毫米波雷达在北仑港区海雾监测中的应用

2016年底,毫米波雷达在国内首次作为一种海雾监测的技术手段被引入到宁波北仑港区。本文利用2015—2018年北仑港周边多个区域自动站的能见度监测资料,分析区域内海雾分布特点,并对比了2018年两次低能见度天气个例。结果表明:①不同区域海雾差别较大,沿海区域雾日比陆地多,高海拔的较低海拔多;②港区海雾主要出现在3—6月并有逐月增多趋势;③毫米波雷达监测到的海雾个例,回波强度在-20dBz左右,可完整记录雾的空间分布及其生消过程,毫米波雷达能清晰监测到云、雾的分层分布。毫米波雷达在港区海雾监测中具有明显优势。     

毫米波雷达在小尺度云雾系统监测中的应用

运用毫米波雷达结合地面观测对2017年4月15-16日发生在宁波北部海域的大范围大雾天气过程进行了分析。结果表明:毫米波雷达可以实现对10 km左右的液态水系统、千米左右游离液态水团和更小尺度的局地短时液态水团等进行有效监测。10 km尺度的液态水系统过境使站点的能见度呈现深V型变化;未有液态水系统过境的站点,在靠近液态水系统时也会出现能见度变化。千米尺度的游离液态水团对能见度也有很强的影响,是造成无液态水系统过境时能见度急剧变化的主要原因之一。更小尺度的局地短时液态水团的形成与局地其他因素关系紧密,不能单以雷达反射率来进行分析。能见度的变化主要受毫米波雷达反射率相关因素和气象要素两者影响,约各占40%左右,毫米波雷达的应用将未确定因素导致的能见度变化次数降低到了20%以下。     

降水-雾过程毫米波雷达探测分析

运用毫米波雷达探测对2017年4月15日夜间造成低能见度天气的降水-雾过程进行了特征分析。水平分布特征分析得出该降水-雾过程空间尺度约为15 km,雷达回波强度范围为-20~25 dBz。对该过程的垂直结构进行分析后显示,此过程经过时,近地面经历了由降水到雾的一系列转变过程。对雷达径向速度的分析显示过程的主体结构较稳定,边缘区域对主体区域进行补偿,使过程维持发展。地面能见度观测站观测的能见度在过程接近时开始下降,并在过程即将离开时达到最低,在过程离开一段时间后能见度恢复,并且过程经过时在毫米波雷达扫描区域未观测到有效降水。根据经验公式较好地模拟了此过程中低空雷达反射率强度和近地面能见度之间的关系,具体公式为Vis=2.2832^-0121。     

基于毫米波雷达的一次海雾过程特征分析

基于33.44GHz毫米波雷达探测数据,结合天气形势分析和沿海自动站对比观测,对2018年3月27日夜间至28日上午宁波沿海一次海雾过程进行分析,以期了解海雾分布和变化特征。结果表明:这是一次以辐射雾为主的海雾过程,850hPa以下水汽充沛、低层逆温和地面高压都为海雾提供了有利条件;海雾自低层向高层发展加强,回波最大高度约230m,风向辐合和静风区有利于海雾的加强和维持,海雾减弱消散自上而下,消失时间较陆地滞后超3h;雾顶回波高度和海雾回波强度均有双峰型变化特征,除生消阶段外两者减弱时段和成因不同;除生成阶段较均匀外,海雾回波水平方向上呈团状不均匀分布,低层强度总体要强于高层;相比能见度站,毫米波雷达能更有效探测海雾的生消变化和垂直结构等特征,但由于反射率因子非常小,部分区域无法探测到海雾回波。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

基于Himawari-8卫星AOD产品的河南省能见度反演研究

利用2018年12月—2019年2月Himawari-8卫星气溶胶光学厚度数据产品与河南省119个国家地面观测站能见度观测资料,建立线性混合效应模型,并基于卫星观测AOD数据反演了河南省地面能见度。结果表明：Himawari-8卫星的AOD产品与Aqua的AOD产品一致性较好。线性混合效应模型反演的地面能见度与台站观测的能见度相关性可以达到082（P<005）,反演的能见度均值与观测能见度均值仅相差05 km。通过2018年12月16日14时个例分析,能见度的分布与地面观测基本保持一致,反演的地面能见度空间分辨率达到2 km。     

