风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用

风云三号(03)批是我国第二代极轨业务气象卫星的第三个批次,由上午、下午、晨昏和降水测量四颗业务卫星组成。其中,我国首发的降水测量卫星计划装载双频降水测量雷达、微波成像仪、GNSS掩星探测仪和光学成像仪。通过仿真技术,分析风云三号降水测量卫星的功能、性能和设计指标,探讨其降水探测能力。分析表明,风云三号降水测量卫星装载的降水测量雷达从设计层面分析,与美日第二代降水测量卫星GPM搭载的降水雷达DPR性能相当;风云三号降水测量卫星的轨道设计覆盖了南、北纬50°范围内的热带和中纬地区,对影响我国区域的台风系统结构具有三维探测能力;风云三号降水测量卫星上装载的被动微波辐射计相比GPM搭载的微波成像仪增加了50~60和118GHz双氧吸收通道,对陆地弱降水反演等具有应用潜力。总之,风云三号降水测量卫星加上同星配置的其他载荷,整星的降水探测能力优于美日第二代降水测量卫星GPM。     

GPM卫星反演降水产品在江苏地区的适用性

以江苏省70个地面雨量站分钟观测数据为基准,对比分析了一个完整年周期GPM卫星搭载的双频降水雷达(DPR)反演降水产品精度。结果表明DPR常规模式(NS)、匹配模式(MS)和高灵敏度模式(HS)扫描产品反演降水与地面雨量计观测数据均在过境后几分钟内达到最佳匹配效果。以NS产品为例,全年反演降水均方根误差大致为2mm/h,相关系数在0.5以上,相对偏差为-20%左右。并且降水产品在夏季反演精度最高。对反演误差进行初步分析发现,卫星反演降水率算法精度对校正因子ε有非常强的敏感性,并且选择ε值的算法约束不足会导致最终计算求解模块SLV的路径积分衰减PIA值异常,引起极端降水反演的误差。     

GPM反演降水数据IMERG在浙江省的适用性研究

【目的】为了研究全球降水测量计划（GPM）综合多卫星检索降水产品（IMERG）在浙江省的适用性。【方法】以浙江省为研究区域,基于浙江省自动观测站降水数据,利用相关系数、均方根误差、相对偏差、分类指数统计法分别从年尺度、季尺度、月尺度、日尺度以及小时尺度GPM在浙江省的适用性。【结果】（1）春、秋、冬季的GPM和自动站对应效果远好于夏季,月尺度、日尺度、小时尺度下GPM和自动站降水数据对应效果较好,但整体上存在高值区略低估、低值区略高估现象;（2）年尺度与季尺度下GPM与自动站降水平均值的变化趋势一致,但GPM降水平均值较高,其中秋季表现最好;（3）年、月、日3个尺度下,尺度越精细化,相关系数越高、相对偏差越小,均方根误差越小;小时、日、月3个尺度下,降水阈值越低,产品尺度越粗糙,估测能力越高;降水阈值越低,产品尺度越精细,误报降水的比例越低;降水阈值越低,综合探测能力越高;（4）在小时尺度下,在0.5~1 mm·h-1区间,GPM虽然对降水事件略有高估,但拟合效果较好。【结论】综合来看,GPM日尺度降水数据产品精度在浙江省有较大应用潜力。     

