毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别

云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天气指挥和效果评估,数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置,根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分析(其中确认融化层明显个例34次),系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况,包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融化层的强度变化,并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子(R)和退偏振因子(Ldr)垂直廓线数据,根据参量在融化层附近显著变化特性,识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比,反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近,位于探空资料观测的0°层下方,而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。     

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。     

咸宁市一次雨淞天气与一次暴雪天气的比较分析

使用汉口历史探空资料以及有关常规天气图资料,对1969年2月中下旬和1984年1月中旬发生在鄂东的一次雨凇天气与一次暴雪天气过程进行了比较分析。结果表明：这两次天气过程发生前,在500hPa贝加尔湖附近有一横槽,槽前有冷涡;中低纬地区均有一南支槽,在中低层降雨(雪)落区附近有冷空气楔和逆温层存在;不同的是,降雪天气气温整层处在0℃线以下,而雨淞天气发生前850hPa附近有0℃以上的暖层。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.     

基于CPAS系统的贵州安顺市冰雹云识别指标研究

利用2009—2015年贵州安顺市26个冰雹个例资料,基于CPAS系统统计分析了冰雹个例的回波强度、垂直累积液态水含量、45 d BZ强回波顶高及强回波中心高度等特征参数及其时间变化,并结合探空站0℃层和-20℃层高度,综合归纳了安顺市冰雹云的识别指标。结果表明:近7 a来,安顺市冰雹天气发生在3—6月,4月最多,6月最少;降雹前最大回波强度多在45 d BZ及以上,3月和4月的VILmax≥15 kg·m-2,5月和6月VILmax≥25 kg·m-2;降雹日的0℃层和-20℃层平均高度均呈逐月增加趋势,-20℃层平均高度比0℃层高3.11 km;45 d BZ强回波顶高在8 km以上,且与0℃、-20℃层高度差分别大于2.3 km、0.2 km,强回波中心高度与0℃层的高度差大于0 km可作为该市冰雹预警指标。通过个例应用,冰雹预警指标能够有效指导防雹作业。     

关于冰雹的融化层高度

冰雹尤其是强冰雹预报的重要参数之一是冰雹融化层到地面的高度。长期以来国外英文文献上一直都将湿球温度0℃层(Wet Blub Zero,WBZ)作为冰雹融化层的近似高度,但这一事实一直没有引起国内预报人员和部分研究人员(包括作者在内)的足够注意。以至于一直到现在,国内绝大多数预报人员仍然将干球温度0℃层(Dry Blub Zero,DBZ)作为冰雹融化层的近似高度,这是一个错误。在WBZ和DBZ之间和上下一定范围内存在明显干空气(即温度露点差较大)时,二者高度会有明显的差距。本文主要阐明冰雹融化层的高度应该采用湿球温度0℃层(WBZ)高度而不是干球温度0℃层(DBZ)高度,说明了当对流层尤其对流层中层存在明显干层时,由于蒸发冷却引起的水膜再冻结会有利于大冰雹落地,而此时的冰雹融化层也就是湿球温度0℃层(WBZ)的高度明显低于干球温度0℃层(DBZ)的高度。文中给出了如何根据探空资料的T-logp图确定湿球温度垂直廓线进而确定湿球温度0℃层(WBZ)高度的方法。最后给出两个对比鲜明的例子,进一步说明对流层中层明显干层存在与否对冰雹融化层高度的影响,以及冰雹融化层高度的高低是决定冰雹大小甚至降雹与否的主要因子之一。     

1960—2013年北京地区冻雨天气过程特征分析

利用地面气象站的观测资料、观象台的探空资料和NCEP/NCAR再分析资料对1960—2013年北京地区20个地面气象观测站冻雨天气过程的特征及其发生条件进行了分析。结果表明:1960—2013年北京地区11月至翌年4月均可能出现冻雨天气,北京东南部的大兴区和通州区、西北部的昌平区为冻雨发生相对较频繁的地区。低层丰富的水汽和抬升条件有利于冻雨天气的出现,大气层结的垂直结构可分为无融化层(整层<0℃)和有融化层(冷—暖—冷)两类,两种类型冻雨出现的概率相当(各占50%)。通过对北京地区冻雨天气过程典型个例的对比研究发现:850—700hPa暖平流对逆温强度的变化有重要影响;无融化层时,云顶高度较高,700hPa以下气层温度为-10~0℃,降水以过冷却水的形式降落至地面发生冻结形成冻雨;有融化层时,湿层较浅薄(位于850hPa以下),暖湿空气在近地层的"冷垫"上滑行,是此类冻雨发生的有利因素之一。     