面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95％,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40～-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4～5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

毫米波云雷达与激光云高仪观测数据对比分析

2013年5月1日至6月8日,中国气象局气象探测中心在中国气象局大气探测综合试验基地进行了云高观测试验,试验仪器包括:(1)毫米波云雷达(35 GHz),观测数据为回波功率值,时间分辨率1 min;(2)激光云高仪,观测数据为后向散射光强度,时间分辨率为1 min;本工作对39天试验数据进行对比分析,结果表明:毫米波云雷达数据获取率要比激光云高仪的数据获取率高26%;在雾霾天气时激光云高仪的数据获取率比毫米波云雷达低51%;降水天气对激光云高仪测量云底高度的结果影响较大,对云雷达的测量的结果影响较小;毫米波云雷达和激光云高仪测得云底高度平均相差不超过300 m,比较接近。     

固态毫米波雷达探测模式的对比评估与分析

利用2014年广东阳江和青藏高原外场观测中多种探测仪器的观测资料,对比了灾害天气国家重点实验室与航天科工23所联合研制的固态毫米波雷达三种探测模式最小可测回波强度、可测液态水(冰水)含量、观测同一目标时回波强度的差异以及与K波段微降水雷达回波强度的差异等。结果表明:(1)毫米波雷达不同模式最小可测回波强度差异与理论差异一致,边界层模式和降水模式能观测近地面全部层云和积云,卷云能观测5km高度冰水含量在0.0007 g·m~(-3)以上的卷云,随着高度上升探测能力有所下降;(2)毫米波雷达使用不同模式观测同一目标时,不同观测模式宏观回波强度一致,大部分差异不超过3.5 dB;(3)K波段微降水雷达和Pasivel2激光雨滴谱仪的近地面回波强度一致,毫米波雷达与K波段微降水雷达存在系统差异。     

2018年2月琼州海峡持续性海雾过程的数值模拟分析

2018年2月春节期间琼州海峡发生持续性大雾天气,造成大量船舶停航。本文结合葵花8号卫星反演海雾产品、琼州海峡沿岸站点能见度观测数据及美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 提供的FNL（Final Analysis）客观分析资料,对2018年2月18～20日的大雾过程进行了天气学成因分析,并进一步利用CMA-MESO（Global and Regional Assimilation and Prediction System）高分辨率数值模式从边界层方案、模式垂直分层以及海雾能见度算法三个方面进行敏感性试验,以找出模拟效果更好的模式设置方案。研究结果表明:大雾期间华南近海海温较常年平均偏低,受地面冷高压南下补充的弱冷空气影响,偏东暖湿气流流经冷海面并快速凝结。而数值模拟对比试验显示,采用YSU（Yonsei University）边界层方案、边界层垂直层次加密及美国国家海洋大气局预报系统实验室（FSL/NOAA）的海雾诊断方案（简称FSL）对改进能见度预报效果显著:YSU边界层方案比MRF（Medium Range Forecast Model）边界层方案对该次大雾过程的分布范围和最低能见度出现的时间模拟效果更优;模式低层分层加密可更好体现出低能见度的演变过程;通过能见度算法与实况对比,基于模式预报性能较好的湿度和温度预报而来的FSL算法,其能见度预报与站点实况最为接近。     

利用毫米波测云雷达反演层状云中过冷水

毫米波测云雷达已成为研究云内微物理参数的有效工具,利用其从混合相云中识别出过冷水,对人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,对我国毫米波雷达的数据处理也具有借鉴作用。本文利用英国的35 GHz、94 GHz测云雷达,结合激光雷达和探空资料,采用阈值法,反演分析了层状云中的过冷水。结果表明:(1)毫米波雷达联合激光雷达可以识别层状云中的过冷水,其结果与微波辐射计测量的液态水路径或毫米波雷达的双峰谱相符合;(2)利用多普勒速度的双峰谱可以反演混合相云中的过冷水含量、冰晶含水量。混合相云的雷达反射率因子主要取决于冰晶,根据雷达反射率因子反演会低估云内液态水含量;(3)本次层状云降水的亮带以上含有较多过冷水,此处35 GHz的雷达回波强度随冰晶的增大而减弱,且冰晶的含水量主导了总液态水含量。     

