C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。     

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。     

西安地区积层混合云的Z-R关系研究

根据2013—2014年5—10月西安地区观测得到的雨滴谱数据,结合C波段新一代多普勒天气雷达的观测资料,对西安地区43次积层混合云降水的平均雨滴谱分布、微物理特征量及雷达反射率因子Z和雨强R的关系进行统计分析。结果表明:积层混合云降水的平均雨滴谱呈单峰型,Gamma分布对降水大粒子的拟合明显优于M-P分布;积层混合云中雨滴数浓度最大值及对雨强贡献最大值均出现在雨滴直径小于1 mm的范围内;利用最小二乘法建立了西安地区积层混合云的Z-R关系Z=168R1.43;当雨滴谱数据计算的回波强度小于(大于)30 dBz,雷达对回波强度有明显高估(低估)现象,针对此现象提出了积层混合云雷达回波的5档修正方案;利用Z=168R1.43估算西安积层混合云降水个例的降雨量更接近实测降雨量,估算降雨量的相对误差从51.3%减小到25.4%。     

山东不同云系降水微物理参数特征

研究不同云系降水的微物理参数特征,对研究降水机制、人工影响天气、雷达定量测量降水、数值预报模式中微物理参数化方案的选择等都有一定意义。本文针对2015年济南地区的液态降水过程,基于微降水雷达(Micro Rain Radar,简称MRR)资料,研究不同云系降水的微物理参数。在400 m高度上,层状云降水0.02~0.2 mm h-1雨强样本数很大,但对累计降水量的贡献很小。混合云和对流云降水在大粒子端数浓度较高。在垂直方向上,层状云降水中的粒子的尺度较集中,中值体积直径D0平均在1 mm左右,随高度的变化不大。对流云降水在雨强大于20 mm h-1时,强垂直气流(包括上升气流和下沉气流)对粒子直径的影响较大,进而影响空中微降水雷达反演降水参数的数据质量。而垂直气流的影响对层状云降水影响较小,在层状云降水时,微降水雷达可以用来分析零度层亮带以下雨滴谱在垂直方向上的演变。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

基于星载云雷达资料的东亚大陆云垂直结构特征分析

利用近5年(2006年6月—2011年4月)的Cloudsat卫星资料分析了东亚大陆云垂直结构特征。结果表明:(1)降水(文中可降水是根据观测到的可降水粒子信息计算到达地面的降水,并不是指地面观测到的实际降水)云和非降水云的雷达反射率(回波)垂直分布存在一定差异,除降水云反射率通常接地外,降水云主要集中在8 km以下,反射率通常为-20—15dBz,非降水云主要集中在4—12 km,反射率为-28—0 dBz;降水云雷达反射率频数大值中心在2 4 km,对应的雷达反射率为0—10 dBz,而非降水云出现在8—10 km,且对应的雷达反射率为-26—-24 dBz;(2)从雷达反射率廓线来看,降水云中雷达反射率随高度的变化先增强后减弱,而非降水云几乎不变;(3)液态降水云、固态降水云和毛毛雨降水云反射率的垂直分布明显不同;(4)液态降水云自11至7 km雷达反射率迅速增强,表明此高度是粒子快速增长的优势空间;(5)固态降水云中-15℃温度频数分布与雷达反射率频数大值中心有很好的对应关系,表明在-15℃附近的条件下冰相粒子凝华-碰冻是粒子增长的优势过程;(6)云的垂直结构随着季节变更而变化,降水云春季、夏季和秋季的雷达反射率垂直分布变化不明显,而冬季主要在低层;固态降水云的垂直分布频数大值中心从春季至冬季呈"双-单"中心交替变化,且与云中-15℃频数分布变化一致;非降水云雷达反射率垂直分布没有明显的季节变化;(7)深对流云和雨层云是形成降水粒子的主要云型。     

