2009—2010年梅雨锋暴雨雨滴谱特征

2009、2010年夏季利用Parsivel激光降水粒子谱仪在淮南和南京同时观测到两次梅雨锋暴雨过程,获得了3 617个雨滴谱样本资料。采用阶矩法对Gamma函数进行拟合,分析了梅雨锋暴雨降水微结构特征。结果表明:主雨带和雨带边缘的雨滴谱存在明显差别,处于主雨带中的降水粒子尺度明显大于雨带边缘的粒子尺度;梅雨锋暴雨过程中0.25 mm<D≤1.0 mm的粒子所占比例最大,但对于雨强贡献最大的则是1.0 mm<D≤2.0 mm的粒子;雨滴谱谱型以双峰型为主,几乎不存在无峰型;与其他微结构特征量不同的是,雨滴谱峰值直径D_p随着雨强的增大先增加后减小,而雨滴谱分布参数N₀、μ、λ则随着雨强的增大而一直减小,其中μ-λ间存在较好的二项式函数关系;梅雨锋暴雨的Z-R关系为Z=212R^1.38。     

河北省双线偏振雷达数据质量分析和衰减订正

选取河北邢台X波段双线偏振全固态多普勒雷达观测到的典型降水过程资料,分析了偏振参量的数据质量及系统稳定性,用Φ_DP对Z_H和Z_DR进行了初步的衰减订正,并对订正结果进行了评估。结果表明,724XSP双偏振雷达初始相位Φ_DP(0)随仰角、方位的变化都是较为稳定的,波动较小。分析垂直扫描数据,发现Z_DR和CC能较好地反映降水粒子的实际情况。信噪比是影响偏振数据质量的重要因素,当信躁比大于15 dB时,Z_DR、CC随信噪比变化比较平稳,数据质量可信度较高。双偏振雷达反射率因子衰减订正后与S波段雷达的拟合效果更好,相关系数为0.78,订正后Z_DR-Z_H散点分布更接近散射模式计算出的理论结果,说明订正效果好。     

江淮之间夏季雨滴谱特征分析

分析了2011—2013年夏季(6—8月)滁州地基雨滴谱观测资料,根据雨强及其随时间的变化将降水分成对流降水和层云降水,分析不同降水类型的雨滴谱特征。结果表明:滁州地区对流降水的质量加权直径D_m和标准化参数lgN_w的平均值分别为1.67 mm和3.91 mm^-1·m^-3,层云降水D_m和lgN_w的平均值分别为1.18 mm和3.57 mm^-1·m^-3,对流降水雨滴平均尺度更大。N_w相比Γ分布参数N₀能更好地反映总数浓度N_t的大小。Γ分布3参数均随雨强的增大而减小,当雨强增长到一定程度时,μ(谱型)和Λ(斜率)趋于常数。研究了μ-Λ关系和Z(反射率因子)-R(雨强)关系。对流降水和层云降水的Z-R关系分别为Z=408R^1.20和Z=301R^1.21。新的Z-R关系和经典Z-R关系(Z=300R^1.40)反演的雨强相比实际观测值均偏小,但新的Z-R关系反演的雨强与实际观测值更接近。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究

X波段双偏振雷达观测参数能够完成雨滴谱反演,但是由于X波段雷达波长较短,降水观测时存在较大的衰减,本文采用自适应约束算法进行反射率和差分反射的衰减订正。通过对雨滴模型的散射模拟以及对雨滴谱进行Gamma谱拟合,建立了雨滴谱参数与双偏振雷达目标参数之间的函数关系和雨滴谱参数相互之间的关系,用于进行雨滴谱反演。将雨衰减订正前后的雷达目标参数进行雨滴谱反演并与实测雨滴谱进行对比,结果表明,所建立的X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法能够较好地反演雨滴谱,并且经过订正后反演得到的雨滴谱在浓度、尺度和谱形上都优于订正前的反演结果,通过对距离高度扫描和平面位置扫描数据进行雨滴谱反演,可以得到雨滴谱参数的垂直结构和水平分布,可用以进行降水分析。     

