青藏高原东南部墨脱地区弱降水微物理特征的Ka波段云雷达观测研究

藏东南地区的墨脱县位于雅鲁藏布江下游的河谷区域,是印度洋水汽进入高原的最主要水汽通道。墨脱作为西藏年平均降水量最多的地区,是青藏高原云降水系统的重要组成部分。本文以2020年墨脱地区的Ka波段云雷达观测数据为基础,首先对云雷达功率谱数据进行预处理,并采用降水现象仪对云雷达观测进行验证。在此基础上,选取了2020年3月6日和8月24日具有层状云降水特性的两次弱降水过程,利用云雷达功率谱数据反演了雨滴谱,探究墨脱地区旱季和雨季弱降水的微物理特征。结果表明:云雷达观测与降水现象仪雨滴谱数据计算的Ka波段云雷达回波强度理论值存在大约12 dB的系统误差,订正之后二者随时间变化一致性较好,云雷达反演的近地面雨滴谱特征与降水现象仪观测接近。墨脱地区零度层高度随季节变化明显,旱季零度层高度较低（例如地面上1.5 km左右）,而雨季零度层高度较高（例如地面上4 km左右）。墨脱层状云雨滴谱的宽度较窄,降水粒子直径不超过3 mm。在零度层以上,根据谱偏度和峰度的垂直变化可以推测冰晶粒子直径随高度下降缓慢增长, 但旱季冰晶粒子增长比雨季更为明显。经过零度层后,冰晶粒子转化为雨滴,雨滴在下落过程中由于碰并及蒸发作用造成浓度减小,直径越小的粒子浓度减小越快。在近地面,由于蒸发作用的加强导致随高度降低雨滴浓度明显减小。     

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。     

青藏高原墨脱地区云降水综合观测及初步统计特征分析

为加深对雅鲁藏布大峡谷水汽通道入口处云和降水三维结构及微物理特征的认识,在第二次青藏高原综合科学考察研究专题和国家重点研发计划项目的支持下,中国气象科学研究院于2019年在西藏墨脱地区建立了野外观测试验基地,开展了水汽、云和降水的综合观测,先后布设了先进的Ka波段云雷达、微波辐射计、X波段双偏振相控阵雷达、降水现象仪、K波段微雨雷达等设备,获取了高时、空分辨率的云和降水的宏、微观数据。文中简单介绍了此次观测的情况,并利用云雷达2019年的观测数据和降水现象仪2019年6月至2020年6月的观测数据对云的宏观特征及雨滴谱特征进行了统计分析。从云的宏观特征来看,该地区云的发生率较高,云廓线占2019年云雷达观测廓线的67%,降水云廓线占总云廓线的45%。旱季和雨季云底高度的频率分布在垂直方向均有两个高值区,分别为0—1 km和2—3 km,且超过40%的云底高度低于1 km,这可能是墨脱降水云较多造成的。接近60%的云顶高度在4—7 km。总的来说,墨脱地区以中云和低云为主,云通常在下午到晚上形成,早上到中午慢慢消散;从雨滴谱分布特征来看,该地区平均的雨滴谱谱宽和大雨滴的浓度随雨强的增大而增大,降水以中、小粒子为主,中、小粒子浓度超过粒子数浓度的99%。对流云降水的特点是粒子直径较小,而数浓度较高。粒子质量加权平均直径（D_m）的范围在1.0—1.6 mm（平均1.38 mm）,标准化截距参数（lgN_w）的范围在3.6—4.5（平均4.01）,表现出海洋性对流降水的特征。此外,该地区降水的lgN_w呈现双峰特征,分别对应于对流云和层状云降水。      

青藏高原那曲地区雨季雷达回波、降水和部分热力参量的统计特征

利用1998年青藏高原地面雷达资料、探空资料和地面降水资料，计算分析了青藏高原的雷达回波、层结热力参量及其降水的统计特征。结果表明，在6月中旬青藏高原雨季来临之后，云中对流活动明显增强，雷达回波强度增大，回波顶高和回波面积增加，层结热力参量明显改变，对流凝结高度下降，气块能量增加，降水量显著增大。     

