多台国内外先进天气现象仪对比分析

业务降水现象仪作为一种降水滴谱测量设备,可以用于天气现象判断,其包含的降水滴谱信息更是反映了诸多降水微物理特征,而不同设备的观测特性和精度存在一定的差异,了解不同设备的差异,对其资料的后续应用有重要的意义。本文利用2018年湖北省咸宁市黑山观测站8次液态降水过程中地面降水观测、DSG5型业务降水现象仪与同址的Parsivel型降水滴谱仪测量的降水粒子谱信息及其反演的物理参量,共1 503对样本开展对比分析,研究结果表明：(1)相比于地面自动站降水数据,Parsivel与地面观测一致性较高,DSG5则有一定的偏小。(2)相对于DSG5,Parsivel观测的粒子数浓度N_w相对较多、质量加权平均直径D_m则相对较小。(3)对于分钟雨强RR≥20 mm·h^-1的降水,Parsivel粒子直径小于(大于)3 mm数浓度高于(低于) DSG5的观测。(4)对于直径大于4 mm的粒子,Parsivel的观测的下落速度略低于理论值,DSG5则明显大于理论值。另外,2次雨雪转换过程中降水现象观测对比研究表明DSG5对降水现象有着良好的观测,相比于Parsivel,其在降水相态转换过程中的天气现象与人工观测结果一致性更好。

     

基于北斗卫星的水汽探测性能分析

本文利用北斗试验网的数据,结合探空观测,对北斗系统与GPS系统,北斗、GPS与探空系统之间进行详细的比较分析,对北斗水汽探测性能及精度给出初步分析结果。北斗系统与GPS系统及探空系统大气可降水量的探测结果较一致,很好地反映了大气可降水量的变化情况;北斗系统解算出的大气可降水量大于GPS系统,两个系统间存在2~3.3 mm的系统误差,水汽含量较低时,一致性更好;北斗系统与探空的系统误差和标准偏差较大,定位定轨模型有待优化,系统稳定性有待提高。     

南京地区夏季雷暴的雷达雷电特征分析

通过对2009年发生在南京的6次雷暴过程的雷达回波强度、VWP产品、垂直速度等雷达产品和探空资料等常规气象产品以及闪电资料的对比分析,发现VWP产品对雷暴过程中大气的湿度条件有较好的指示作用,ND区的初始破坏时间往往早于雷暴中闪电的发生时间。闪电主要发生在雷达最大回波顶高度突破9 km之后,并且最大回波顶高度较闪电峰值有约12 min的提前量。雷达平均垂直速度图中出现强上升中心后的短时间内闪电将会突然增大。     

湖北省不同资料反演大气可降水量的误差分析

利用常规探空、秒级原始探空、GPS/MET、微波辐射计、GFS再分析资料以及区域中尺度WRF模式的预报场资料计算整层可降水量,对多种资料计算的整层可降水量进行误差特征和原因分析,结果表明:秒级探空和常规探空计算的整层可降水量基本一致。GPS/MET、微波辐射计、GFS以及WRF计算的整层可降水量与常规(秒级)探空的相关系数分别为0.94、0.92、0.93、0.80,有降水时GPS/MET和微波辐射计与常规探空的相关系数分别下降到0.85和0.81,但有降水时GPS/MET误差分布较集中,而有降水时微波辐射计误差显著增大,主要由于1~2 km处水汽密度误差异常增大。除微波辐射计和GFS宜昌站计算的整层可降水量为相对常规探空偏高,其他资料均为偏低,GPS/MET宜昌和恩施站平均偏低3 mm,GFS武汉和恩施站分别偏低1和7 mm,WRF恩施平均偏低2 mm,WRF武汉和宜昌平均偏低6~8 mm。GFS恩施站可降水量偏低是由于GFS资料中恩施地面气压比实际偏低,但其露点温度整层均比常规探空偏高。除GFS恩施站外,GFS武汉、GFS宜昌和WRF 3站的露点温度相对常规探空资料露点温度均表现为:850 hPa以下偏低,850 hPa以上偏高。WRF 12 h预报场的整层可降水量与常规探空整层可降水量的相关性和误差均优于24 h预报场。     

湖北地基GPS大气可降水量变化特征分析及应用

利用探空资料、地基GPS/MET水汽监测资料,对恩施、宜昌、武汉三站地基GPS反演大气可降水量(GPS Precipitable Water Vapor,GPS/PWV)与探空进行了对比,表明GPS/PWV与探空RS/PWV具有良好的一致性。湖北省17站3 a GPS/PWV资料分析表明,GPS/PWV具有明显的月变化及日变化特征,分布具有从南往北逐渐递减,从西至东逐渐增加的特点。强降水个例分析表明GPS/PWV峰值略早于降水以及雷达回波峰值出现时间,高时空分辨率的GPS/PWV配合雷达对天气形势的分析以及降水的判断有一定的指导作用。     