雨滴谱的变化对降水估测的影响研究

选取2013年5月20日发生在广东三水的一次飑线过程作为研究对象,首先结合飑线回波带移经三水及其上空雷达回波的时间-高度分布特征将降水过程划分为3个阶段,然后通过计算各时刻的粒子总数密度、中值体积直径和峰值数分析降水过程雨滴谱的变化,再对Z-R关系(Z=aR~b)进行分析,根据雨滴谱实测资料分别统计整体Z—R关系和3个降水阶段的Z—R关系,在此基础上讨论雨滴谱的变化和雷达观测的回波强度对降水估计的影响。结果表明:中值体积直径在对流云降水阶段和层状云降水阶段基本一致,但对流云降水阶段的粒子总数密度远大于层状云降水阶段;对流云降水阶段以双峰型为主,当降水向层状云类型发展时,多峰谱比例增加;雷达观测的回波强度常低于雨滴谱计算的反射率因子,离地面越近两者的相关性越好;根据3个降水阶段分别进行Z—R关系拟合,即分型Z-R关系,通过相对误差分析可知,利用分型Z—R关系反演雨强的效果明显优于整体Z-R关系反演效果,雨滴谱在层化降水阶段估计的相对误差最小、对流云降水阶段反演精度稍低于层状云降水阶段,这与对流云降水中雨强和雨滴谱谱型变化大且快有关;在雷达观测方面,利用分型Z-R关系反演雨强的相对误差较小而雷达观测的误差在对流云降水阶段较小,当降水向层状云降水转化时,雷达观测引起的相对误差增大,这主要是由于对流云降水阶段中雨滴谱仪和雷达对应的回波强度误差最小,也与雷达观测精度、两种仪器采样的时空差异和雨滴谱特征变化等因素有关。     

拉萨夏季一次典型降水过程雨滴谱特征及Z-I关系分析

研究降水滴谱特征和谱分布对了解高原降水的微物理特征、雷达定量估测降水以及科学实施人工增雨作业尤为重要。本文选取2018年7月8—9日拉萨夏季一次典型降水过程，利用DSG5型降水现象仪和地面小时降水资料分析了高原夏季对流云和混合云降水的雨滴谱分布特征及〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系。结果表明：降水现象仪和翻斗雨量计的降水变化趋势较为一致。对流云降水中2.0~3.0 mm的降水粒子对雨强的贡献最大，混合云降水雨强的主要贡献者是1.0~2.0 mm的粒子；混合云降水阶段的雨滴谱数浓度比对流云大一个量级。对流云和混合云降水的雨强与雨滴的质量加权平均直径和数浓度密切相关。拉萨地区雨滴谱适合〖WTBX〗Γ〖WTBZ〗分布，其拟合谱参数与青藏高原其他地区的差异表明高原地区雨滴谱分布存在时空差异；混合云降水谱参数〖WTBX〗N0、μ〖WTBZ〗和〖WTBX〗λ〖WTBZ〗与雨强的变化趋势相反。混合云降水〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系的系数和指数均小于对流云降水。应用标准〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系，对流云降水阶段雷达低估降水强度；混合云降水阶段，当雨强<2.3 mm雷达低估降水，否则雷达高估降水。     

一次对流云团过程结构特征的观测和模拟研究

为了解2015年8月22日发生在北京东部的一次对流云团的生消演变过程及微物理特征,使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度云分辨模式对此次过程进行数值模拟。由于研究的对流云团尺度较小,对时空分辨率要求较高,把LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析和预报系统同化多源观测资料后输出的高分辨率的中尺度分析场作为模式的初始场。将模拟结果与FY-2F卫星、北京SA波段多普勒天气雷达、地面雨量站等观测资料进行对比分析。同时,研究了对流云团中的微物理含量分布,深入分析此次过程的降水机制。结果表明:模式能够较好地模拟出对流云团在生成、发展、成熟和消散的四个不同阶段的演变规律,整个对流云系的发展持续4 h左右,对北京有直接影响的对流单体的生命时长在1 h左右;模拟的自然云云带分布和演变规律、小尺度云团的尺度、位置、形状和垂直结构都与观测资料有较好的一致性;模式也能模拟出降水落区和量级及强中心的位置。此次对流云过程主要为冷暖混合云系结构,云中过冷水丰沛,降水机制以冷云降水为主,暖区供水云对降水的发展有促进作用,霰融化为雨滴是主要的成雨过程。     