东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析

为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。     

雷达估测对流性降水的误差空间分布及Z-R关系的优化

新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测中,雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出Z-R关系的关键。对流性降水回波强度具有时空变化大的特点,严重影响了雷达和雨量站数据的匹配以及定量降水估测的精度。利用河南地区3次强对流天气过程的雷达和雨量站数据,通过分析雷达对流性降水与地面雨量站观测值的误差空间分布,找到如下规律:雷达回波强度严重高估点和低估点大部分位于强回波的边缘地区(单点回波强度随时间变化较大);部分位于强回波中心的雨量站观测值为零(部分时刻)。通过分析可知,突发的强降水和强回波中心容易造成雨量站观测值误差较大,因此对Z-R关系拟合造成了较大的影响。根据对流性降水回波强度变化特点和本文得到的回波强度与雨量站雨量匹配关系,在Z-R关系拟合中,提出了加入回波强度随时间变化的指标对误差较大雨量站进行剔除的方法,也提出了一种优化的回波强度平均方法和累积时间,得到了用于对流性降水估测的最佳方案。详细分析以上因素对降水估测的影响表明,通过根据回波强度随时间变化的指标对雨量站进行剔除和使用最佳降水估测方案,提高了对流性降水估测的精度。     

深圳地区不同天气流型夏季短时强降水和闪电的时空特征

利用高时间分辨率的分钟级雨量资料及LS8000闪电定位仪地闪数据,对比分析2014—2017年台风型、低压型、西南季风型和切变线型天气系统引发的深圳地区夏季短时强降水和闪电活动,并通过分析降水和闪电的日变化、降水频次、闪电峰值、持续时间、雷达回波顶高等,探讨不同天气流型引发的降水和闪电的时空分布特征。结果表明,四种天气流型引发的深圳地区短时强降水伴随闪电的对流活动主要集中发生在凌晨至08时和12-14时。台风型产生的短时强降水对应的闪电活动主要集中发生在降水强度为20～30 mm·h~(-1)时,且该类型产生的闪电主要以负地闪为主。低压型、西南季风型和切变线型中有80%以上的闪电活动主要发生在降水强度超过50 mm·h~(-1)。对于降水量小于40 mm·h~(-1)的闪电活动,切变线型是产生该量级降水的主要天气系统,也是该地区产生年平均地闪频次最多的天气系统。其中,该系统引发的此类对流活动的雷达回波顶高以2～4 km为主,并有72%的对流过程对应的零度层高度小于5 km。     

TRMM揭示的南海不同回波顶高对流系统的季节变化特征

采用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水和云特征数据集,对南海2001年1月至2012年3月不同回波顶高对流系统的垂直结构、表面降雨率、数量时空分布的季节变化进行统计分析。结果表明:①浅对流、较深对流、深对流大于20dBz的回波区分别分布在4～8km、4～10km、4～14km之间;浅对流20dBz回波顶高的频率峰值为9km;冬季,较深对流、深对流20dBz回波顶高的频率峰值分别为13km、14.5km,其余季节偏高分别为14.5km、16km。②较深对流和深对流是南海地区面积平均降雨率较强的2种主要的降水系统;夏秋两季,较深对流的降雨率大于深对流;冬春两季,深对流的降雨率大于较深对流。③较深对流、深对流出现频次最少的季节为冬季,浅对流则为春季。④浅对流偏向于出现在12°N以南;深对流偏向于出现在12°N以北;较深对流在冬春季节集中在12°N以南,夏秋季节横贯南海。⑤夏秋两季在南海北部出现气旋性辐合上升的差异中心,南海中南部的西南水汽输送差异与700hPa以下水汽的辐合差异,是较深对流在夏秋两季比冬春两季带来更强降雨率的主要原因。     

云南雨季和干季小时降水的时空特性分析

利用云南省2325个国家级台站和区域自动观测站逐小时降水数据,分析了2014~2018年云南雨季和干季的降水量、降水频次和降水强度的空间分布特征以及关键区域的降水日变化演变特征。结果表明:受复杂地形影响,云南不同区域降水特征差异显著,且与我国东部地区显著不同。年均降水量大体呈西南高、西北低的分布特征。对于云南西北部的怒江河谷地区,干、雨季降水均为夜间峰值,降水频次高,但强度较弱。对于云南最西部（99°E以西）的保山德宏地区,该地区累计降水量为云南最大,这一区域各台站日变化峰值均较为一致地出现在上午,在陆地地区较为少见。相邻的普洱和元江河谷位于云南南部（23°N以南）,雨季两区域降水相当,但元江河谷在干季与雨季均为突出的夜间至清晨降水峰值,普洱地区雨季则是明显的午后降水峰值。云南中部地区降水量较周边地区明显偏小,该地区降水频次在雨季主要表现为清晨峰值,而在干季却是午后峰值更为突出,这也与我国东部地区降水日变化特征差异明显。      