沙颍河流域一次基于高分辨资料的降水相态分析

利用常规气象资料、NCEP 0. 25°×0. 25°分析资料以及微波辐射计、风廓线雷达等高分辨率资料,采用诊断和统计方法,对2017年2月21日沙颍河流域一次雨雪过程中降水相态进行分析。结果表明:在高空低槽与东路冷空气共同作用造成雨雪天气的背景下,925 h Pa及以下冷高压底部的偏北冷空气造成低层持续降温,导致降水相态变化。过程前期700 h Pa以下为强暖平流,冷平流在900 h Pa以下且较为浅薄,温度层结为冷层-暖层-冷层-暖层,冰晶粒子下落融化形成雨滴。降水中后期冷平流发展强烈导致温度迅速下降,整层温度变为冷层,导致相态为雪;即使下游局部地区仍有暖层,但暖层浅薄、低层冷层深厚,相态也为雪。雨雪转换时0℃层高度下降明显,降雨阶段0℃层在抬升凝结高度以上,降雪阶段0℃层降到抬升凝结高度以下; 0℃层亮带回波在相态转换时出现明显变化,其亮带高度逐渐降低。微波辐射计的温湿廓线、云底高度以及液态水等在雨雪转换中均有显著变化,液态水含量在雨雪转变时迅速增大。风廓线风场定性反映了冷空气持续南下,低层冷垫增厚,导致相态转变以及降水强度增加;风廓线速度定量反映出降雨和降雪之间的差异,降雨速度范围为1. 5～7. 0 m·s-1,降雪速度范围在0. 25～1. 5 m·s-1;雨雪转换时下落速度明显减小,可用于相态转变的监测和预报。     

吉林省一次层状云降水宏微观特征的观测研究

利用长春2004年7月5日一次降水过程的飞机观测资料,结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了本次热带气旋影响下降水过程中云系的宏微观特征.研究表明,降水性层状云微观垂直结构配置可以分为4个发展层:云顶附近是核化和凝华增长区;-4～-7 ℃为云滴和冰粒子活跃增长层;0～-4 ℃为固态粒子聚合及云滴蒸发层;0 ℃层以下是雨滴碰并增长和云滴凝结增长区.2D-P观测的粒子的平均直径、最大直径、峰值直径的峰值集中在融化层附近,与融化层回波亮带对应.用同一种形式的密度分布函数N(r)=mrfexp(-ar br2-cr3)来拟合暖层小云滴、大云滴和雨滴的谱分布,拟合结果与观测的谱分布吻合较好,拟合出的平均直径、均方根直径、数浓度以及含水量与观测值也较接近,相对误差小.     

1991-2020年河套灌区强对流天气主要流型及环境参量特征分析

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料及ERA5 再分析资料对河套灌区 1991-2020年542个冰雹个例和281个短时强降水个例主要流型及局地要素特征进行分析。分析结果显示:1、短时强降水天气主要有西西伯利亚低槽(涡)、东北冷涡、蒙古冷涡、西南气流四类流型；冰雹天气主要有新疆低槽(涡)、东北冷涡、中亚低槽(涡)、新疆冷涡四类流型。2、河套灌区短时强降水和冰雹各关键参数预报阈值均有差异,最低阈值的建议值采用箱线图25％百分位值,其中分别为26℃和33℃；K指数均值分别为27 ℃和35 ℃；CAPE均值分别为515 J·kg-1和405 J·kg-1；0～6 km垂直风切变均为7×10-3ｓ-1；0℃层高度高度均值分别为4656 m和4069 m；-20℃层高度高度均值分别为8070 m和7054 m。3、冰雹需要更大的K指数、以及低层强暖空气；同时冰雹有更低的 0℃层高度和-20℃层高度,较低的0℃层高度可以防止冰雹下落过程融化；此外下垫面因子对不同强对流天气的影响程度不同,海拔高度是影响河套灌区冰雹分布的主要因素。     

单站能量在寒潮预报中的试用

寒潮爆发过程是多样的。冷空气强度、路径、伴髓的雨雪天气以及在不同的地形条件下引起的降温等往往有较大差异。几股冷空气接连入侵,又会使降温过程变得复杂,所以寒潮标准不易规定得十分确切和适当。我们根据本地服务需要,把受冷空气影响,日平均气温24小时降低8℃以上(或2—6天内降低10℃以上,7天以上降低12℃以上),且最低气温为5℃以下时,称为一次寒潮过程。按照以上标准,1951—1976年冬季(11—2月)共有53个个例,平均每年约为2个。降温过程持续日数一般为2—6天(占全部个例     

