Vertical structure and microphysical characteristics of Typhoon Kompasu (2010) at landfall

The vertical structure and microphysics of Typhoon Kompasu that caused a lot of damage associated with strong winds and heavy rainfall over the Seoul metropolitan area on 1～2 September 2010 were examined primarily from wind profiler measurements. Four different periods that represent a stratiform, outer rainband, inner rainband, and eyewall region during passage of Typhoon Kompasu from 1200 to 2300 UTC 1 September were selected based on bright band intensities and vertical profiles of radar reflectivities and Doppler velocities. The bright band signatures observed in all of these periods indicated that the structure of Kompasu was basically stratiform in a weakening phase. Maximum rainfall rates up to 50 mm hr^?1 at the surface and mean wind speeds greater than 30 m s^?1 in the 2–4 km layer were observed in the eyewall region. Unlike the other regions that showed nearly zero vertical air motions or weak downdrafts below a melting layer, a mean updraft of ～1 m s^?1 was analyzed only in the eyewall region, which suggests that the updrafts may have enhanced drop growth that led to increasing surface rainfall rates. For each region, the vertical mean characteristics of rainfall parameters retrieved from wind profiler spectra below the melting layer were also examined. The rain properties between the inner and outer rainband were similar although they were apart with a distance of more than 100 km (> 2 hrs in time). The averaged mass-weighted mean diameters within the rainbands were larger than those in the stratiform and eyewall regions. A weaker bright band in the eyewall region suggests the presence of a relatively larger number of rimed particles associated with the updrafts around the melting layer. A stronger bright band was present in the rainbands, which indicates more active aggregation right above the melting layer.     

Analysis of the Microphysical Properties of a Stratiform Rain Event Using an L-Band Profiler Radar

This paper investigates spatial and temporal distributions of the microphysical properties of precipitating stratiform clouds based on Doppler spectra of rain particles observed by an L-band profiler radar.The retrieval of raindrop size distributions（RSDs） is accomplished through eliminating vertical air motion and isolating the terminal fall velocity of raindrops in the observed Doppler velocity spectrum.The microphysical properties of raindrops in a broad stratiform region with weak convective cells are studied using data collected from a 1320-MHz wind profiler radar in Huayin,Shaanxi Province on 14 May 2009.RSDs and gamma function parameters are retrieved at altitudes between 700 and 3000 m above the surface,below a melting layer.It is found that the altitude of the maximum number of raindrops was closely related to the surface rain rate.The maximum number of large drops was observed at lower altitudes earlier in the precipitation event but at higher altitudes in later periods,suggesting decreases in the numbers of large and medium size raindrops.These decreases may have been caused by the breakup of larger drops and evaporation of smaller drops as they fell.The number of medium size drops decreased with increasing altitude.The relationship between reflectivity and liquid water content during this precipitation event was Z = 1.69×10~4M~（1.5）,and the relationship between reflectivity and rain intensity was Z = 256I~（1.4）.     

微降水雷达测量精度分析

利用数值模拟的方法,讨论了利用微降水雷达MRR(Micro Rain Radar)雷达功率谱密度反演降水参数时,MIE散射(米散射)效应、垂直气流(包括上升气流、下沉气流)对数浓度N、雷达反射率Z、雨强I、液态含水量LWC等参数的影响。MIE散射主要影响直径为1.20~4.00 mm的粒子,MIE散射效应影响的N、Z、I、LWC偏差的平均值分别为2.74 m-3 mm-1、1.47 d BZ、0.0061 mm h~(-1)、0.0004 g m-3。下沉气流使反演液滴直径偏大,上升气流使得反演的液滴直径偏小,下沉气流的影响更大,尤其是对低层影响大于高层。例如,在300 m高度上,当液滴直径为2.67 mm时,下沉气流为2.00 m s-1时,理论上反演的直径为8.07 mm,超出了MRR探测的阈值,其相对误差值能接近200%。下沉气流使得反射率谱向大粒子方向平移,且谱型展宽;上升气流则相反。将MRR资料与同步观测的THIES雨滴谱仪数据进行比对,分析MRR资料的可靠性。选取2015年4月1日01~12时(协调世界时)山东济南的一次降水过程,将MRR在300 m高度上反演的雷达反射率因子、雨强、数浓度、中值体积直径与雨滴谱仪资料进行对比。结果表明:两种仪器探测的Z、I、N、中值体积直径D0在时间序列上都有较好的吻合度,变化趋势和幅度相近,Z、I、D0的平均偏差分别为1.19 d BZ、0.34 mm h~(-1)、0.36 mm。MRR反演的I值偏大,而粒子直径偏小,分析了产生偏差的主要原因,除了探测系统偏差、分析方法本身存在的偏差外,上升气流导致的偏差不容忽视。这些结果初步验证了微降水雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