基于TRMM PR探测的夏季合肥地区降水特征分析

利用热带测雨卫星TRMM搭载的测雨雷达（PR）1998-2012年的观测资料,研究了合肥地区夏季（6、7、8月）不同类型降水的降水强度和频次的水平空间分布、降水垂直结构、日变化特征以及气候变化等特征,揭示了城市化效应造成城市及其周边区域降水特征在时空上的分布差异。研究结果表明,（1）主城区对流和层云降水强度低于周边区域,对流降水频次也低于周边区域,但层云降水频次则相反。可见城市化发展是改变降水的空间分布的因素之一,且对不同的降水类型空间分布影响不同。（2）主城区降水回波信号高度高于周边区域,而降水强度低于周边区域,表明城市效应促进降水云发展而未造成降水强度增强。（3）合肥地区对流和层云降水的强度和频次日循环存在时空分布不均匀性,其中城区的对流降水强度和频次日循环与城市热岛效应日循环具有一致性。总体来看,城市化对局地降水强度影响较大,而对局地降水频次的总体影响不是很明显。（4）通过降水气候变化分析表明,城区两种类型降水强度和频次均呈逐年下降趋势,周边区域降水强度呈不显著上升趋势,降水频次呈逐年下降趋势,其中层云降水频次下降趋势较显著。城市化进程使得城市及其周边区域降水不均匀性逐年增强。极端降水空间分布特征分析表明,城市周边区域强降水频次高于主城区,尤其在城市的下风区高出主城区75%;而周边区域弱降水发生的频次低于主城区,城市下风区最低,低于主城区约18%。     

云南降水正态分布特征的初探

利用适合性检验方法，对云南省125个测站1961年一2000年40a逐月降水资料是否符合正态分布进行了检验，并对云南降水正态分布做了区划。研究结果表明，云南在雨季(5—10月)通过显著性检验的测站数明显少于干季(11一次年4月)通过显著性检验的测站数，其中8月份仅4站次通过显著性检验，而12月份高达97站次，占全省总站次的77．6％；即云南雨季降水多符合正态分布，而在于季多符合非正态分布，8月份几乎全省符合正态分布，而12月份大部份测站都不符合正态分布。云南降水量的正态统计分布一方面具有一定的区域性特征，另一方面又具有较强的局地性，不同的月份同一测站降水量的正态性不同。因此，在做有关降水量的分析预报时，很有必要考虑其正态性的统计分布特征。     

2012年华南前汛期降水特征及环流异常分析

2012年华南前汛期于4月第2候开始,6月第5候结束。前汛期降水经历了三个不同的阶段：第一阶段是4月第2候至5月第3候的降水集中期（锋面降水）,江南大部和华南大部降水偏多25％以上,第二阶段是5月第4候至6月第2候的少雨期,华南中部和东部降水偏少50％以上,第三阶段是6月第3—5候的第二个降水集中期（季风降水）,江南东南部至华南中西部降水偏多50％以上。对各阶段大气环流距平场的分析结果表明：华南前汛期开始后,偏强的乌拉尔山高压脊导致南下的冷空气偏强,偏强的低层副热带高压使得我国南方为整层水汽输送的异常辐合区,两者共同导致华南前汛期第一阶段的锋面降水较常年同期偏多;南海夏季风在爆发后偏弱和西北太平洋副热带高压（以下简称副高）持续3候异常偏北是导致第二阶段前汛期降水明显偏少的主要原因;第三阶段,南海夏季风异常偏强,副高南落并增强,以及孟加拉湾季风槽的偏强使得华南前汛期此阶段的季风降水偏多。     

藏东南峡谷地区不同下垫面地表通量变化特征及其与降水的关系

利用藏东南峡谷地区排龙站、丹卡站、卡布站、墨脱站四个站点2018年11月至2019年10月的涡动协方差仪观测资料,分析藏东南峡谷地区不同位置入口、中段和末端地表通量变化的特征及其与局地降水的关系.研究表明:地表通量月平均日变化特征为夜间潜热通量大于感热通量,日间呈单峰变化特征.排龙站和丹卡站感热11月至次年4月较强,5...     