2014年7月14日高原低涡降水过程观测分析

利用第三次青藏高原大气科学试验的多种雷达、雨滴谱仪以及MODIS卫星观测资料、常规气象站地面和高空观测资料,针对2014年7月14日发生在青藏高原中部那曲地区的一次降水过程,研究了降水的时空变化特征,触发不同阶段降水的天气尺度和中尺度环流系统以及相关的云降水物理特征。从降水演变特征看,这次降水过程包括3个阶段,即发生在下午的强降水阶段和夜间的两个弱降水阶段。从影响系统看,下午的降水主要由天气尺度的高原低涡发展引起,此时那曲位于低涡中心前部的中尺度辐合线上;发生在晚上的降水主要与高原低涡前部的暖湿东南气流爬越地形有关,东南气流为产生降水提供了有利的水汽、大气不稳定和浅薄的动力抬升条件。从云降水微物理特征看,高原低涡降水初期,低涡前部的上升运动深厚,对流发展明显,而后期的对流性减弱。东南气流爬坡引起的地形降水表现出层状云降水的特征,高原低涡降水的雨滴谱分布较宽（0.3~4.9 mm）,而夜间降水过程的雨滴谱分布较窄（0.3~2.1 mm）。     

Cloud and Radiation Processes Simulated by a Coupled Atmosphere-Ocean Model

Using NCC/IAP T63 coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM),two 20-yr integra- tions were processed,and their ability to simulate cloud and radiation was analysed in detail.The results show that the model can simulate the basic distribution of cloud cover,and however,obvious differences still exist compared with ISCCP satellite data and ERA reanalysis data.The simulated cloud cover is less in general,especially the abnormal low values in some regions of ocean.By improving the cloud cover scheme, simulated cloud cover in the eastern Pacific and Atlantic,summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is considerably improved.But in the tropical Indian Ocean and West Pacific the cloud cover difference is still evident,mainly due to the deficiency of high cloud simulation in these regions resulting from deep cumulus convection.In terms of the analysis on radiation and cloud radiative forcing,we find that simulation on long wave radiation is better than short wave radiation.The simulation error of short wave radiation is caused mostly by the simulation difference in short wave radiative forcing,sea ice,and snow cover,and also by not involving aerosol's effect.The simulation error of long wave radiation is mainly resulting from deficiency in simulating cloud cover and underlying surface temperature.Corresponding to improvement of cloud cover,the simulated radiation (especially short wave radiation) in eastern oceans, summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is remarkably improved.This also brings obvious improvement to net radiation in these regions.     

物理-统计反演和云-晴空辐射特征差异检测结合的全天空高云判别能力改进算法与初步试验

在全天空红外-可见光云像观测反演方法基础上,针对已往阈值法判断高云的局限性,提出改进的算法。对可见光图像可利用以太阳-天顶为连线的主平面两边相元特性的对称性来判断云的存在,对红外成像仪可利用同一仰角扫描时所得不同方位角亮温分布的非均匀性来判断云的存在。以北京2011年1 3月观测资料为基础,选择原阈值法未能判别出来的案例进行再处理,全天空可见光成像观测仪高云判别能力最高可达73.9%,全天空扫描式红外成像仪可达70.1%。该工作为天空的高云识别提供新的复合算法。     

降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究

2004年7月4～6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型（把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层）分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。     

河南省层波状云系飞机人工增雨作业条件短期预测方法

对河南省春秋季降水以及云状特征的分析表明,河南省春秋季降水大多为层状云或波状云产生的稳定性降水,因而可采用对河南省分区分级进行降水预测的方法来确定适合飞机人工增雨的天气过程以及短期增雨区域。利用T213数值预报产品,运用逐步回归建立分区分级预报方程,并针对个别准确率较低的区域进行后处理。结果表明,用此方法对人工增雨作业进行指导是可行的。     

