基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

毫米波云雷达观测和反演云降水微物理及动力参数方法研究进展

云雷达是探测和反演云降水微物理及动力参数精细结构的重要手段。回顾了世界和我国云雷达观测模式、数据质量控制和数据融合方法,特别是脉冲压缩、相干积累和非相干积累技术在提高云雷达灵敏度的应用,分析了基于回波强度与粒子下落速度关系、单波段云雷达小粒子跟踪方法、双波段云雷达回波强度谱密度比值方法等空气垂直运动速度反演和雨滴谱反演方法,并讨论了这些方法的特色,为今后云雷达观测方法设定和数据分析提供参考。     

Ka波段毫米波云雷达对青藏高原东南缘降水回波的分析

利用丽江站新建的Ka波段毫米波云雷达获得的高时间分辨率的垂直观测资料,结合同址的地面自动气象站和雨滴谱的分钟数据、常规探空数据和附近C波段天气雷达的强度回波,分析了两次降水过程前后云雷达反射率因子Z、径向速度Vr、速度谱宽Sw的垂直变化规律。分析表明：在发生弱降水时,云雷达Z在垂直方向的变化不明显;但Vr、Sw值在0℃层稍低位置有一个明显的分界层（融化层）,粒子通过融化层后Vr、Sw都是快速变大,这个变化主要是粒子的相态由固态变成液态引发的,可以通过Vr、Sw突变值的位置来识别0℃层亮带的高度。从C波段天气雷达回波强度、剖面图及云雷达位置的时间-高度图看,对毛毛雨和小雨的回波,强度和高度差异比较明显,毛毛雨比小雨回波高度低、强度弱,与云雷达相比C波段雷达对高一些的云观测不到,对距离较远的弱降水回波无法观测到;由于相同粒子对不同波长电磁波的散射不一样,造成两种雷达垂直方向观测到的Z变化不同。对比弱降水回波,云雷达在强降水时：Z出现缺口;Vr在0℃层以上有较大的正值（弱降水的Vr都是负值）;在0℃层以上Sw变得更大（弱降水时Sw在0℃层以上值较小,在0℃层以下较大）。在强降水时,从C波段雷达回波强度时间-高度图看,垂直方向回波强度变化明显,在同一时刻回波强度由地面向空中的变化是逐渐减小的;不同时间同一高度层强度也有变化,云雷达雨衰缺口时段回波明显强于其他时段。在个例分析中,发生分钟降水量在0.3mm以下强度的降水,云雷达可以观测到完整的云信息;发生分钟降水量在0.5mm以上强度的降水,云雷达会有严重的雨衰,无法观测到完整的云信息。     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种一供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.     

C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。     

陕西关中地区层状云降水及雷达特征分析

作为人工增雨的一项基础工作,利用陕西关中地区宝鸡等3个雷达站附近共12个气候站1998-2007年2~11月的降水及雷达实测资料,分析了该地区的层状云降水及雷达回波特征。结果表明,(1)关中地区人工增雨的适宜时段为每年的2月5日~11月15日;(2)对层状云降雨的天气形势和雷达回波进行了分类;(3)统计分析了宝鸡雷达站稳定性层状云降雨和混合性层状云降雨雷达回波的最大回波强度、回波顶高度、冷层厚度、暖层厚度、融化层厚度、融化层高度等特征;(4)春、秋季稳定性层状云及混合性层状云冷层厚度大于暖层厚度一倍以上,云层中水汽条件较好,更适合人工增雨作业。     

河南春季一次云降水过程的宏微观物理特征分析

云降水的宏微观物理特征的观测和研究,有助于建立典型的云降水多尺度结构模型,为确定科学的人工增雨催化方案提供重要依据。借助于雷达、卫星等多种遥感探测手段,结合飞机的云中观测,对2004年3月31日河南云降水观测外场试验区（31.5-35°N,111-114°E）的一次云降水过程实施了综合探测,综合分析了此次云降水过程的宏微观物理特征。此次云降水系统属于比较典型的低槽、冷锋活动所造成的一次小至中雨过程。根据GOES卫星云图和天气图可以看出,沿锋面云系的后部,有一槽线,它对试验区的降水起主要作用,地面冷锋位于云带的前沿。雷达PPI回波显示为一条窄而长的回波带,宽度较窄,强度不大;RHI显示回波高度不高,回波云顶高度平均在5-6km左右,除存在一些20-30dBz的回波团外,回波强度比较均匀,回波中存在明显的0℃层亮带。这次降水为锋上高积云（Ac）和其下部液水较为丰沛的层积云（Sc）结合而成,在Ac云的4340m（-4.8℃）和3670m（0℃）液态水含量出现高值,分别为0.072g/m^3和0.086g/m^3,在Sc云中的0℃附近液态水含量出现高值。降水形成前,云中粒子谱型主要为单峰型,粒子直径大部分在5-10μm之间变化,大粒子浓度很低,不到0.1个/cm^3,且呈不连续分布,随着云中微物理过程的发展和降水的形成,粒子谱型逐渐转为双峰或多峰型,粒子浓度明显增高,粒子直径逐渐增大。     