云南雨季的时空特征及与大气环流变化的关系

为了系统了解和认识云南雨季变化的气候特征、年际特征及其影响因子,利用云南116个气象观测站1961—2015年20时—20时的逐日降水资料,根据新定义的西南雨季单站标准,系统分析云南雨季变化的时空特征以及相应的大气环流特征。结果表明:（1）对于1981—2010年的气候平均,云南全省平均雨季的开始和结束日期分别为5月22日和10月15日,雨季变化的空间差异较大,雨季开始大致表现为从东南向西北推进,结束则从西北和东南逐渐向西南推进,由此导致云南雨季长度和雨季总降水量变化由南至北逐渐减小;（2）云南雨季变化的年际差异显著,全省平均雨季开始日期最早在5月8日,最晚在6月8日,结束日期最早在9月30日,最晚在11月2日,早晚相差近1个月;（3）云南雨季开始日期主要受西南季风和中纬度冷空气活动的共同影响,季风建立偏早和中纬度冷空气活动频繁有利于雨季开始早,反之有利于雨季开始晚;而雨季结束日期主要受热带季风环流变化的影响,夏季风向冬季风季节转换早则云南雨季结束早,反之雨季结束晚。      

基于聚类分析的兰州地区自动站降水特征分析

利用兰州地区2013—2018年4—10月139个自动气象站逐时累积降水量和降水小时数资料,通过K均值聚类分析方法进行二维聚类分区,分析不同区域降水精细化时空分布特征。结果表明:(1)K均值聚类方法将兰州地区降水划分为3个区域,年平均降水量分别为246、317和427 mm,降水小时数分别为306、404和454 h。分区结果同地理位置、地形高度相适应,与主观分区结果较一致但更加科学精细;(2)3个区域降水分布特征相似,但也存在较明显的地域性差异,降水量集中在7—8月,分别占46%、45%、44%,降水小时数集中在6—9月,分别占55%、53%和53%;(3)从日变化特征看,降水量、降水小时数、降水强度的高值分别集中在7—8月的午后至前半夜、7月的16—17时、8月的00—04时和16—23时。     

中国大陆降水日变化研究进展

文章概述了中国大陆降水日变化的最新研究成果,给出了中国大陆降水日变化的整体图像,指出目前数值模式模拟降水日变化的局限性,为及时了解和掌握降水日变化研究进展、开展相关科学研究和进行降水预报服务提供了有价值的科学依据和参考。现有研究表明：（1）中国大陆夏季降水日变化的区域特征明显。在夏季,东南和东北地区的降水日峰值主要集中在下午;西南地区多在午夜达到降水峰值;长江中上游地区的降水多出现在清晨;中东部地区清晨、午后双峰并存;青藏高原大部分地区是下午和午夜峰值并存。（2）降水日变化存在季节差异和季节内演变。冷季降水日峰值时刻的区域差异较暖季明显减小,在冷季南方大部分地区都表现为清晨峰值;中东部地区暖季降水日变化随季风雨带的南北进退表现出清晰的季节内演变,季风活跃（间断）期的日降水峰值多发生在清晨（下午）。（3）持续性降水和局地短时降水的云结构特性以及降水日峰值出现时间存在显著差异。持续性降水以层状云特性为主,地表降水和降水廓线的峰值大多位于午夜后至清晨;短时降水以对流降水为主,峰值时间则多出现在下午至午夜前。（4）降水日变化涉及不同尺度的山-谷风、海-陆风和大气环流的综合影响,涉及复杂的云雨形成和演变过程,对流层低层环流日变化对降水日变化的区域差异亦有重要影响。（5）目前数值模式对中国降水日变化的模拟能力有限,且模拟结果具有很强的模式依赖性,仅仅提高模式水平分辨率并不能总是达到改善模拟结果的目的,关键是要减少存在于降水相关的物理过程参数化方案中的不确定性问题。     