人工影响天气作业装备研发和应用进展

人工影响天气科学活动持续了将近70 a,其作业装备和技术方法均得到了很大的发展,已经形成空中和地面一体化作业体系。以美国、加拿大、澳大利亚、以色列、南非、泰国等为代表的国家主要使用飞机和地面发生器开展人工影响天气作业。以俄罗斯、中国、保加利亚等为代表的国家在使用飞机和地面发生器的同时,也使用火箭(或高炮)开展人工影响天气作业。随着高性能飞机的投入使用,播撒技术和催化剂配方的不断研发改进,人工影响天气作业装备整体水平有了明显的发展和提高。文章分别介绍了国内外人工影响天气飞机及机载作业装备、火箭和高炮、地面发生器、常用催化剂的研发和应用情况及未来发展趋势。     

宁夏三类降水云的时空分布及环流特征分析

利用宁夏24个测站1971—2000年常规地面观测中云状、总云量、低云量、天气现象、降水量等资料,对宁夏30年中层状云、对流云及混合云降水的时空变化特征进行了分析。同时,利用NCEP/NCAR(1971—2000年)全球再分析资料,对宁夏三类降水云的环流特征进行了诊断分析。结果表明:30年中层状云降水次数明显多于对流云和混合云降水次数,是宁夏降水的主要类型,而混合云降水是宁夏大雨以上降水的主要类型;宁夏南部地区以层状云降水为主,北部地区对流云和混合云降水次数相对较多;三类降水云的月、年际和年代际变化特征及所对应的环流背景和影响系统具有明显的差异。     

影响云和降水的动力、热力与微物理因素的研究概述

由于云和降水的发生、发展是大气动力、热力过程与云中微物理过程相结合的产物，因而受到这些过程的共同制约和影响。为了更加详细地了解影响云和降水的动力、热力与微物理因素，分别从3个方面概要性地进行了阐述。（1）动力作用对云和降水发展的影响：主要讨论了风切变、天气系统抬升、地形动力作用和湍流的作用等因素的作用。（2）影响云和降水发展的热力因素：分别对热力扰动、潜热的作用、辐射作用等做了分析。（3）微物理过程对云和降水发展的影响：主要从微物理过程对动力热力过程的影响、带电过程对云降水粒子的影响、以及微物理过程对云降水影响的相对重要性等方面进行讨论。并在最后扼要地指出了在研究云和降水问题时，将动力、热力过程和微物理过程结合起来研究的必要性。     

雷暴云团自动识别和边界相关追踪技术研究

基于高时空分辨率雷达资料的雷暴云团识别、追踪及预警技术是目前最重要的临近预报预警技术之一.该文描述的雷暴云团边界相关追踪技术是一种新研究的方法,该方法是利用模式识别技术进行云团边界识别、拓扑处理,建立云团生命时序与族谱关系,并在此基础上进行雷暴云团外推的一种短时临近预报方法.该方法有三个主要技术环节:(1)对已预处理的雷达数据进行边界识别;(2)利用四分树匹配分析因子、重叠因子、面积因子、外接矩形因子、轮廓综合因子、局部相似判定因子等六个判断因子,分别识别出每个云团的时间序列,以及每个云团的运动方向、速度、面积、强中心,以及所处的状态(增强或减弱、膨胀或缩小)等信息;(3)对云团的移动方向、速度、面积、强度进行线性外推.初步结果显示该方法可较好地识别和外推预报雷暴云团.在此基础上建立的雷暴自动识别和追踪系统(简称"追踪者",TRACER),可以基于地图系统选取指定云团,获得云团空间位置信息、发展轨迹、演变特征和未来预测,也可对云团预报结果进行定量分析和验证.     

定西防雹增雨试验区对流云活动特征分析

用雷达气候学方法，对定西防雹增雨试验区５—９月对流云的地域、日际、强度和传播等特征进行统计分析，得出一些有意义的结论。