一次飑线过程的动力和微物理结构及滴谱变化对降水估测的影响研究

雨滴谱的变化和回波强度的垂直变化是影响雷达估测降水的重要原因。文章利用美国KOUN双线偏振雷达观测的一次飑线过程资料,用模糊逻辑的方法、β方法和约束条件下的Λ方法,分析了飑线过程降水粒子相态和雨区雨滴谱分布及其相态混合区冰雹融化过程,结合四维变分方法风场反演方法,研究了雨滴谱变化与飑线过程风场中尺度结构的关系,及其对双线偏振雷达不同估测降水方法的影响。结果表明:处在气旋中的飑线存在中低层辐合线,低层辐合带及强烈上升形成强回波,飑线后部的层状云中存在下沉气流,而飑线的前部存在下沉气流形成的边界层辐合线。飑线中对流单体组成的强回波带和后侧的层状云降水的雨滴谱分布有明显的变化,大雨滴区往往在飑线前部,在东南气流中新生的对流单体也常常有大雨滴区存在。ZH、ZDR随高度变化比较明显,而KDP基本不随高度变化,高度的选取对传统的Z-R关系方法、(ZH,ZDR)方法估测降水量影响很大,但KDP方法几乎不受高度变化的影响。本次过程雨滴谱变化非常明显,这对Z-R关系估测降水将产生重要影响,(ZH、ZDR)方法和KDP方法估测的降水比较接近,而Z-R关系方法在对流中心降水估测值偏大。小于30 dBz回波的KDP脉动很大,出现的不正常值对降水估测有一定影响,采用综合降水估测方法是必要的。     

双线偏振雷达判别降水粒子类型技术及其检验

在综合分析国内外降水粒子相态识别方法的基础上,结合我国双线偏振雷达的应用需求,建立了一套利用双线偏振雷达探测资料识别降水粒子类型的识别模式,并根据美国KOUN雷达观测资料对该模式进行了分析验证,同时检验了模式中的几个偏振参数:差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP、水平偏振和垂直偏振回波功率零滞后互相关系数ρHV(0)对不同降水粒子的识别效果。通过分析认为:利用该识别模式得到的结果基本合理,可以反映降水区域内降水粒子的相态结构,但还需要对资料作进一步的研究。同时在识别各类降水粒子方面,ZDR的效果要高于KDP和ρHV(0),在缺乏相关资料的情况下可以考虑用ZH和ZDR配对识别的结果作为真实的结果。     

S波段双线偏振雷达K_（DP）参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量参数KDP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测KDP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制,探讨了KDP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的KDP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法KDP计算的影响。同时研究雷达实测KDP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系表明5,km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;KDP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用KDP来估算反演降雨强度。     

双线偏振雷达的降水估测：II.误差分类分析

详细地定量地分析了降水估测中的Ｚ－Ｒ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的Ｚ－Ｒ关系之间无明显差别,ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大,双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小,Ｚ－Ｒ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可人为呈一偏差逼近０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。     

双线偏振雷达气象产品生成软件系统研制

“双线偏振雷达气象产品生成软件系统研制”是科技部科研院所技术开发研究专项资金项目，已经顺利通过验收。该项目利用多种双线偏振雷达资料，针对双线偏振雷达资料预处理和质量控制、降水估测方法、降水粒子系统识别、雨滴谱反演、含水量计算等方面的科学问题开展了一系列研究，并对研究成果进行了综合集成，建立了“双线偏振雷达气象产品生成软件系统”。该系统能够对多种双线偏振雷达数据进行处理，实时生成降水估测、冰雹识别、降水粒子系统识别、雨滴谱反演等产品。     

不同波段雷达在咸阳冰雹过程中的应用分析

利用常规气象观测资料、探空资料、NCEP/NCAR 1°×1°网格点逐6 h再分析资料、西安C波段新一代天气雷达和旬邑X波段双偏振天气雷达资料,对2018年6月13日发生在咸阳北部的一次冰雹天气进行雷达回波特征和成因分析。结果表明,该次冰雹发生在高层冷空气下滑、中低层存在辐合上升运动的环境背景下,降雹出现在冷涡底后部,较强对流不稳定能量、较好的热力不稳定条件和一定的垂直风切变为冰雹的发生提供了有利条件。西安C波段雷达和旬邑X波段雷达的反射率因子均表现出冰雹的弱回波区和三体散射特征,但两部雷达的回波特征有所差别：在同一高度上旬邑X波段雷达的回波强度比西安C波段雷达的弱;VIL的骤增、差分反射率因子ZDR、差分传播相移因子KDP、零延迟相关系数RHV等偏振参量对冰雹的指示性也较好,当VIL最大值达到40 kg/m2、密度高于3.5 g/m3,ZDR为0或负值,RHV迅速降低,KDP接近于0,可判定冰雹生成。     