风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验研究

对风廓线雷达探测降水时出现的双峰型功率谱密度分布的回波,进行大气返回信号和降水返回信号的剥离,由大气返回信号求出环境大气的垂直运动,导出降水质点下降末速度的功率谱密度分布,进而求出云体中的雨滴谱分布。对两次降水进行了雨滴谱反演试验,提取了不同高度上30多份雨滴谱分布,雨滴谱分布基本上呈现出指数分布形式。指数拟合后求出雨滴谱的浓度参数N0由几百到几千m-3mm-1,尺度参数λ为3.8～4.5 mm-1。试验中,还由反演的雨滴谱估算出云中含水量,得出降水云体中含水量随高度的分布,与附近多普勒天气雷达观测进行了比较。风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致,云中含水量估算的均值基本相同,而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响,随高度分布更为精细。     

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。     

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

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。     

An improved method for doppler wind and thermodynamic retrievals

A variational method is developed to retrieve winds in the first step and then thermodynamic fields in the second step from Doppler radar observations. In the first step, wind fields are retrieved at two time levels: the beginning and ending times of the data assimilation period, simultaneously from two successive volume scans by using the weak form constraints provided by the mass continuity and vorticity equations.As the retrieved wind fields are expressed by Legendre polynomial expansions at the beginning and ending times, the time tendency term in the vorticity equation can be conveniently formulated, and the retrieved winds can be compared with the radar observed radial winds in the cost function at the precise time and position of each radar beam. In the second step, the perturbation pressure and temperature fields at the middle time are then derived from the retrieved wind fields and the velocity time tendency by using the weak form constraints provided by the three momentum equations. The merits of the new method are demonstrated by numerical experiments with simulated radar observations and compared with the traditional least squares methods which consider neither the precise observation times and positions nor the velocity time tendency. The new method is also applied to real radar data for a heavy rainfall event during the 2001 Meiyu season in China.     

统一检索界面技术初探

气象信息存储检索系统是将实时气象资料和历史气象资料进行统一的组织和管理，并提供检索服务的系统。由于数据量大，不可能都放在存取速度快但价格较高的磁盘上，因此必须将数据根据其访问频率分别存储在一级磁盘、二级自动磁带库和三级脱机磁带上，并结合使用商用数据库管理系统、数据迁移软件和存档软件对分布在各级存储设备上的数据进行管理。但由于这些软件之间存在的不衔接，不能对三级存储没备上的数据进行统一管理，也带来了用户检索界面不统一的问题。针对这个问题，本文对基于商用数据库技术的磁盘磁带数据的统一检索界面技术进行了探讨和研究，提出了统一检索界面的解决方案并在一定条件下，实现部分关键技术。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

相关法雷达反演风场在台风监测和分析中的应用

随着我国沿海雷达网的建设，雷达资料正逐步成为沿海气象台站台风临近登陆时的一个重要监测手段。利用相关法雷达风场反演对2001年登陆台风“百合”和“飞燕”作了环流和强度估测分析。结果表明，通过适当的质量控制，该方法可以有效地反演得到台风强风分布特征，分析精度与业务中常用的卫星估测方法相当。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

本文首先研究了晴空情况下大气温、湿廓线及表层温度等参数的同步反演问题。利用一阶变分原理，从红外辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，然后利用牛顿非线性迭代法求解大气温度廓线、大气水汽廓线和表层温度。并从“最佳信息层”的概念出发，指出水汽遥感反演的两个特点。     

利用人工神经网络方法反演大气温度廓线

高光谱大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料能够显示小尺度的大气温度垂直结构,为数值预报和天气诊断提供了更加准确精细的初始场.目前处理数据主要使用晴空大气业务反演国际MODIS/AIRS处理软件包IMAPP (International MODIS/AIRS Preprocessing Package)中的特征向量统计回归算法,由于统计法算法简单,反演精度受到较大限制.现提出一种利用人工神经网络的算法来对晴空状况下AIRS模拟辐射值进行大气温度廓线反演的方法,并与特征向量统计法结果相比较.结果表明,神经网络方法与特征向量统计法反演所耗时间相当,减小了反演误差,各高度层温度反演精度均有不同程度的改进,获得了较好的反演结果.     