基于标准差分析法的X波段双偏振天气雷达资料质量评估

2015年9月,北京市气象局在北京地区架设4部X波段双线偏振天气雷达并开展了观测试验。本文利用其中3部雷达在2016年6月30日的观测数据,用标准差分布统计方法,对雷达的观测参量进行初步质量评估。结果表明:(1)3部雷达反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~77.9%,反射率的数据波动基本符合理论分布;(2)3部雷达差分反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的68.4%~81.4%,其中房山雷达数据波动较大;(3)3部雷达互相关系数标准差符合理论值的数据占总观测数据的45.7%~63.5%,其中房山雷达数据波动最大,其他2部雷达都有同程度的数据波动;(4)3部雷达差分传播相位标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~83.9%,其中房山雷达数据波动相对较大,与雷达其他观测参量相比,差分传播相位的波动较小。     

基于MODIS的北京地区一次霾过程的能见度反演

利用MODIS_L1B数据,结合AERONET（AErosol RObotic NETwork）地面观测与反演的AOD（Aerosol Optical Depth）数据、北京市自动气象站网的能见度观测数据和北京市道面交通气象监测网的能见度观测数据,选取2012年3月6—11日期间发生在北京市的一次重大霾天气过程作为典型个例,反演了全过程的AOD和能见度变化,分析了两者之间的关系。结果表明：1）由MODIS遥感数据反演的AOD值与地面实测AOD值变化趋势均呈“单峰型”,但由于存在观测时间的偏差,总体上反演值高于实测值;2）利用AOD反演值得到的能见度值与实际能见度观测值基本吻合,两者的时空变化趋势基本一致,两者之间的相关系数大于0.6（P<0.01）,符合此次霾过程的实际发生特征。     

江苏省能见度时空分布特征及其影响因子分析

为探明江苏省能见度的时空分布特征及其影响因子,采用传统的统计学方法和主成分分析(PCA),详细分析了2012年江苏省70个自动气象站和常规气象观测台站的能见度、气压、相对湿度、风速等气象要素观测数据以及遥感大气气溶胶光学厚度(AOD)等资料,揭示了江苏省能见度的时空分布特征,评估了AOD、气象要素、雾霾天气等对江苏省能见度的影响。研究结果表明:(1) 江苏省的能见度呈早晨低、下午高的变化特征;(2) 空间分布差异较大且存在季节差异。具体而言,其年平均呈现东高西低分布特征,春季南低北高,夏季反之,而秋、冬两季则为东高西低;(3) 灰霾是导致江苏省能见度降低的最主要天气现象,其次为轻雾,雾引起低能见度的频次相对较少;(4) 江苏省能见度与AOD、相对湿度呈显著的负相关,与风速呈明显的正相关;(5) 通过数理统计分析发现,天气条件和污染物对能见度有重要影响。      

MODIS气溶胶产品在池州市能见度估算中的应用

能见度可以直观反映空气污染程度,通过卫星反演获取能见度可以实现大面积同步观测,弥补地面观测在此方面的不足。基于安徽省池州市2015年Terra/MODIS的气溶胶产品(AOD)和池州市一区三县4个国家观测站的能见度观测资料,分析研究MODIS气溶胶产品与能见度的关系。通过拟合池州市四季气溶胶标高,建立不同季节能见度回归模型,并利用标高数据和AOD的季节分布,反演出池州能见度的季节变化,研究了近地层大气气溶胶与地面能见度的关系,最终获取了池州市2015年四季能见度时空分布并对其特征进行分析。结果表明:池州市夏季气溶胶标高最高,冬季的最低;能见度模型估算值与观测值整体较为一致,季节平均值相对误差为18. 15%;池州市2015年四季平均能见度为13. 8 km,整体呈从东南向西北逐渐减小的趋势,空间分布不均;季节平均能见度夏季最高,为19. 3 km,冬季最低,为9. 9 km,其中石台县各季能见度均明显好于其他地区的,且四季变化小而平稳;月平均能见度7月的最好,2月、5月和9月的较差;经济社会发展状况、生态环境和气候状况是影响池州市能见度分布时空变化的主要因素。     