双线偏振雷达的降水估测：I.排序配对逼近法

提出使用新的途径－排序配对逼近法得出的双线偏振雷达降水估测Ｚ－Ｒ关系参数因子比线性拟合法具有更好的代表性,且能体现提高区域降水估测精度,也能根据实际情形采用其它的误差类型作获取及衡量参数的标准,对指数函数形式的Ｚ－Ｒ关系来说,其参数因子Ａ０,ＡＨ及ＡＤＲ分别为０．０１６８４,０．０９６和－０．４１６５。该方法可以推广以多个变元及参数因子的复杂函数中。     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

根据不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了基本形式为不对称的T型函数的模糊逻辑识别的隶属函数, 完善了该识别方法的流程, 并利用美国KOUN雷达的观测资料, 详细讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别降水粒子相态的方法, 并对其在实际业务运用中的合理性和可行性进行分析探讨.通过分析, 作者认为: (1)利用模糊逻辑方法处理双线偏振雷达测量到的偏振参数, 可以识别降水区域的降水粒子相态, 反映降水区域的相态结构, 识别的结果基本合理, 但还需要资料作进一步的研究.(2)从实际资料的分析结果来看, 虽然利用模糊逻辑法识别降水粒子相态得到的结果比较粗, 没有明确的数据特征值, 但是它基本上能反映各种降水粒子的相态结构, 其识别的结果对目前日常的天气预报参考和人工影响天气的作业指挥和效果评估来说还是符合可用的.为中国国内未来的双线偏振雷达业务运行提供参考和帮助.(3)根据有限的观测资料分析表明, 降水区域中出现60 dBZ以上的回波强度, 并不一定就会出现冰雹, 还有可能是大粒子的液态降水.综合考虑双线偏振雷达的测量参数, 可以得到更合理的结果.     

双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用

介绍了双线偏振多普勒天气雷达的基本原理和双偏振参量。阐述了几种较常使用的估测降水强度的算法,并分析了不同算法之间的差异。讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别冰雹区的方法,其中,基于模糊逻辑技术的冰雹识别模式,不仅可以反映出实际的冰雹区位置,而且还可以对其分类。     

双线偏振雷达识别冰雹的数值研究

利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云模式,详细地讨论了云雨衰减作用和云中各粒子共存于同一空间给双线偏振雷达识别冰雹带来的影响.在实际工作中,分析双线偏振雷达的回波时,这些讨论结果对分析和理解云降水过程有帮助.另外,本工作能为改装双线偏振雷达提供有益的理论参考.     

对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。     

基于雷达资料的增雨过程分析

应用天津WSR-81S雷达体积扫描资料和地面降水实况资料对2000年8月2日天津市武清区进行的一次雹云高炮人工增雨作业进行了分析。作业后从地面降水实况资料上看,在作业炮点的上游出现了大降水中心,表明人工增雨作业可以改变自然降水的原始分布,增加局部地区的降水。利用降水时段的雷达体积扫描资料分析表明:循环往复的爆炸作业使雷达回波的强度减弱、高度降低、移动速度减慢。由于迎着雹云的移动方向作业,造成上游地区降水较大,大于45 dBz的强回波滞留在作业炮点的上游。     

Radar measurements of integral parameters of hailstorms used on hail suppression projects

