改进的雷达回波顶高、垂直积分液态水含量及其密度算法

鉴于新一代天气雷达回波顶高和垂直积分液态水含量产品的若干缺陷,提出其改进算法,并增加垂直积分液态水含量密度算法。改进的回波顶高算法通过极坐标方式将该产品的空间分辨率从4 km×4 km提高为1°×1 km,且通过垂直线性内插处理得到更精确的回波顶高值。改进的垂直积分液态水含量算法通过扩大计算范围（460 km）满足监视来自上风方向对流的需求,通过去掉18 dBz阈值的限制、提高空间分辨率（1°×1 km）以及保存未分等级的数据,从而提高其产品的精细化分辨能力,以满足监视初生天气潜在发展的需求。通过对比分析算法改进前后的回波顶高和垂直积分液态水含量产品以描述改进产品的优点,结果表明：改进后的回波顶高产品已无原产品中的锯齿状振荡;回波顶高值大于等于改进前的;改进的垂直积分液态水含量产品纹理更加光滑、结构更加精细。相比垂直积分液态水含量,垂直积分液态水含量密度更适合作为冰雹判别指标。     

微波辐射计反演大气温湿度廓线与降水相关性分析

利用辽宁省阜新蒙古族自治县QFW-6000型地基微波辐射计和邻近探空资料,对微波辐射计反演精度进行评估,分析云中积分液态水含量、积分水汽含量与降水量的变化特征。结果表明：微波辐射计的反演参量与探空资料具有高相关性,反演的相对湿度基本大于探空测量的相对湿度,近地面与高层的误差在5%以内。基于云中积分液态水含量与降水量的统计分析发现,降水开始前存在明显跃增,云中积分液态水含量会快速增大到1 mm以上,随着降水的持续,云中积分液态水含量一直维持在2 mm以上,当降水结束,云中积分液态水含量迅速回落至0.2 mm以下。积分液态水和积分水汽含量为雨天>云天>晴天,积分水汽含量在不同天气下具有相似的垂直结构,均表现出随高度升高递减的变化趋势,水汽在高空的递减速率相对较慢,到近地层递减速率明显加快;云中积分液态水含量在云天和晴天的垂直分布结构相似,最大值分别为0.15 g·m^-3和0.10 g·m^-3,均位于1 km高度处;雨天云中积分液态水含量具有两个峰值区间,分别位于1.0 km和2.5 km高度处。云中积分液态水含量和积分水汽含量呈现白天高值而夜间及清晨低值的日变化特征,云底高度则呈相反的变化趋势。     

夏季东亚地区水汽输送的气候特征

使用 1980—1997年垂直积分的水汽输送通量资料,分析了夏季大尺度水汽输送演变的气候特征及偏南风水汽输送在中国区域内的推进特征。结果表明:夏季各支大尺度水汽输送汇合成一条行星尺度水汽输送大值带,它从南半球出发,经过亚洲季风区,进入北太平洋;东亚夏季偏南风水汽输送所能到达的北界为东北北部50°N附近;西太平洋副高南侧的东南风水汽输送所能到达的西界为甘肃东南部100°E附近。垂直积分的水汽输送通量强辐合区大多位于行星尺度水汽输送大值带中,与降水大值区之间有很好的对应关系。     

地基GPS水汽总量在人工增雨中的应用

利用成都市地基GPS综合应用网的观测数据,反演出大气水汽总量,并结合多普勒天气雷达探测的垂直积分液态水含量(VIL),分析了这两种新型大气水汽探测资料在人工影响天气作业中的变化特征,初步得出了GPS大气水汽总量(GPS PWV)与人影作业前后降雨量的关系。研究表明:GPS PWV与人工增雨过程有较好的对应关系,人影作业后1～3h伴随小时雨量的增大GPS PWV有下降,体现了催化剂将空中部分冰面过饱和水汽凝华核化转化为降水过程。GPS反演的水汽资料结合新一代多普勒天气雷达探测的液态水资料在指导人工影响天气作业和短临天气预报方面具有良好的应用前景。     