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。     

星载雷达DPR与地基雷达CR的匹配对比及系统偏差初探

将GPM(Global Precipitation Measurement)卫星搭载的双频降水雷达DPR(Dual-frequency Precipitation Radar)和广东龙门观测站的地基Ka/Ku双波段雷达CR(Cloud Rader)在2019年4—9月的观测数据进行时空匹配,结合微雨雷达MRR (Micro Rain Rader)的雨滴谱数据对CR衰减订正处理,比较DPR与CR探测回波强度差异,最后对两者的系统偏差进行分析。结果表明:(1) DPR和CR探测到的回波强度随高度变化的趋势大体一致,零度层亮带高度基本一致,同样高度下DPR探测到的回波强度明显大于CR。(2)统计弱的非降水云算得CR双频系统偏差约为3.1 dBz。(3)雨强越强,CR天线罩水膜厚度越大,回波衰减越大。(4)逐库订正过程中利用雨滴谱数据计算衰减系数,CR在Ka与Ku波段的反射率因子订正量不超过4 dBz。(5)综合所有适配数据,CR与DPR的反射率因子在Ka波段内订正后平均系统偏差为15.7 dBz,在Ku波段内订正后平均系统偏差为14.4 dBz。虽然经订正处理后两部雷达间的系统偏差偏大,但对改善地基Ka/Ku双波段雷达的数据质量有明显的改善。     

星载降水测量雷达降水产品研究进展

利用星载技术获得的降水信息与其他常规观测手段得到的信息相比,具有更广的空间覆盖性。星载产品的研究对降水微观信息的认识、数值预报的改进和水文农业的发展都有十分重要的意义。本文对美国宇航局NASA和日本宇航局JAXA联合开发的气象卫星降水产品,即第1部TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星的降水雷达(PR))和GPM(Global Precipitation Measurement)卫星的双频降水雷达(DPR)的降水产品,从评估验证、统计分析和个例分析的角度分类阐述了目前对TRMM和GPM降水产品的相关研究工作,最后提出了目前星载降水产品存在的一些问题、星载仪器的局限性以及对未来星载降水产品发展的展望。     

GPM卫星降水数据在广东的适用性分析

为评估全球降水观测(GPM)卫星降水数据在广东地区的适用性，利用广东省86个国家地面站点实测降水数据，选用5个评价指标从降水误差、季节平均降水量等方面进行精度验证。结果表明：(1)GPM卫星降水数据与站点实测数据相关性随时间尺度增加呈递增趋势，探测能力在月尺度上表现较好。(2)GPM卫星降水数据在季节尺度上对平均降水量有一定的表征能力，但季节间有明显差异，在夏季表现较差。(3) GPM降水数据受气候、地理位置和地形等因素影响较大，降水精度易受影响。     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

不同路径移出型西南涡对中国中东部降水的影响

利用欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim再分析资料、热带降雨测量(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星提供的降水反演产品3B42RT、全球降雨观测(global precipitation measurement,GPM)卫星搭载的双频降雨雷达(dual-frequency precipitation radar,DPR)观测数据、FY-2F云类型和云顶亮温等资料,对2010—2020年4—10月(暖季)影响中国中东部降水的西南涡进行分析。结果表明,2010—2020年暖季移出型西南涡共计108例,东移型、东北移型和东南移型占比分别为58.3%、27.8%、12.0%。其中东移型西南涡主要影响长江中下游,雨带呈东西向分布;东北移型西南涡雨带主要位于黄淮到华北一带;东南移型西南涡降水则主要集中在华南及沿海海域。另外,3类暖季移出型西南涡降水云系特征有明显差异,东移型西南涡30°N以北为层状云降水,以南为对流云降水,东北移型为对流云和层状云降水共同影响(即混合性降水),而东南移型则以对流云降水为主;暖季移出型西南涡降水云分类均以积雨云和密卷云为主,且伸展高度高、云顶亮温低,其中东移型和东北移型西南涡云系影响范围更广,而东南移型西南涡云系则呈块状、更密实。     