对流降水云中大气垂直运动反演及个例试验

为深入认识对流降水云结构及动力特征,基于降水频段调频连续波5520 MHz垂直指向雷达(VPR-CFMCW),使用地面至15 km高度的反射率因子及径向速度,建立对流降水云中大气垂直运动的反演方法,分析对流垂直结构及大气垂直运动随高度分布的演变特征.对在广东龙门测站探测的2019年4月20-22日前汛期4次对流降水进行...     

Kinematic features of a bow echo in southern China observed with doppler radar

A bow echo is a type of mesoscale convective phenomenon that often induces extreme weather and appears with strong reflectivity on radar images. A strong bow echo that developed from a supercell was observed over Foshan City in southern China on 17 April 2011. The intense gusty winds and showers caused huge losses of property and severely affected human lives. This paper presents an analysis of this strong meso- n-scale convective system based on Doppler radar observations. The isolated bow echo exhibited a horizontal scale of about 80 km in terms of reflectivity above 40 dBZ, and a life span of 8 hours. The system originated from the merging of a couple of weakly organized cells in a shear line, and developed into an arch shape as it moved through the shear zone. Sufficient surface moisture supply ensured the convective instability and development of the bow echo. The low-altitude winds retrieved from single Doppler radar observations showed an obvious rear-inflow jet along the notch area. Different from the conventional definition, no book- end anticyclone was observed throughout the life cycle. Very strong slantwise updrafts and downdrafts were recognizable from the retrieved winds, even though the spatial scale of the bow echo was small. Strong winds and induced damage on the surface are considered to have been caused by the mid-level rear-inflow jet and intense convective downdrafts.     

川藏高原一次混合型强对流天气的观测特征

利用中国气象局地面自动气象站、探空、天气雷达等观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析2016年9月8日川藏高原一次强对流天气过程。结果表明:该过程多站出现8级雷暴大风、10 mm以上小时强降水且伴有最大直径为18 mm的冰雹,是川藏高原一次混合型强对流过程。对流系统发生在500 hPa弱冷平流和低层切变线影响下,中低层深厚湿层、环境中等强度对流有效位能和垂直风切变为超级单体的形成和维持提供有利条件。初始北侧多单体和南侧弱对流在地面辐合线上生成,向东南移入适宜环境后,北侧多单体发展成线状对流系统,与南侧单体合并且促使其迅速发展成超级单体。成熟超级单体低层具有清晰的前侧入流缺口、钩状回波和中气旋特征。强回波区随高度前倾,呈显著的上冲云顶突起、回波悬垂和有界弱回波区。风暴内中层径向辐合、上升气流减弱和反射率因子核心快速下降预示下击暴流的产生。中层干空气的夹卷和水凝物快速下落的拖曳作用加强下沉气流,结合峡谷地形的狭管效应,引起地面大风。     

强热带风暴碧利斯 (0604) 引发的特大暴雨中尺度结构多普勒雷达资料分析

强热带风暴 “碧利斯” (Bilis) 于2006年7月14日12:50在福建省霞浦县北壁镇再次登陆, 与南海季风相互作用, 在福建省引发特大暴雨。作者利用双多普勒雷达三维风场反演技术对厦门和龙岩新一代多普勒雷达时间同步探测资料进行了风场反演, 综合利用雷达回波强度资料, 对造成长泰、 漳州特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明: (1) 此次特大暴雨主要是由中低层西南[CD*2]东北走向的β中尺度辐合线引发的, 辐合线对于水汽输送以及暴雨的形成、 触发、 维持具有重要作用, 辐合线在暴雨的整个生命史过程中经历了由弱变强、 由强变弱的演变过程, 变化过程与降水的强弱演变过程基本同步。 (2) 由于丰富的水汽供应和中低层辐合线的动力抬升作用, 西南[CD*2]东北走向的β中尺度回波带的西南不断有新的γ中尺度对流单体生成, 在沿着辐合线向东北移动过程中进一步发展、 合并形成β中尺度对流线, 造成持续的强降水。最后, 还给出了此次特大暴雨的三维云系结构模型。     

Mechanism of high rainfall over the Indian west coast region during the monsoon season