基于雷达资料的一次高原涡天气云降水宏微观特征研究

利用常规天气资料,并结合第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)的毫米波云雷达资料和激光雨滴谱仪雨滴谱资料,对影响那曲地区的一次高原涡天气进行了综合分析,包括天气背景和云-降水水平、垂直结构和演变特征。结果表明:此次高原涡天气形成了涡旋状的云系,从垂直结构看本次过程由对流云演变为积层混合云。对流云阶段,回波多呈小面积的零星稀疏分布,持续时间较短,与此同时还伴有强烈的上升运动,云中正速度区多呈条状或细带状,云顶较高,呈"蘑菇状",此时对应降水强度小,雨滴粒子浓度较低。混合云阶段,回波多呈整齐的片状,回波持续时间较长,云中的正速度区常呈柱状或方块状,近地面1km位置处亮带明显,是由于粒子相态变化造成的,亮带以下降水粒子碰撞破碎,反射率因子明显降低,对应雨滴粒子直径多处于1～3mm,且浓度较大。高原涡过程中不同阶段云所对应的雷达回波结构和降水特征存在明显的差别,本研究可为高原天气预报和物理过程等研究提供一定参考。     

云雷达联合微波辐射计反演混合性降水层云液态水含量的方法研究

单独利用云雷达反演液态含水量(LWC)廓线,由于降水粒子与冰相粒子的影响,反演结果误差较大。单独利用微波辐射计反演LWC廓线,由于无法得到云的垂直结构,结果也不理想。在云雷达联合微波辐射计反演暖云LWC廓线方法的基础上,根据回波强度区分云滴粒子与降水粒子,根据温度区分云滴粒子与冰相粒子,建立粒子分布模型,提出了利用云雷达回波强度数据与微波辐射计液态水路径数据(LWP)联合反演混合性降水层云LWC廓线的算法,基于2014年6月6日与7日两次混合性层云降水个例,联合反演LWC廓线,分析了该联合反演算法的稳定性和合理性,结论如下:(1)与直接用单一Z-LWC经验关系的方法相比,根据联合反演算法,剔除回波强度中的冰相粒子信息,区分云滴粒子和降水粒子,并采用不同Z-LWC经验关系的方法更加合理。(2)影响联合反演算法的7个参数(非降水粒子Z-LWC经验关系的系数a_1与b_1等)中,降水粒子Z-LWC经验关系系数a_2与b_2的改变对联合反演算法结果影响稍大,偏差在20%~30%左右,而其他参数的改变对结果的影响很小,偏差小于5%,联合反演算法的稳定性较好。(3)联合反演得到的LWC廓线与微波辐射计输出的LWC廓线相比,廓线分布更为合理。     

风廓线雷达对天山中部一次层状云降水过程的探测分析

应用边界层风廓线雷达对天山中部巴音布鲁克201 2年8月8日22:00到8月9日04:00的层状云降水过程进行探测试验研究。利用垂直速度功率谱数据计算得到谱参数,根据谱参数的变化特点确定了0℃层高度为1100~1900 m。并对0℃层以下600~1100 m进行了雨滴谱的反演,反演结果说明了中粒子和大粒子浓度的多少是引起回波强度大小的主要因素。由雨滴谱计算得到了此次降水过程的降水强度和液态水含量的时空演变图,在变化趋势上和回波强度是一致的,建立回波强度和降水强度的关系为:Z=76.5 I~(1.6)。     