垂直指向的Ka波段云雷达观测的0℃层亮带自动识别及亮带的特征分析北大核心CSCD

利用2013年垂直指向的Ka波段云雷达在广东观测的弱降水个例,分析了回波强度Z、径向速度Vr和退偏振因子L_(DR)在0℃层附近的变化规律,利用建模样本提出了基于云雷达垂直观测Z、Vr和L_(DR)数据的0℃层亮带自动识别方法,并利用独立观测样本进行了识别算法的检验,分析了Vr数据对识别效果的影响,与每天四次探空得到的数据进行了对比。结果表明,在0℃层亮带内,Z和L_(DR)的极大值的高度和Z、Vr、L_(DR)这三个物理量在垂直方向上的突变范围都一致,0℃层亮带的厚度与Z、Vr和L_(DR)的变化量有一定的关系,在0℃层亮带特征较明显的回波上部也存在明显的空气上升运动。Vr和L_(DR)是识别0℃层亮带的关键因子,而Z可能因云的位置和复杂的云层而产生剧烈的垂直变化。该算法可以较好识别典型的0℃层亮带,正确提取主要参数,而云的边缘和多层云等情况会影响0℃层亮带的识别。为利用Ka波段云雷达数据分析弱降水的性质提供了算法。     

垂直指向的Ka波段云雷达观测的0℃层亮带自动识别及亮带的特征分析

利用2013年垂直指向的Ka波段云雷达在广东观测的弱降水个例,分析了回波强度Z、径向速度Vr和退偏振因子L_(DR)在0℃层附近的变化规律,利用建模样本提出了基于云雷达垂直观测Z、Vr和L_(DR)数据的0℃层亮带自动识别方法,并利用独立观测样本进行了识别算法的检验,分析了Vr数据对识别效果的影响,与每天四次探空得到的数据进行了对比。结果表明,在0℃层亮带内,Z和L_(DR)的极大值的高度和Z、Vr、L_(DR)这三个物理量在垂直方向上的突变范围都一致,0℃层亮带的厚度与Z、Vr和L_(DR)的变化量有一定的关系,在0℃层亮带特征较明显的回波上部也存在明显的空气上升运动。Vr和L_(DR)是识别0℃层亮带的关键因子,而Z可能因云的位置和复杂的云层而产生剧烈的垂直变化。该算法可以较好识别典型的0℃层亮带,正确提取主要参数,而云的边缘和多层云等情况会影响0℃层亮带的识别。为利用Ka波段云雷达数据分析弱降水的性质提供了算法。     

陕西省中北部人工增雨适宜时段及层状云特征

统计分析了陕西中北部1991～2001年4个711雷达站附近15个气候观测站日降雨量大于等于5mm降水过程的时空分布及雷达回波特征。陕西中部适宜人工增雨的时段为2月10日至11月15日,北部为2月25日至11月10日。陕西降雨性层状云0℃层高度变化范围为3．63～5．03km,平均高度为4．65km,融化层强回波区厚度为0．4～1．0km。冷云、暖云降雪(雨)量级较小,不适宜大范围开展人工增雪(雨)作业。适宜人工增雨的稳定性层状云雷达回波特征为：PPI回波结构密实,范围大于30km,雷达回波强度大于等于30dBz,RHI显示云顶高度大于等于5．8km或者融化层明显,强度达30dBz以上。适宜人工增雨的混合性层状云雷达回波特征为：PPI有明显强回波中心,强度大于等于30dBz,15dB回波宽度大于等于25km,回波最大高度大于等于5km;或者融化层明显,雷达观测融化层下挂回波明显倾斜或呈锯齿型排列。     

基于多普勒天气雷达产品的降雪及冻雨综合分析

利用常规观测资料、探空资料、多普勒雷达资料从天气背景、温度层结及雷达回波特征等方面对宁波2004-2008年的7次降雪过程进行综合分析。结果表明:中层西南气流、低层逆温、低层转偏北风及地面气温低于4 ℃是宁波降雪的必要条件, 西南气流的强弱与范围很大程度上决定降雪强度; 冻雨要求中低空存在高于0 ℃的融化层, 下垫面温度低于0 ℃, 降雪则要求冻结层厚度远大于融化层或者没有融化层; 降雪回波特征中, 回波强度一般低于30dBz, 与降雪量对应关系不明显, 水平和垂直反射率因子梯度小, 结构均匀, 一般谱宽小于4 m/ s, 回波顶高低于6000 m; 零度层亮带所在高度的降低、消失与雨雪转换时间基本吻合, 可以利用零度层亮带高度的变化来判断降水性质的转变; 600 hPa以下零速度线随高度的变化, 对雪止临近预报有一定的指示意义。     