The mechanism responsible for high rainfall over the Indian west coast region has been investigated by studying dynamical, thermodynamical and microphysical processes over the region for the monsoon season of 2009. The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts wind and NCEP flux data have been used to study the large scale dynamical parameters. The moist adiabatic and multi-level inversion stratifications are found to exist during the high and low rainfall spells, respectively. In the moist adiabatic stratification regime, shallow and deep convective clouds are found coexisting. The Cloud Aerosol Interaction and Precipitation Enhancement EXperiment aircraft data showed cloud updraft spectrum ranging from 1 to 10 m s^?1 having modal speed 1–2.5 m s^?1. The low updrafts rates provide sufficient time required for warm rain processes to produce rainfall from shallow clouds. The low cloud liquid water is observed above the freezing level indicating efficient warm rain process. The updrafts at the high spectrum end go above freezing level to generate ice particles produced due to mixed-phase rainfall process from deep convective clouds. With aging, deep convection gets transformed into stratiform type, which has been inferred through the vertical distribution of the large scale omega and heating fields. The stratiform heating, high latent heat flux, strong wind shear in the lower and middle tropospheric levels and low level convergence support the sustenance of convection for longer time to produce high rainfall spell. The advection of warm dry air in the middle tropospheric regions inhibits the convection and produce low rainfall spell. The mechanisms producing these spells have been summarized with the block diagram.     

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。     

使用雷达回波三维信息自动识别降水类型的方法

提出了一种使用雷达回波三维信息（反射率因子的水平梯度、垂直递减率、垂直廓线变化特征以及回波顶高等）自动识别降水类型的方法,该方法可将雷达回波划分为热带降水类型、大陆强对流云降水类型和层状云降水类型。基于广州雷达于2008年5—8月观测到的7次强降水过程,在使用本方法识别降水类型的基础上,对不同降水类型使用不同的Z-R关系来测量降水量,即对热带降水类型使用Z=230R^1.25,对大陆强对流云降水使用Z=300R^1.4。以及对层状云降水使用Z=230R^1.6,并以雨量计观测的降水量为真值,与仅区分对流云降水和层状云降水类型并使用双Z-R关系测量降水量的方法进行了比较。结果表明,本方法可以有效地自动识别降水类型的分布区域,并且可以提高雷达定量测量降水的精度。     

基于星载测雨雷达2004-2014年观测的川渝地区降水垂直结构的气候特征

使用热带测雨卫星（TRMM）搭载的测雨雷达（PR）2004-2014年长达11 a的连续观测资料对青藏高原东南缘川渝地区不同季节不同降水类型的垂直结构特征进行了统计分析,并建立了相应的气候态反射率垂直廓线（Vertical Profiles of Reflectivity,简称VPR）。结果表明,由于不同的微物理及动力过程,降水类型对反射率垂直廓线的结构特征影响很大,90%的层云0℃层亮带峰值强度低于32 dBz,50%的对流云最大反射率强度超过35 dBz。降水类型及强度均对反射率垂直廓线的形状影响很大,层云系统发生中及大雨时其冰雪区的聚合反应效率明显较发生小雨时高。反射率垂直廓线特征参数具有一定的区域性和季节特征,且地表加热和地形高度的作用会加强上升气流对反射率垂直廓线形态的影响,上升气流的强度影响着冰雪及雨水区的碰并增长率以及低层的蒸发作用,从而进一步影响低层雨区的反射率垂直廓线斜率,边界层的相对湿度是另一个影响雨区反射率垂直廓线斜率及蒸发率的重要因素。星载测雨雷达的云分类算法在青藏高原东南缘地区受到一定的挑战,仍有改进的空间;未来可以将基于星载测雨雷达建立气候态层云典型反射率垂直廓线应用于联合地基天气雷达网观测以弥补后者在复杂地形条件下探测范围及能力受限的缺陷,从而改进雷达定量降水估测的误差。      

两个中尺度对流系统的降水结构和闪电特征

对两个处于不同发展阶段的中尺度对流系统(MCS)降水结构的分析结果表明,处于初生至发展阶段的MCS,对流降水和层云降水的面积比相对较大,处于成熟至消亡阶段的MCS的相对较小。本文进一步分析了这两个MCS个例在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,结果表明处于初生至发展阶段的MCS的绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区,而对处于成熟至消亡阶段的MCS,事件集中发生在对流区和对流云向层云转化的回波区。     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。      