The exact quantitative estimation of hailstorm precipitation intensity, allowing determining successfully the crop hail damage, is extremely necessary while carrying out of programs of experimental researches of the hail clouds as well as at realization of operative projects on hail suppression. On the other hand, the possibility of obtaining a trustworthy information about changes of hailfall intensity during cloud seeding operations enables to judge more objectively about seeding effect and to make a decision about its beginning and termination. Just because of such a parameter, the kinetic energy of hailfalls presents a great interest for the researchers. As it is known, measuring the kinetic energy of hailfalls is carried out both directly by ground network of hailpads, and by radar methods. The accuracy of the radar methods of the hail kinetic energy measurement strongly depends not only on the choice of an optimum formula for calculation but also on the algorithm used for separating hail and rain parts of radar echo and on the way it was used in the hail–rain mixture zone of precipitation.The method of calculating the kinetic energy of the hailfalls, based on empirical dependence of hail probability P_h on a height of a zone of a radar echo with a reflectivity of 45 dBZ above a level of zero isotherm ΔH₄₅, is offered in the given work. The algorithm of separating hail and rain parts of a radar echo and the way it was applied in a hail–rain mixture zone is described. The examples of hail streaks in contours of radar reflectivity and in isopleths of hail kinetic energy obtained using the given algorithm are shown.In Mendoza province (Argentina), a hail suppression project (1993–1997) for the analysis of the vertical structure of a radar echo with Z_max > 45 dBZ, such new parameter is an integral altitude, was used. This dimensionless parameter is most sensitive to such a condition of radar echo when all four contours of increased reflectivity Z₄₅, Z₅₅, Z₆₅, and Z₇₅ synchronously reach the maximal values. The analysis of time distributions of the main radar parameters of hailstorms on a background of values of integral altitude is resulted. It is shown that local hailfall maximum intensities on the ground are observed after the achievement of maximum integral altitude with a certain delay. It enables to predict zones of the greatest hail damage in a mode of radar observation.     

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.     

双线偏振多普勒雷达对一次降雹超级单体发展减弱阶段的演变分析

2015年4月28日,在高空冷涡的天气背景下,一个伴有较长生命史中气旋的超级单体在上海南汇双线偏振多普勒雷达观测范围内经历了发展减弱阶段,并产生了冰雹、雷雨大风、短时强降水等灾害性天气。利用常规天气观测、南汇双线偏振多普勒雷达、双雷达反演风场等资料分析发现,超级单体在发展成熟阶段呈现出回波悬垂、低层入流缺口、中气旋以及三体散射等经典特征,以及表示雷暴处于发展加强阶段的差分反射率因子柱。差分反射率因子柱通常意味着雷暴中上升气流的加强,同时说明大量的水滴可以被强上升气流托举到0℃层以上,形成过冷水滴,从而有利于冰雹的形成。超级单体经过的区域0～6 km垂直风切变达到了22～26 m·s~(-1),强垂直风切变环境有利于水平涡度发展,南汇雷达观测范围内中气旋维持了100 min左右,有利于雷暴的发展维持。此外,基于模糊逻辑法对此次降雹强对流天气过程开展了相态识别,结果表明,模糊逻辑法对此次强对流天气过程中的冰雹、降水等不同性质的降水能够进行有效的识别,有助于对雷暴降水相态本质的认识。     

Parsivel~激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别。激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z/R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性。     

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.     

局地暴雨和冰雹在雷达回波上的对比分析

通过对扎兰屯同一地区局地暴雨和冰雹在雷达回波图像上的对比分析,得出冰雹和暴雨在雷达图上的反映有很大的不同：冰雹的回波强度梯度和垂直累积液态含水量产品值较暴雨的要大;冰雹天气回波顶高（ET）比暴雨天气的回波顶要高许多。但具有径向速度产品都存在着逆风区的特点。     

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。     

2010年8月丹东连续两次副热带高压暴雨多普勒雷达回波对比分析

利用丹东多普勒雷达的基本反射率、基本径向速度和风廓线资料,对2010年8月19日和20日丹东地区大暴雨天气过程进行分析,探讨丹东短时强降水天气形势和多普勒雷达回波特征。结果表明：在丹东处于副热带高压内部或边缘时,南下的冷空气与副热带高压后部暖湿空气势力相当时,形成丹东地区较典型的暴雨模式。风廓线产品在强降水前期,会产生一个水汽累积的过程,两次过程中出现短时强降雨时段均表现为高空急流出现和高空动量下传。这种高空动量的下传使低空急流得到加强,低层进一步辐合,使雨强明显增大。两次过程中降水回波区均形成一条40 dBz以上的回波带,回波移动方向与回波带轴向一致,导致沿途站降水时间偏长,降水总量偏多。逆风区出现时间与强降雨时段有较好的配合,其位置与强回波区的对应关系揭示出逆风区厚度越大、对应的反射率因子强度越强,产生的降水强度也越大。