TMI降水结构的反演算法和最佳分辨率选取个例试验

利用热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）和星载测雨雷达（PR）资料,选取了2003年出现在西北太平洋亚洲季风区的热带气旋ETAU（T0310）,采用间接对数组合方案建立了多频道线性回归算式,对4种不同分辨率（0．1°、0．2°、0．25°、0．5°）进行了TMI反演降水试验。结果表明,间接对数组合法能够较好地表征降水区的范围和强度分布,且反演结果稳定,是由微波亮温资料反演洋面降水的一种较为理想方法。采用0．2°和0．25°分辨率反演降水效果相对较好,具有实际应用价值,能对降水的宏观特征做出一定的指示。本文结果对于利用卫星微波遥感资料反演降水的研究具有一定参考价值。     

被动式微波遥感技术发展及其对汽/液态水物理参数反演的研究进展

大气遥感是1960年代以来发展最为迅速的学科分支之一,也是大气科学发展的关键技术支柱之一;其中,被动式微波遥感具有体积及功耗小,能进行全天候连续观测等优点,为获取大气、海洋、陆面等多领域观测信号提供了直接和有利手段。由于水汽、液态水是影响天气气候变化的重要要素,对其的探测技术在当前气象业务中显得尤为重要。简单回顾了被动式微波遥感的主要进展,重点介绍微波辐射计对水汽、云液态水、降水等物理量进行反演时所采用的统计方法、物理方法、物理统计方法等方法研究方面的国内外进展,并对微波辐射计的未来发展前景作了简单介绍。     

微波辐射计反演产品评价

利用北京南郊探空资料,对从美国进口的微波辐射计近3年反演资料,从总体平均、早晚平均、平均年变化以及不同天空状况4个方面进行分析、评价,以了解该设备的性能和产品特点。结果表明:①温度均方根误差从近地面到5000 m,误差逐渐增大,5000 m以上又逐渐减小。相对误差总体平均不到0.2,且均为正,表明仪器反演的温度比探空的偏高。②湿度从近地面到3000 m误差逐渐增大,3000 m以上逐渐减小。总体平均相对湿度的误差均为正,表明仪器反演出的相对湿度比探空的偏高。③从温、湿度误差的早晚对比看,20:00的误差相对比08:00小。④从不同天空状况看,温度碧空、多云间晴效果较好,多云转阴、阴天效果较差;湿度多云转阴、阴天效果较好。⑤从温、湿度误差的年变化来看,温度均方根误差1500 m以下年内变化幅度较小,1500 m以上变化幅度较大,呈现出8月误差最小,3、4月最大;相对湿度的均方根误差在1500 m以下年内变化比较相似,1500 m以上脉动变化比较大。     

Sensitivity Studies for Monitoring Tropospheric Ozone from Space Using the Ultraviolet,Visible,and Polarization Bands

The authors analyzed the retrieval sensitivity of tropospheric ozone using simulated the Global Ozone Monitoring Experiment-2 （GOME-2） measurements. The retrieval sensitivity was evaluated by the degree of free- dom for signal （DFS）. The combination of the ultraviolet （UV）, UV polarization （UVPOL）, and visible （VIS） bands enhances DFS of tropospheric ozone and improves the vertical resolution of the retrieved ozone profile. UVPOL reduces the dependence on solar zenith angle, mainly in- creases the sensitivity in upper troposphere. Polarization increased the DFS by 20% on the eastern side of the GOME-2 orbit, with little improvement on the western side because the increase in DFS due to polarization is depend- ent on the relative azimuth angle. The inclusion of the visi- ble band reduces significantly the dependence on viewing geometry, and mainly increases the DFS in the lower tro- posphere （0-6 kin） by a factor of two. It was possible to retrieve several independent pieces of tropospheric ozone information from GOME-2 UV/UVPOL/VIS measure- ments, especially in the lower troposphere.