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明：对流有效位能Ecap比起K指数（IK）等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0 ℃层和-10 ℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。     

2020年6—7月长江中下游极端梅雨天气特征分析

雨滴谱是反映降水微物理特征的重要参数,研究雨滴谱垂直结构特征有助于认识降水演变过程和改善雷达定量降水估计。基于秭归、荆州和南京三站并址观测的微雨雷达和二维视频雨滴谱仪数据,探讨了2020年梅雨期不同地区、不同降水强度下的雨滴谱垂直结构特征。结果表明,雨滴下落过程中,小雨滴的数浓度和对降水强度的贡献在减少,中等雨滴和大雨滴的数浓度和对降水强度的贡献在增加,最后导致对地面降水强度有最显著贡献的是中等雨滴。不同降水强度的雨滴谱垂直结构存在明显差异,弱降水时,雨滴谱较窄,雨滴蒸发和碰并作用相均衡,雨滴谱参数变化小;强降水时,雨滴谱明显拓宽增高,雨滴间存在明显的碰并过程,中滴和大滴数浓度随高度降低而增大,雨滴谱参数出现明显变化。统计分析显示,雨滴谱有明显的区域性差异,秭归数浓度最高但雨滴直径最小,荆州数浓度中等且雨滴直径中等,南京数浓度最低但雨滴直径最大。不同地区的μ-Λ关系具有差异,采用不同地区构建的Z-R关系估算的降水强度与观测值比较一致。

     

武汉一次下击暴流天气的成因分析

对流性大风是强风暴最常产生的天气现象,致灾严重,预报难度大。2021年5月10日和14日,湖北武汉先后发生了雷暴大风和龙卷天气过程(以下简称“5.10”大风和“5.14”龙卷)。本文利用常规探空和武汉多普勒天气雷达资料,对这2次过程的环境条件、多普勒雷达回波特征和雷达衍生参量进行了对比分析,结果表明：(1) 两次过程都发生在具有高不稳定能量、强垂直风切变和低抬升凝结高度的环境中,地面都有多支气流形成的辐合区,但下沉对流有效位能、能量螺旋度、强天气指数等强对流物理参量值有显著差异;(2) 两次对流性大风的产生机制和雷达回波特征不同,“5.10”大风主要由中层干冷空气和降水粒子相变发动强下沉气流产生雷暴大风,并在地面形成冷性雷暴高压。由多个对流单体合并的对流带产生的强下沉气流在径向速度场上表现为低层大风核,而对流带前侧相对孤立的单体产生的强下沉气流表现为低层径向辐散特征;“5.14”龙卷由超级单体产生,具有钩状回波、强中气旋和龙卷涡旋特征等特征;(3) 两次过程发生前垂直风速差和风暴相对螺旋度的变化差异显著,表明了两次过程环境气流的变化不同,这样的变化是否适用两种天气的识别还需要对大量个例进行统计分析。

     

多源探测资料在一次非线状MCS分析中的综合应用

用多种加密观测资料和NCEP日再分析资料分析了2010年7月14日强降水期间咸宁地区一次非线状MCS活动造成短时强降水的发生发展机制.结果表明,14日13-18时非线状MCS回波结构组织性差,强对流单体散乱地分布在大片层状回波中,准静止地维持在湖北咸宁地区大约5h,造成了短时强降水.该MCS发生在梅雨锋锋面附近的地面涡旋环流中,高空冷空气侵入和锋前抬升运动是对流的主要触发机制,切变线南侧不稳定的暖湿气流在长江中游地区辐合集中、局地的地面气流辐合和边界层有利的风切变是该非线状MCS发展维持在成宁地区的有利条件.高时空分辨率探测资料对MCS演变过程有较好的分析能力.     

上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场

全球导航卫星系统（GNSS）水汽层析反演技术是目前获取对流层水汽三维分布的重要方法。考虑到代数重构算法在迭代反演中具有节省计算机内存且计算稳定度高的优点,对代数重构算法在GNSS水汽层析中的应用进行了研究。研究结果表明,受水汽在对流层中的分布情况的影响,传统的加法代数重构算法在实际的层析解算中,会出现较大的重构误差,而乘法代数重构算法和调整了松弛参数向量的加法代数重构算法则大大提高了层析解算的精度;代数重构算法较附加约束条件的层析解算方法更易受到观测值误差的影响,但采用乘法代数重构算法可以获得优于加法代数重构算法的结果。