GPM IMERG和ERA5降水数据精度在云南复杂地形区域的评估检验

为评估和对比GPM IMERG、ERA5降水数据在云南的适用性,利用2014年4月至2018年6月的地面气象观测数据、GPM IMERG卫星遥感降水产品和ERA5再分析降水数据,采用定量和分类评分7项指标评估GPM IMERG和ERA5日降水产品在云南的适用性。结果表明:2种数据存在小雨日雨量高估,中雨及以上量级雨日雨量低估的问题,ERA5数据更为突出,小雨日居多导致降水整体高估;GPM IMERG数据空、漏报并存,ERA5则高空报、低漏报严重;小雨日较多(较少)的区域2种数据易出现高漏报(空报);不同雨强区间GPM IMERG秋季降水数据精度最高,冬季存在低雨强低估,高雨强高估的不同表现;20mm/d以下中低雨强段上2种降水数据与地面站点数据误差较小,雨强变大,误差增大,雨强大于20mm/d时,2种数据随雨强增大与站点偏差差异更为显著;随坡度和起伏度增大2种降水数据精度呈变差趋势;多项指标评估表明GPM IMERG降水数据在云南具有更高精度。研究结果为应用和开展农业、水利、水文、气象等相关学科研究提供参考依据。     

黄山层状云和对流云降水不同高度的雨滴谱统计特征分析

根据2011年6~7月在黄山不同高度采用PARSIVEL雨滴谱仪测得的雨滴谱数据,对不同海拔高度上两类（层状云和对流云）降水粒子谱的微物理特征量、Gamma函数拟合以及雨滴的下落速度进行对比分析,结果表明:对流云降水的雨水含量和降水强度、雨滴的各类尺度参数和数浓度都比相同位置上层状云降水的大,同类降水中,山腰的雨滴尺度大于山顶和山底,这可能与各观测点和云底相对位置的不同有关;随降水强度增加,雨滴的质量加权平均直径D_m逐渐增大,广义截距参数（log₁₀N_w）的标准差逐渐减小。拟合结果表明各高度的雨滴谱都比较符合Gamma分布,由拟合参数分析雨滴谱的演变,发现相对于对流云降水,层状云降水粒子谱随高度的变化较小,雨滴谱的演变较为稳定。此外,本文还对两类降水中雨滴的下落速度及影响落速的因素进行了分析。     

雷达回波强度与雨滴谱参数的相关性研究

在雷达定量探测降水方面,目前大都采用雷达回波强度与降水强度的相关性来定量估算,但雷达回波强度与降水强度并非一一对应。本文利用从庐山和南京收集到的雷达观测资料和同步Parsivel观测到的雨滴谱数据,建立雷达回波强度与不同雨滴谱参数的函数关系,将由确定的函数关系式拟合后的雷达回波强度与雷达实测的回波强度作对比,以检验假定函数关系式的合理性,同时通过对比两地两类云降水拟合值的相对误差,给出了函数关系式中的最优y选项,为雷达定量估算降水量寻找新的途径。研究结果表明:庐山和南京两地两类云降水的雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合普遍较好,其中对流云降水的拟合都明显好于层状云降水。两地层状云降水中各个雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线都大体相近,而对流云降水中,不同雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线差异较大。南京两类云降水拟合的相对误差要小于庐山两类云降水拟合的相对误差。除庐山对流云降水外,DV是两地两类云降水拟合公式中最优的y选项。而庐山对流云降水拟合式中,以N和DP的拟合最佳。     

安徽滁州夏季一次飑线过程的雨滴谱特征

选取2014年7月31日安徽滁州一次飑线过程,使用地基雨滴谱仪资料分析此次过程的雨滴谱特征。根据雷达回波和地面降水强度将这次降水过程划分为对流降水、过渡性降水和层云降水,并以10 mm·h-1为临界值将对流降水进一步划分为对流前沿降水、对流中心降水、对流后沿降水。结果表明:对流中心降水、过渡性降水、层云降水的质量加权直径均比较稳定,平均值分别为1.8 mm, 1.0 mm, 1.7 mm。对流降水的标准化截距相比层云降水更大。对流中心降水各粒径段雨滴数浓度均较高;层云降水小雨滴浓度较低,且有少量大雨滴;过渡性降水由小雨滴组成。当雨水含量相同时,层云降水的质量加权直径相比对流降水更大。当雨强相同时,层云降水的反射率因子相比对流中心降水更大。更为精细的降水类型划分可有效改善Z-I关系。     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

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。     

An Investigation into the Relationship between Surface Rain Rate and Rain Depth over Southeast Asia