基于微波辐射计的盛夏短时强降雨水汽特征分析

利用RPG HATPRO-G4微波辐射计和自动气象站观测资料，研究盛夏时节成都地区短时强降雨的水汽密度(VD)、相对湿度(RH)、整层水汽含量(IWV)演变特征，并探讨微波辐射计资料在短时强降雨中的应用。结果表明:盛夏时节成都地区无论是发生阵雨还是短时强降雨时，大气中水汽条件均较好，地面VD达19±3g·m-3，IWV在53kg·m-2以上，1～3km高度RH≥90%。降雨开始前1h地面VD与2倍的500hPa高度VD之和是否达到26.3g·m-3，可作为短时强降雨发生与否的指标，识别率达75%。短时强降雨发生前3h，持续的水汽辐合使3km高度处出现98%≤RH≤100%的湿层，该湿层随着降雨的临近而增厚，向下伸展至边界层。降雨刚发生时，4km以上相对湿度骤降，4km以下湿度略增加。降雨结束后，整层水汽含量会降低至与降雨发生前相近的值。      

微波辐射计探测降雨前水汽和云液水

1997年8～11月在陕西西安使用双通道地基微波辐射计对降水云系进行探测，除得到云中水汽含量(Q)和垂直路径积分云液水含量(L)的一般统计特征量外，还发现在降雨开始前，Q和L的数值均有跃增现象。提出在降水云系前方（周围）存在丰水区的假设，这里可能是云滴向雨滴转化的孕育区、人工增雨最佳作业区。     

VIL产品在高山雷达中的应用研究

利用2006—2009年丽江市气象台的冰雹观测记录、短时强降水、民政部门提供的冰雹灾情资料和丽江CINRAD/CC雷达观测资料,对垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liquid Water Con-tent,VIL)进行了统计分析。结果表明,当VIL值>5kg·m-2时将会出现强对流天气,当VIL≥21kg·m-2时预示着发生冰雹的可能性极大,是人工防雹作业启动的关键值,冰雹云中的VIL值远远大于带来短时强降水的普通对流云;在降雹前VIL值都有明显的跃增;距离雷达站较近或较远区域的VIL值会被低估,在37kg·m-2以下也会降雹,通常降雹的VIL值大都在37kg·m-2以上。     

南疆阿克苏冰雹天气的判识指标研究

利用常规气象资料和CINRAD/CC雷达资料对2009~2012年34个冰雹天气个例进行了分析,统计归纳出南疆阿克苏冰雹天气发生前的环境条件和雹云雷达回波判识指标。结果表明:冰雹发生前期,当850 hPa与500 hPa温差≥30℃,地面露点温度≥10.2℃时,预示冰雹天气发生的可能性较大;对流有效位能在冰雹尺寸相对较大(≥10 mm)时指示效果较好,但对小范围局地冰雹的预报具有一定局限性;0~6 km较弱的垂直风切变也能形成冰雹天气;适宜的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹的产生。雹云雷达回波具有的特征:组合反射率因子达到50 dBZ以上;径向速度场往往伴有逆风区出现,部分还出现风暴顶辐散特征;45 dBZ强回波核高度≥9 km,垂直剖面出现前悬回波、穹窿等冰雹特征回波;回波顶高6~8月超过12 km,5月和9月超过11 km;垂直积分液态水含量阈值5月为18 kg·m-2,其它月份为30 kg·m-2;冰雹指数产品至少持续5个体扫出现实心大三角标识。     

天山山区水汽和云水含量的空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979～2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示：(1)水汽含量的高值中心出现在伊犁河谷地区,中心值域在10—11kg m-2之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5—6kg m-2之间;夏季水汽含量最丰富,在8—11kg m-2之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少的更为明显,下降速率为0.28kg kg-1/10a;(3)垂直分布上,云液水含量在600hpa左右的高空出现高值区,中心最大值为10kg kg-1;云冰水含量的高值区则出现在500hpa左右的高空,为11kg kg-1;在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

山东半岛强对流天气风暴参数统计分析

利用烟台新一代天气雷达（CINRAD/SA）资料,统计分析了2005—2012年烟台和威海地区27次强对流天气过程的风暴参数。总结出山东半岛不同月份冰雹和雷暴大风的风暴参数判据：对于冰雹,5月、6月、8月基于单体的垂直积分液态水含量（C-VIL）≥35kg?m-2,7月C-VIL≥45kg?m-2,最大反射率因子（DBZM）≥55dBZ;5月、7月C-VIL≥60kg?m-2,6月、8月C-VIL≥45kg?m-2,DBZM≥60dBZ,强中心高度（HT）≥4km,单体顶高（TOP）≥9km,可产生直径大于20mm的冰雹,当风暴单体的最大HT≥6km,TOP≥10km时,可产生直径大于40mm的冰雹。对于雷暴大风,当DBZM≥55dBZ时,HT≥5.5km,TOP≥11km,可产生10级大风;HT≥4.5km,TOP≥9km,可产生8～9级大风。指标在2013—2015年9次冰雹天气过程中进行了验证,冰雹的C-VIL判据准确度较高。     