能见度自动仪与人工观测资料对比分析

根据国家气象中心制定的《对比观测期间监测资料评估技术方法》,对2008年嘉兴气象观测站能见度仪资料与人工观测能见度进行对比分析,结果表明,能见度仪资料与人工观测值在低能见度多发季节(秋、冬、春季)相关较好,而夏季(能见度总体较高)则相反。对能见度进行分级后的比较得出,低能见度(2km)时能见度仪观测效果较好,和人工观测值之间的对比差值及粗差率低、一致率高,具有很好的代替作用,而随着能见度的逐渐升高(2～5 km,5 km),两者之间的差距加大,能见度仪的可替代性降低。最后通过比较两种数据的各项统计指标发现,能见度仪数据序列离散度较低,精密度及精确度都要高于人工观测值,通过订正后未来有望取代人工观测。     

灾害性天气研究进展

1．雷达定量遥感2009年利用多普勒谱方法和实验室的毫米波雷达资料,分析了毫米波测云雷达反演云水／云冰含量方法,并与其它方法进行了对比;研究了双线偏振雷达资料质量控制和降水观测方法,与新一代天气雷达测雨效果进行了对比分析,形成了一套较为成熟的算法,研发了双线偏振雷达资料处理和产品生成软件系统;在新一代天气雷达台风监测方面,     

FY-3A卫星近海面气象要素在冬季夜间海上能见度分析中的应用

对FY-3A气象卫星大气温度湿度廓线资料进行夜间大雾低能见度分布反演计算,并运用美国LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析与预报系统,与FNL再分析资料多要素反演数据进行多源要素融合分析。FY-3A卫星反演得到的大雾低能见度分布,经与Micaps(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)系统地面天气图, FY-2E地球同步卫星红外云图,要素统计气象年鉴记录等对比检验,显示反演的低能见度区范围及强度合理。尤其是对海上缺乏常规观测资料网的海域,提供了夜间海上能见度分布信息。进一步地通过LAPS系统对比卫星资料、再分析资料、以及卫星与再分析资料融合的3种方案结果,显示将卫星监测资料与FNL再分析资料的融合效果,对单来源资料反演的大雾低能见度分布有较好的改善。融合后对卫星资料而言,卫星轨道盲区已经弥合,其次,获得了海上低能见度区分布的信息,对海上和沿海雾区能见度的强度得到合理改善。对于FNL再分析资料,原有的各项要素强梯度被合理平滑。低能见度范围也有调整改善。重要的是海上大雾低能见度区的分布,得到FY-3A卫星信息和数值模拟信息的互相验证与信息综合,可信度增强。     

针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱

反演大气垂直速度和雨滴谱分布是研究云降水机制和云微物理信息的重要内容,对人工预报天气、干预天气都有重要意义。针对2021年8月29日安徽省内毫米波雷达探测到的一次对流云降水过程,处理毫米波雷达的功率谱数据并进行大气垂直速度和雨滴谱反演。在小粒子示踪法的基础上引入改进小粒子示踪法：选取有效云信号段中最小功率对应的谱点作为反演大气垂直速度的示踪物。首先,根据改进前后的小粒子示踪法分别从功率谱数据中反演大气垂直速度,并跟基数据反演大气速度的结果展开对比分析。进一步得到粒子在静止空气中的下落速度,根据现有粒子下落速度-粒子直径之间的经验公式计算反演粒子直径。研究表明：(1) 采用改进后的小粒子示踪法反演大气垂直速度得到的结果比小粒子示踪法得到的结果更精确,在云层内部两者误差较大;(2) 进一步得到粒子下落速度,结合探测时段的天气状况,得到的粒子速度与大气速度可很好地契合,跟对流云天气情况信息大致吻合;(3) 粒子浓度是反演雨滴谱分布时需要注意的主要参数,云在快速发展过程中,内部粒子持续朝外部扩张,云内部的粒子浓度较小,云边界的粒子浓度反而较大。