The relationship between surface rain rate and depth of rain system(rain depth) over Southeast Asia is examined using 10-yr Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) precipitation radar(PR) measurements.Results show that,in general,a large surface rain rate is associated with a deep precipitating system,but a deep rain system may not always correspond with a large surface rain rate.This feature has a regional characteristic.Convective rain develops more frequently over land than over the ocean,while stratiform rain can extend to higher altitudes over the ocean than over land.A light surface rain rate has the largest probability to occur,regardless of rain depth.A convective rain system is more likely associated with a stronger surface rain rate than a stratiform rain system.Results show that precipitation systems involve complex microphysical processes.Rain depth is just one characteristic of precipitation.A linear relationship between surface rain rate and rain depth does not exist.Both deep convective and stratiform rain systems have reflectivity profiles that can be divided into three sections.The main difference in their profiles is at higher levels,from 4.5 km up to 19 km.For shallow stratiform rain systems,a two-section reflectivity profile mainly exists,while for convective systems a three-section profile is more common.     

Diurnal phase of late-night against late-afternoon of stratiform and convective precipitation in summer southern contiguous China

Using the tropical rainfall measuring mission (TRMM) Precipitation Radar (PR) observations combined with the surface rain gauge data during 1998–2006, the robust diurnal features of summer stratiform and convective precipitation over the southern contiguous China are revealed by exploring the diurnal variations of rain rate and precipitation profile. The precipitation over the southern contiguous China exhibits two distinguishing diurnal phases: late-night (2200–0600 LST) and late-afternoon (1400–2200 LST), dependent on the location, precipitation type and duration time. Generally, the maximum rain rate and the highest profile of stratiform precipitation occur in the late-afternoon (late-night) over the southeastern (southwestern) China, while most of the stratiform short-duration rain rate tends to present late-afternoon peaks over the southern China. For convective precipitation, the maximum rain rate and the highest profile occur in the late-afternoon over most of the southern contiguous China, while the convective long-duration rain rate exhibits late-night peaks over the southwestern China. Without regional dependence, the convective precipitation exhibits much larger amplitude of diurnal variations in both near surface rain rate and vertical extension compared with stratiform precipitation and the convective rain top rises most rapidly between noon and afternoon. However, there are two distinctive sub-regions. The diurnal phases of precipitation there are very weakly dependent on precipitation type and duration time. Over the eastern periphery of the Tibetan Plateau, the maximum rain rate and the highest profile of either convective or stratiform precipitation occur in the late-night. Over the southeastern coastal regions, both the near surface rain rate and rain top of convective and stratiform precipitation peak in the late-afternoon.     

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。     

庐山地区层状云和对流云降水特征对比分析

根据Parsivel激光雨滴谱仪在庐山高海拔观测场获取的2011年降水资料,结合宏观特征量、雨滴谱资料和雷达图像资料,将降水划分为对流云降水和层状云降水,选取了12次典型降水过程。对两类云降水的6种特征直径、各档雨滴对降水参量的贡献、降水微物理参量的演变等进行了分析,并利用M-P分布和Gamma分布对两类云降水雨滴谱进行拟合,对拟合参数以及拟合效果进行了分析。结果表明：两类云降水微物理特征有着本质的区别,层状云降水谱宽相对较窄,参量随时间变化比较平缓,直径不超过1 mm的小滴对降水贡献最大;对流云降水谱宽相对较宽,出现了直径接近10 mm的大滴,参量起伏较大,对数密度贡献很小的大滴对雨强、含水量贡献却比较大。从拟合效果检验来看,层状云降水拟合时的M-P曲线在大部分区段比Gamma曲线更接近实测雨滴谱曲线;对流云降水拟合时的Gamma分布曲线与实际雨滴谱分布曲线整体吻合程度较高。M-P分布和Gamma分布两种拟合方法都适用于层状云降水,对流云降水雨滴谱拟合时Gamma拟合效果优于M-P拟合效果。