2009年广州第一场强对流天气的强对流单体雷达特征

利用自动气象站和广州新一代雷达资料,对2009年3月28日影响广州的强风暴单体进行了分析.在该风暴影响广州之前,广州地区近地层环境风场出现了辐合,使得风暴影响广州期间强度得以维持且略有加强.通过区域雷达拼图可以对大范围的对流活动进行监测.风暴影响广州期间最大反射率因子在加强,对应的高度也在抬升,垂直液态水含量最大达到58 kg/m2,风暴顶高一直维持在12 km以上,相应的最大反射率因子上方3 km厚度层内的反射率因子垂直梯度约为-1.8 db/km.强天气探测产品的分析,有助于了解风暴的特征和发展趋势,为广州地区的强对流预警服务提供了技术支持.     

使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度”的回归分析

文中讨论了利用全球定位系统探测水汽的原理。为了反演出大气垂直积分水汽或可降水,需要计算加权“平均温度”Ｔｍ。Ｔｍ与对流层温度廓线和水汽垂直分布有关,但从北京气象台１９９２年探空资料分析表明,它与表面温度存在着很好的线性关系。文中应用中尺度气象模式,给出了适合于中国东部地区和不同季节的关于Ｔｍ和表面温度Ｔｓ的线性回归方程     

基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006~2010年6~8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明:(1)夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5~10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。(2)研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°~30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。(3)研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。     

初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

为分析层状云垂直微物理结构,了解雷达参数特征,揭示降水机制,利用机载Ka波段云雷达和DMT（Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统,针对2019年11月17日山东冷锋层状云系开展从云顶至云底的垂直探测。结果表明:观测云层由高层云（3100~4500 m高度）和雨层云（800 ~2600 m高度）两部分组成。高层云过冷水含量较低,平均值为0.0026 g·m-3,最大值为0.008 g·m-3,云内冰晶通过水汽凝华增长,平均浓度为8.2 L-1,最大直径为900 μm,平衡谱状态下冰晶浓度与雷达反射率因子具有较好相关性,相关系数最大为0.84。雨层云过冷水含量丰富,最大含水量为0.354 g·m-3,过冷水区平均雷达反射率因子为7.48 dBZ,多普勒速度为-2.3 m·s-1,速度谱宽为0.7 m·s-1;雨层云中上部以冰晶为主,下部为暖区融化粒子,冰晶通过凇附过程增长,平均浓度为208 L-1,最大直径为450 μm;雷达反射率因子随高度降低至1500 m不断增大,在1200~1500 m高度保持不变,1200 m高度以下减小,未出现明显0℃亮带,速度谱宽随高度降低增大。     

用解析的垂直正规模展开对大气数值模式进行垂直积分

本文提出了一个用大气自由振荡解析的垂直正规模为正交函数系构成一个完备的Hilbert空间,利用广义Fourier展开的概念,在垂直方向进行广义Fourier展开,对大气数值模式进行垂直积分.我们利用两组垂直正规模为正交函数系.第一组是等温大气的垂直正规模;第二组是多元大气的垂直正规模,并用变系数的一维平流方程进行试验积分,将积分结果与差分法、有限元法、Legendre多项式展开的结果进行比较.比较的标准是它们与解析解的均方根误差和相关系数.     