非常规探测资料在一次非典型暴雨过程中的应用

利用漳州市地面加密自动站、多普勒天气雷达、风廓线雷达和微波辐射计等非常规探测资料,分析了2020年9月19日漳州市一次非典型暴雨过程期间各探测资料的演变特征。结果表明:此次过程是高空槽东移引导地面冷空气快速南下与低层偏南暖湿气流交汇并持续对峙引发的;在强降水时段,雷达组合反射率因子40dBz以上强度的水平范围大,在垂直结构上,强反射率因子表现为低质心型;风廓线雷达水平风场的突变对强降水预报具有指示意义,垂直风速的变化与地面降水时长等具有较强的相关性;微波辐射计的温湿度廓线直观反映降水前后测站上空的温湿层结,由降水前低层增温增湿,不稳定增强变为温湿分布均匀的稳定到中性层结,对地面降水发生具有较好的提前量。     

石家庄地区反射率因子垂直廓线特征分析

利用自动雨量计数据整理成的10 min一次的雨量资料和s波段多普勒天气雷达体积扫描强度数据,对石家庄地区2004～2007年4次天气过程的实时雷达反射率因子垂直廓线的特征进行了分析.结果表明:层状云和混合性降水反射率因子垂直廓线有明显的零度层亮带;短时强降水过程的反射率因子垂直廓线不存在零度层亮带.冰雹过程中反射率凼子垂直廓线变化较大,降雹前反射率因子的极大值在中上层,降雹发生时反射率因子的极大值高度下降,降雹后反射率因子的极大值减弱.降雪过程的反射率因子垂直廓线零度层亮带不明显.在石家庄西部山区,由于零度层亮带的影响.对层状云和混合性降水回波强度和降水量估计偏高.对短时强降水过程的地面降水估计用反射率因子垂直廓线的方法比最低仰角法更加准确,在均匀性降水中可较好地改善地面雨量估算结果,有利于在山区和无雨量计的地区判断强对流天气的发生、发展和估算降水量的大小.     

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

基于北京多源资料的云宏观特征判识北大核心CSCD

获取准确的云高及其变化特征,对于揭示天气系统的演变以及改进气候模式具有重要作用。由于不同设备观测云高的不确定性,将锋区要素不连续变化理论引入云高分析中,将云底部、云顶部大气的交界过渡带区域视为云锋区,研究探空、毫米波雷达、风廓线雷达等不同类型设备观测要素在云锋区及云外环境大气的变化特征。对流云和层状云个例研究表明:在云锋区,温湿度及雷达反射率因子随高度的一阶、二阶导数均呈不连续现象(即一阶、二阶导数值在云内外和云锋区表现为不相等),风廓线雷达信噪比垂直梯度也出现突变,因此不同设备观测云高具有较好空间一致性,并得到云底和云顶高度的合理范围和相应判据;相对于层状云,对流云内外温度梯度差异以及云体内反射率因子二阶导数的脉动变化幅度均偏大,因此可作为区分二者的参考指标。     

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征，提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数，它们分别是:组合反射率及其水平梯度，反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图，用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区，统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征；最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数，利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验，并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较，结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云；由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征，它容易把对流核的外围识别成层状云，把厚实的层状云识别成对流云，而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

南京地区雨滴谱参数的详细统计分析及其在天气雷达探测中的应用

雨滴谱包含了降雨的丰富信息,不仅能反映雨滴群的微物理特性,也能反映降雨类型、降雨强度等宏观特性,并且在雷达气象领域也有重要的价值。论文对2015和2016年度南京地区32次降雨过程的雨滴谱资料进行了处理、并对多种雨滴参数进行了详细的统计和分析,拟合了层状云降雨、对流云降雨以及积层混合云降雨的雨滴谱Gamma分布参数。另外,还基于雨滴谱数据拟合了雷达反射率因子Z与降雨强度R的Z-R关系,计算了差分反射率Z_DR、相位常数K_DP以及衰减参数,并利用衰减参数进行了C波段雷达回波的衰减订正试验。结果表明:（1）层状云降雨的各微物理参数比较稳定,积雨云的变化剧烈;层云降雨和积层混合云降雨的中雨滴、积雨云降雨的大雨滴对雷达反射率因子的贡献最大。（2）积雨云降雨的滴谱最宽,层状云降雨的最窄。（3）利用依据雨滴谱数据拟合的三类降雨Z-R关系,可以一定程度地提高雷达估测降雨的精度。（4）利用基于雨滴谱数据拟合的衰减系数,有效地进行了C波段双偏振雷达回波强度的衰减订正,体现了统计参数和拟合参数准确性。