一次东北冷涡天气过程双偏振雷达降水粒子相态识别

本文利用双偏振天气雷达资料，对2019年6月7-9日辽宁地区一次东北冷涡强对流天气过程进行分析。分析了东北冷涡的演变过程以及双偏振雷达的偏振参量在降水粒子相态识别中的作用，研究了不同判别规则对模糊逻辑算法识别结果的影响。结果表明：双偏振雷达的偏振参量可以对水凝物的种类、空间分布、物理形态进行大致判断，但水凝物相态识别结果仍需细化。模糊逻辑算法在强回波区域的识别结果更准确，采用不同的判别规则得到的水凝物分类结果虽存在一定差异，但在大部分观测区域的分类结果基本一致，符合天气演变规律，能够为气象预报预警提供鉴别参考。具有广泛时间、空间适配性的模糊逻辑算法，仍需大量实测案例数据的验证与仿真。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

基于S波段双偏振雷达资料的降水粒子类型识别算法及应用

基于质量控制的S波段双偏振雷达格点化观测数据,利用模糊逻辑算法,结合降雨粒子散射和空间取向等特征建立了降水粒子类型识别算法,用于分析降水过程中降水粒子的空间分布情况及粒子类型的演变过程。该算法可以将降水粒子分为液态、冰态、混合态等不同种类,有助于发现影响降水多寡的云微物理关键结构。首先根据不同降水粒子的雷达回波特性得到隶属函数,其次根据不同雷达观测变量在判别粒子类型时的贡献不同,确定每个观测值对应的隶属函数值的权重,对各个函数值进行加权平均后,得到不同粒子类型对应的逻辑值。最后进行集成和退模糊化处理,选出每个格点中逻辑值的最大值,认为该值所代表的粒子类型即为该格点所代表的粒子类型。在确定观测值对应的隶属函数值的权重时,水平反射率因子和环境温度作为计算粒子类型的直接影响因子,不再进行加权平均计算,提出了基于S波段双偏振雷达参量和环境温度的降水粒子类型识别算法。通过华南前汛期一次降水过程,利用雷达观测降水资料,验证了该算法的合理性。验证结果表明,反演所得的"雨"类型的分布特征与实际观测降水的分布特征基本一致,证明该算法可以反映降水区域的粒子类型,识别结果基本合理。进一步研究发现在降水发生之前,空中存在大量"毛毛雨"类型的粒子,在降水发生时毛毛雨和雨粒子的变化呈负相关性,表明此次降水主要由毛毛雨碰并产生雨粒子并降落地面产生。     

昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波特征分析

应用昆仑山北坡小时、分钟降水资料以及和田C波段多普勒天气雷达资料,分析近8年该区域短时强降水天气分型,对比分析对流云与混合云2型5类短时强降水的回波强度、顶高、垂直液态含水量等回波特征量值以及持续时间的差异.得出昆仑山北坡短时强降水中,中亚低涡(槽)型环流形势和块状多单体回波最多,昆仑山北坡无超级单体回波.需高度关注3...     

华南前汛期暴雨C波段雷达特征应用研究

运用广州白云机场C波段雷达回波强度及径向风资料对华南前汛期强降水过程进行雨带降水估计及其移动特征预测.C波段雷达在雨量充沛地区的强降水背景下,尽管回波强度被衰减,但是近距离范围内其探测云雨精细化结构的能力较强.所采取的雷达数据质量控制系列处理,能够保留雷达数据原有特征,有效滤去杂波和噪声并缓解雷达低仰角数据杂波多、体扫面上沿径向远近高度差较大的问题,并对降水估测提供了技术保障.最优化雷达Z-I强降水估测方法基于单次过程体扫信息,具有计算简洁快速的特点,但是同一体扫面上云状差异对最优化方法参数值比较敏感,混用相同参数,影响降水估测效果.对同一体扫面上雷达云状回波进行区域划分,并选择对应测雨站点,做最优化参数分别确定,有效改善最优化雷达降水估测,提高了C波段雷达在机场近距离范围的应用效果.运用雷达体扫时间分辨率高的特点,识别雷达径向风辐合线以及强回波中心位置,并分别应用外推法预测雨带走向、移速等,验证效果良好.     

双偏振天气雷达水平和垂直通道回波对比

本文针对南京溧水S波段双偏振多普勒天气雷达获取的回波I/Q信号,采用FFT算法处理水平和垂直通道I/Q数据,分别得到水平和垂直通道回波的强度、速度值,定性分析了两通道回波强度、速度数据差异,引入平均差及均方根误差参数做定量分析。对比结果表明:两通道I/Q数据处理得到的回波层次分布基本一致;两通道速度数据差异较小,强度数据差异较大。以水平通道回波数据为基准,当回波强度小于16 dBz时,水平通道强度偏小,这可能是由云系边缘较小的针状冰晶所致;当回波强度大于32 dBz时,水平通道强度值偏大,且随回波强度的增加两通道强度差值增大,这反映了强降水中大粒子较多,而粒子越大,降落过程中扁平程度越大;两通道回波强度的差值与回波强度大小呈现一定相关性,这可能反映了单偏振天气雷达在定量测量降水中精度不高,通过双偏振雷达联合利用两通道数据有望改善雷达定量测量降水精度,提升雷达定量估测降水能力。     

