling error (BFE) on brightness temperatures may be analyzed with the known spatial variability using 1D or 3D radiative transfer model. Relationships between BFE and subpixel cloud fraction (CF) are discussed according to the cloud type. We tested several parameters that characterize the horizontal cloud inhomogeneity within a radiometer field of view. BFE was found very sensitive to cloud type and inhomogeneity and is maximum for raining cloud with open spatial structure. In order to account for the uncertainty introduced by the spatial distribution, dependence of BFE on textural-based parameters is also discussed using homogeneity, entropy and an indicator of CF horizontal gradient.     

青藏高原和四川盆地夏季对流性降水特征的对比分析

本文利用TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,针对青藏高原和四川盆地各两次对流性降水天气进行了对比分析,结果表明:(1)高原降水系统以对流云降水为主,弱降水样本数量高,由孤立零散的块状降水云团组成,对流中心离散,降水范围小,雨区极不均匀,垂直发展厚度浅薄,降水粒子数量少,雨滴小,潜热释放以地面以上2~5 km高度层为主,夏季近地面层冰晶粒子含量高,降水过程中云顶亮温与地表雨强之间的相关性差,云顶亮温越高的对流云团其闪电频数越高。(2)盆地降水系统强降水样本数量高,由一个主降水系统和周边零散的降水云团组成,降水范围大,对流中心相对集中,雨区较均匀,垂直发展厚度高,对流系统深厚,雨滴大并集中,潜热释放呈一致的双峰型结构,峰值分别出现在7和16km高度上,冰雹粒子在对流层较高层含量高,云顶亮温与地表雨强之间呈显著的负相关,盆地的闪电频数显著高于高原地区,且闪电活动主要集中在亮温偏低的降水云体中。     

ANALYSING THE CLOUD MICRO- AND MACRO-PHYSICAL PROPERTIES OF THE CYCLONE EYE WALL AND ITS SURROUNDING SPIRAL CLOUD BANDS BASED ON CLOUDSAT AND TRMM DATA

In this study, the micro- and macro-physical properties, thermal structure and precipitation characteristics of cyclone eye walls and their surrounding spiral clouds were analysed with CloudSat and TRMM data for five tropical cyclones (TCs) in 2013. The results show that the ice-phase clouds of a mature TC are mainly above 5 km. With increasing altitude, the cloud droplet effective radius decreases, and the particle number concentration increases. Ice water content first increases and then decreases with increasing height. In the eye area, in addition to the well-known warm-core area, another warm core is also apparent around the eye at a height of 8 to 15 km. The horizontal distribution of precipitation is characterized by large-scale stratiform precipitation mixed with independent convective precipitation. The height of precipitation is mostly below 7.5 km, and the heavy rain is mainly below 5 km. When the peripheral convective clouds are strong enough, ice particles would be generated, thus providing conditions that are favourable for the formation of precipitation below.     

Vertical Structures of Convective and Stratiform Clouds in Boreal Summer over the Tibetan Plateau and Its Neighboring Regions

Cloud is essential in the atmosphere, condensing water vapor and generating strong convective or large-scale persistent precipitation. In this work, the relationships between cloud vertical macro- or microphysical properties, radiative heating rate, and precipitation for convective and stratiform clouds in boreal summer over the Tibetan Plateau (TP) are analyzed and compared with its neighboring land and tropical oceans based on CloudSat/CALIPSO satellite measurements and TRMM precipitation data. The precipitation intensity caused by convective clouds is twofold stronger than that by stratiform clouds. The vertical macrophysics of both cloud types show similar features over the TP, with the region weakening the precipitation intensity and compressing the cloud vertical expansion and variation in cloud top height, but having an uplift effect on the average cloud top height. The vertical microphysics of both cloud types under conditions of no rain over the TP are characterized by lower-level ice water, ice particles with a relatively larger range of sizes, and a relatively lower occurrence of denser ice particles. The features are similar to other regions when precipitation enhances, but convective clouds gather denser and larger ice particles than stratiform clouds over the TP. The atmospheric shortwave (longwave) heating (cooling) rate strengthens with increased precipitation for both cloud types. The longwave cooling layer is thicker when the rainfall rate is less than 100 mm d^?1, but the net heating layer is typically compressed for the profiles of both cloud types over the TP. This study provides insights into the associations between clouds and precipitation, and an observational basis for improving the simulation of convective and stratiform clouds over the TP in climate models.