不同尺寸冰雹S波段双偏振雷达偏振量特征统计

冰雹大小影响天气灾害的程度,为发展基于双偏振参量识别冰雹大小的算法,筛选了2019年、2020年山东省发生的33例冰雹事件,依据我国冰雹等级划分标准将其划分为小冰雹、大冰雹、特大冰雹,基于湿球0 ℃及冰雹融化特性确定了7个高度层,探讨了3类冰雹在不同高度层的双偏振参量分布特征,并获得了冰雹的偏振参量阈值。研究表明:在相同高度,冰雹越大雷达水平反射率因子Z_h中位数越大、差分反射率因子Z_dr中位数越小且基本为正值,但在-10~-20 ℃层,大冰雹的Z_dr中位数易呈现负值;相关系数CC中位数随冰雹增大或高度降低而减小,但特大冰雹在0 ℃层到H_{0 ℃}-1 km (0 ℃层下1 km) 之间由于融化比例较小CC反而会稍大;冰雹差分相移率K_DP中位数在0 ℃层以上为0 °/km左右,在0 ℃层以下随高度降低冰雹融化而增加;大冰雹或特大冰雹基本特征是Z_h大、CC小、Z_dr小,CC可低至0.7以下,所有冰雹的Z_dr、K_DP可出现负值,小冰雹Z_dr大于0 dB的情况较多,特大冰雹Z_dr接近0 dB;-20 ℃层以上的Z_h、0~-20 ℃层的CC和Z_h、0 ℃层以下的CC、Z_h、Z_dr对冰雹大小比较敏感。      

基于CloudSat卫星观测的贵州冻雨形成机制分析

利用CloudSat卫星观测资料,从云物理观测和温度垂直结构角度对贵州地区冻雨形成机制进行分析。结果表明,对冰相机制的冻雨,CloudSat卫星的CPR雷达反射率、云冰含量和温度廓线产品能够描述冰相降水粒子在融化层中相变为液态水的"融冰"过程,雷达反射率回波0℃层亮带是该过程的直接反映,云冰含量产品也能够反映融化层对冰相降水粒子的融化作用。对"过冷暖雨"机制的冻雨,CloudSat卫星能够描述降水粒子在整层气温低于0℃的环境中保持过冷水状态下落的过程。研究基于云物理观测证实贵州冻雨存在一种具有融化层的暖雨机制,其大气存在着具有融化层的逆温结构,降水粒子在融化层中为普通液态水,在温度略低于0℃的环境中为过冷水,过冷水下落经过融化层时升温变为普通液态水,再继续下落进入次冻层冷却,最后与低于0℃的地面物体碰并冻结形成冻雨。冻雨形成机制不能通过融化层区分。     

基于云雷达的大气0℃层亮带识别

为了研究8.6 mm云雷达探测大气0℃层亮带的能力,利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载8.6 mm多普勒偏振云雷达(HMBQ)2008—2012年共计2 063次观测个例,分析云雷达在不同天气形势下的反射率因子、径向速度、线性退偏振因子在0℃层附近的变化特征,改进了一种通过云雷达探测产品反演大气0℃层高度的方法。研究表明:8.6 mm云雷达能够在无降水云、弱降水云、小雨、中雨甚至大雨的天气形势下,对大气0℃层进行观测,而且探测的0℃层亮带变化特征显著,能弥补常规天气雷达在夏季短时强对流、对流单体等小尺度天气预警业务中相关资料的不足。     

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。      

0℃层高度的变化对冰雹融化影响的分析和应用

通过冰雹融化过程的热量平衡公式得到0℃层高度与冰雹融化能力的近似关系,分析小尺度冰雹条件下0℃层高度对0℃层冰雹半径和地面冰雹半径的影响。结果表明：地面冰雹半径随0℃层冰雹半径和0℃层高度变化,设定冰雹云判别的雷达回波高度和中心强度等指标时应考虑0℃层高度变化的影响;0℃层高度在2000~6000 m范围内时,0℃层冰雹最小半径临界值在0.32~1.08 cm,临界降雹的最小上升气流速度在11.5~21.2 m·s-1;结果分析可初步了解0℃层高度对冰雹融化的影响,为冰雹预报及人工防雹作业提供重要参考依据,降低通过WSR 88D增强HDA算法做冰雹尺寸预报的虚警率。