福建省古田试验区云系回波特征与人工增雨作业条件分析

利用2008—2012年4—6月古田试验区的新一代天气雷达、探空及地面雨量观测等资料,结合天气形势分析,研究古田试验区云系的回波特征与人工增雨作业条件,结果表明:影响古田试验区的主要天气系统分别为低涡切变、暖区辐合、高空槽和大陆高压。降水云系以积层混合云为主,其次为积状云。天气系统所对应的云系回波类型及降水情况有明显差异,积层混合云的结构有利降水;积层混合云大于25 d Bz的回波面积明显比积状云大,且平均回波顶高和最大回波顶高均比积状云低;积状云的垂直积分液态水含量明显比积层混合云大;积状云和积层混合云的负温层厚度超2 km;积层混合云的最大回波强度、大于25 d Bz的回波面积和负温层厚度与区域平均日雨量有着明显的对应关系。古田试验区积层混合云的作业指标为回波强度大于25 d Bz,大于25d Bz的回波面积S25 d Bz要大于400 km~2,回波顶高大于5.5 km,负温层厚度大于1.5km,垂直积分液态水含量大于1 kg/m~2。     

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。      

一次局地强降水过程的中尺度特征及预报难点分析

利用常规气象资料和客观物理量场、卫星云图、多普勒雷达回波产品资料,对2007年8月30日发生在宜昌市北部的强降水天气过程的中尺度特征和预报难点进行了分析。结果表明：（1）地面中尺度辐合线、中尺度对流云团是造成此次强降水的重要中尺度系统;（2）强降水主要南-中尺度“人”字型雷达回波带稳定少动造成,回波带中有强对流单体不断新生、合并使强降水得以维持;（3）回波带上出现的逆风区与强降水落区有较好的对应关系,风切变区面积扩大和切变值增大是强对流回波单体不断发展并在一地维持的主要原因;（4）中低层偏南风到高层偏北风的转变所形成的垂直风切变为强降水的发生提供了动力条件,同时中低层暖湿平流加强为强对流云团的稳定维持提供了充足的水汽;（5）强对流单体,强回波短带,速度资料上的“逆风区”和风切变区等,可作为判断强降水落区的依据。     

青藏高原一次冰雹强对流天气过程的诊断及雷达回波特征分析

利用青藏高原第三次科学实验的C波段双偏振雷达（C-POL）的观测资料、ERA-Interim 0.125°（纬度）×0.125°（经度）气象再分析资料、常规气象探空资料,对2014年7月30日午后发生在西藏那曲地区的冰雹强对流天气过程进行了天气诊断及雷达回波特征分析。结果表明:1）此次冰雹强对流过程发生在有切变线伴随的高原低涡东移过程中,低涡尾部前倾的切变线为这次冰雹的发生提供了动力、水汽条件。2）强对流天气的水汽输送主要来自从孟加拉湾、印度及尼泊尔翻越喜马拉雅山脉的水汽,强对流发生前水汽输送显著增加,低层水汽集中在400 hPa以下,有明显的辐合及垂直输送。3）那曲400 hPa以下为假相当位温随高度递减区,也是水平辐合及垂直上升运动的重合区,有明显的对流不稳定能量集聚及动力抬升条件。4）雷达回波图上可看到,此次强对流天气主要由局地新生的多个中γ尺度孤立对流单体造成,其移动路径与切变线前西南气流一致。大部分单体水平尺度不大,生命史短,但仍有部分单体强度大,生命史较长。局地气流辐合扰动会导致新的单体产生,单体的发生、发展及维持离不开低层气流辐合提供的动力条件。5）在距离高度显示图上表现出了弱单体雹云特征,雹云云顶伸展至16 km,高于夏季平原地区普遍对流云高度,但未突破对流层顶,0℃层远低于平原地区,为深厚强对流降水;强降水中心位于云团下部,即有降雹也有降水,降雹以霰粒为主;垂直方向存在强烈的入流和上升气流,悬挂回波出现在入流上升气流之上,中层辐合区的气流下沉区对应降雹区;中层辐合区与上层的高空辐散区配合导致对流风暴的垂直增长和强烈发展。