南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析

利用华南地区248个国家级地面气象站逐小时降水数据和14个探空站数据,分析了2003—2016年4—6月华南前汛期降水日变化特征。据南海夏季风爆发时间,将降水分为爆发前后两个时段。华南地区主要存在两条大雨带,一个位于云贵高原至南岭山脉以南,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带集中发生在后半夜至清晨时段,偏南雨带集中发生在中午至下午时段。南海夏季风爆发前后,降水量不存在明显相关性,相关系数较大时次位于中午至下午时段。前后期年降水标准差在0.5附近,变化幅度明显时段主要集中于凌晨至清晨。午后出现3 h多年降水量变化幅度最大值,最小时段为中午12时。降水量、降水频率和降水强度的经向分布特征明显且相似:降水量和降水频率在112 °E附近出现日变化转折,以西多出现不稳定夜雨,以东白天降水波动较大。在南海夏季风爆发前,降水特征主要表现为西部高频、南部高强,在清晨更多作用于对暴雨系统的增长;季风爆发后则表现为西北-东南南的高频率高强度降水形态,在傍晚更多作用于增加降水发生频率。      

Progress in Studies of the Precipitation Diurnal Variation over Contiguous China

This paper summarizes the recent progress in studies of the diurnal variation of precipitation over con- tiguous China. The main results are as follows. （1） The rainfall diurnal variation over contiguous China presents distinct regional features. In summer, precipitation peaks in the late afternoon over the south- ern inland China and northeastern China, while it peaks around midnight over southwestern China. In the upper and middle reaches of Yangtze River valley, precipitation occurs mostly in the early morning. Summer precipitation over the central eastern China （most regions of the Tibetan Plateau） has two diurnal peaks, i.e., one in the early morning （midnight） and the other in the late afternoon. （2） The rainfall diurnal variation experiences obvious seasonal and sub-seasonal evolutions. In cold seasons, the regional contrast of rainfall diurnal peaks decreases, with an early morning maximum over most of the southern China. Over the central eastern China, diurnal monsoon rainfall shows sub-seasonal variations with the movement of summer monsoon systems. The rainfall peak mainly occurs in the early morning （late afternoon） during the active （break） monsoon period. （3） Cloud properties and occurrence time of rainfall diurnal peaks are different for long- and short-duration rainfall events. Long-duration rainfall events are dominated by strat- iform precipitation, with the maximum surface rain rate and the highest profile occurring in the late night to early morning, while short-duration rainfall events are more related to convective precipitation, with the maximum surface rain rate and the highest profile occurring between the late afternoon and early night. （4） The rainfall diurnal variation is influenced by multi-scale mountain-valley and land-sea breezes as well as large-scale atmospheric circulation, and involves complicated formation and evolution of cloud and rainfall systems. The diurnal cycle of winds in the lower troposphere also contributes to the regional differences     

Distribution of seasonal rainfall in the East Asian monsoon region

Summary ?This study deals with the climatological aspect of seasonal rainfall distribution in the East Asian monsoon region, which includes China, Korea and Japan. Rainfall patterns in these three countries have been investigated, but little attention has been paid to the linkages between them. This paper has contributed to the understanding of the inter-linkage of various sub-regions. Three datasets are used. One consists of several hundred gauges from China and South Korea. The second is based on the Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation (CMAP). The two sources of precipitation information are found to be consistent. The third dataset is the NCEP/NCAR reanalysis 850-hPa winds. The CMAP precipitation shows that the seasonal transition over East Asia from the boreal winter to the boreal summer monsoon component occurs abruptly in mid-May. From late March to early May, the spring rainy season usually appears over South China and the East China Sea, but it is not so pronounced in Japan. The summer monsoon rainy season over East Asia commonly begins from mid-May to late May along longitudes of eastern China, the Korean Peninsula, and Japan. A strong quasi-20-day sub-seasonal oscillation in the precipitation appears to be dominant during this rainy season. The end date of the summer monsoon rainy season in eastern China and Japan occurs in late July, while the end date in the Korean Peninsula is around early August. The autumn rainy season in the Korean Peninsula has a major range from mid-August to mid-September. In southern China, the autumn rainy season prevails from late August to mid-October but a short autumn rainy season from late August to early September is noted in the lower part of the Yangtze River. In Japan, the autumn rainy season is relatively longer from mid-September to late October. The sub-seasonal rainfall oscillation in Korea, eastern China and Japan are explained by, and comparable to, the 850-hPa circulation. The strong westerly frontal zone can control the location of the Meiyu, the Changma, and the Baiu in East Asia. The reason that the seasonal sea surface temperature change in the northwestern Pacific plays a critical role in the northward advance of the onset of the summer monsoon rainfall over East Asia is also discussed. Received October 5, 2001; revised April 23, 2002; accepted May 11, 2002