青藏高原东部及邻近地区水汽输送的气候特征

利用1980—1997年垂直积分的整层水汽输送通量资料,分析了青藏高原东部及其邻近地区水汽输送的气候特征。结果表明,该区的水汽输送具有明显的季节变化特征:冬、春季的水汽主要来源于中纬度的偏西风水汽输送,夏季(7月)主要来源于孟加拉湾和南海,秋季(10月)主要来源于西太平洋地区。季风携带的南来水汽在高原东侧地区的进退比较缓慢,8月初北扩到40°N附近,10月中旬南退出30°N,其强弱和进退异常能影响极端旱涝事件的发生。来自南海、西太平洋地区的水汽输送对高原东部及其邻近地区的影响值得关注。     

东亚地区秋季水汽输送特征及水汽源地分析

用1980～1997年垂直积分的水汽输送通量资料,分析了秋季东亚地区大尺度水汽输送演变的气候特征以及主要水汽源地,结果表明:秋季各个月东亚大陆的主要水汽来源地并不相同,9月主要来源于孟加拉湾、南海和西太平洋地区;10～11月主要来源于南海、西太平洋地区。从夏季型到冬季型水汽输送的转换特征表现为:来自南半球的越赤道输送的显著减弱、消失直至转向,东亚南支偏西风水汽输送的逐渐建立,赤道太平洋地区的偏东风水汽输送的加强西进。秋季亚洲季风区范围最大的强水汽源地位于南海、西太平洋地区(115～120°E,15～25°N)。     

天山北坡中部一次强对流风暴的雷达回波特征分析

利用Doppler雷达产品、结合常规观测资料,对2008年7月25日发生在石河子垦区中部、南部强对流天气的雷达回波特征进行了详细分析。结果表明:石河子垦区2008年7月25日强对流风暴发生在西伯利亚至巴尔喀什湖冷槽东南象限的对流不稳定层结中,近低层至地面有中尺度辐合切变线。该强风暴呈现出超级单体螺旋状回波,相应的径向速度图上出现中气旋和中尺度辐合带;冰雹的强回波中心强度达65dBz,60dBz回波顶高达5km、65dBz回波顶高达3km,垂直累积液态含水量由10kg.m-2跃增到75 kg.m-2,暴雨的强回波中心强度为55dBz,55dBz顶高达3.5km,垂直累积液态含水量由15kg.m-2增加到55 kg.m-2;Doppler雷达产品特征对冰雹、暴雨等强对流天气监测预警具有重要的指示意义。     

内蒙古空中水汽资源气候特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析内蒙古地区的水汽资源时空分布特征,探讨该地区水汽通量及收支等特征。结果表明:内蒙古地区年平均可降水量为10~15kg·m~(-2),夏季可降水量最大,冬季最少。全区主要受偏西或西北向的水汽通量影响,除东北部外,全区大部地区为水汽辐散。夏季,东、西部水汽输送特征有很大差异,东部受西南风水汽通量控制,且为水汽辐合。全区年均水汽输入为13.74×107kg·s~(-1),夏季的水汽输入量最多,高达21.93×107kg·s~(-1),秋季最少。全区年均水汽输入量约4.33×10~(15)kg,年均降水量为3.34×10~(14)kg,降水仅占全部水汽输入的7.7%,空中可开发利用的水汽资源很丰富。     

利用CloudSat卫星资料分析云微物理和光学性质的分布特征

利用2007年1月2010年12月高垂直分辨率CloudSat卫星的2B数据产品,对云微物理特征量(包括云中液态水/冰水含量、液态水/冰水路径、云滴有效半径等)以及云光学参数(云光学厚度等)的全球分布和季节变化进行了统计分析,并研究了云微物理性质对光学性质的影响。结果表明,冰水路径分布在北美南部、南美大陆、非洲大陆、澳大利亚和南亚的陆地上空,以及太平洋、大西洋和印度洋的洋面上空,高值区最大值达600 g·m-2以上;垂直方向上,高值区位于赤道地区8 km附近以及中纬度地区4~8 km高度上。液态水路径在300 g·m-2以上的高值区主要位于太平洋、印度洋和大西洋的中低纬度海域上空,垂直上液态水含量随高度递减。冰云有效半径在高纬度地区近地面层达200μm以上,在赤道附近4~8 km上有1个高值区,南北半球中纬度地区2~4 km上有2个高值区,最大值均达到80μm以上。在1 km以下的边界层水云有效半径值较大,达到12μm以上。总云光学厚度在全球大部分地区40,高值区普遍位于中高纬度的广阔地区和低纬度靠近大陆的洋面上空;垂直方向上,云光学厚度的高值集中在2 km以下的边界层。云光学厚度的分布受云量、云水含量和云滴有效半径的影响,云量大的地区基本为云光学厚度的大值区。