A 35-GHz Polarimetric Doppler Radar and Its Application for Observing Clouds Associated with Typhoon Nuri

Millimeter-wavelength radar has proved to be an effective instrument for cloud observation and research. In this study, 8-mm-wavelength cloud radar (MMCR) with Doppler and polarization capabilities was used to investigate cloud dynamics in China for the first time. Its design, system specifications, calibration, and application in measuring clouds associated with typhoon are discussed in this article. The cloud radar measurements of radar reflectivity (Z), Doppler velocity (Vr), velocity spectrum width (Sw) and the depolar-ization ratio (LDR) at vertical incidence were used to analyze the microphysical and dynamic processes of the cloud system and precipitation associated with Typhoon Nuri, which occurred in southern China in August 2008. The results show the reflectivity observed using MMCR to be consistent with the echo height and the melting-layer location data obtained by the nearby China S-band new-generation weather radar (SA), but the Ka-band MMCR provided more detailed structural information about clouds and weak precipitation data than did the SA radar. The variation of radar reflectivity and LDR in vertical structure reveals the transformation of particle phase from ice to water. The vertical velocity and velocity spectrum width of MMCR observations indicate an updraft and strong turbulence in the stratiform cloud layer. MMCR provides a valuable new technology for meteorological research in China.     

华北冷涡连续降雹的特征与预报

应用常规资料、NCEP资料、卫星云图和多普勒雷达资料,分析了1975-2008年间19次华北冷涡造成的京津冀连续3天以上降雹天气过程,给出了华北冷涡连续降雹的分布特征、形成原因、云图特征、雷达回波特征、天气概念模型和预报着眼点。结果表明,造成华北冷涡连续降雹的天气形势主要有4种：深厚冷涡型、浅薄冷涡型、阶梯槽与冷涡型、...     

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。     

多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年6月广西地区的一次强降雨过程,进行了多普勒天气雷达的多普勒径向速度和反射率因子的三维变分同化对于暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明：(1）同化柳州、桂林和永州多普勒天气雷达观测资料后,模式对广西东北部地区特大暴雨的模拟效果明显改进;(2）WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒天气雷达径向速度和雷达反射率因子,同化后使得模式初始场包含有更详尽的中尺度特征信息;(3）在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,能较好的提高中尺度降雨预报。     

冷涡背景下飑线过程统计分析

文章首先给出冷涡的定义,根据其定义,利用2008-2013年4-9月的天气图识别出73个冷涡,然后根据飑线的标准筛选出符合条件的飑线过程。利用多普勒雷达资料和1°×1°6 h的NCEP FNL资料,对飑线的时空分布、移动特征、形成、消散方式以及飑线和冷涡的关系等方面进行详细分析。结果表明:(1)2008-2013年6年共识别出73个冷涡、17条飑线,飑线主要形成于我国江淮流域、华北地区和东北地区。(2)飑线的发生有明显的月变化和日变化,约58.8%的飑线发生在7月,52.9%的飑线发生在午后到傍晚。(3)飑线主要形成在冷涡的南部,在冷涡的不同时期飑线形成的位置有所不同。(4)飑线一部分受西风带系统影响自西向东偏南方向移动,另一部分由西北向东南方向移动,具体移动方向具有不一致性。冷涡背景下的飑线移速较快。(5)本文统计的冷涡背景下飑线过程大都伴随短时强降水,主要形成方式为嵌套区线型(EA型),主要消散方式为颠倒破碎面型(RBA型),EA型飑线多产生于高潮湿环境中。     

江苏盛夏两次局地特大暴雨过程对比分析

本文利用Micaps资料、江苏自动气象站数据、常州多普勒雷达观测和NCEP全球分析场,从降水实况、环流背景、雷达回波特征、动力和热力条件等方面,对2009年8月2日和2011年7月13日两次江苏盛夏局地特大暴雨过程进行了分析和比较。结果表明:大尺度鞍型场背景下副热带高压和大陆高压的同时增强使得降水系统更集中、对流发展更旺盛,降水中心在低空切变的南侧、地面辐合的北侧、水汽在大陆东部输送的顶点。而副热带高压相对较弱的情形下,有利于热带低值系统外围偏东风场的持续水汽输送,对流发展较弱,但持续时间更长;配合低层深厚的中尺度触发系统,使得局地降水强度更有爆发力,降水中心靠近水汽在大陆东部的输送起点。     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。     

双极化天气雷达的工作模式与极化隔离度

双极化天气雷达主要有两种工作模式,即同时发射同时接收模式和交替发射同时接收模式。比较了两种工作模式在谱参数估计精度、速度测量范围、地杂波抑制、信噪比等方面各自的优势和不足,并分析了天气雷达中的退极化现象及其对差分反射率产品的影响;以线性退极化比为例,讨论了极化参数的测量误差对双极化天气雷达系统极化隔离度的要求。理论分析和计算表明,精确的极化测量对双极化天气雷达的极化隔离度提出了非常严格的要求。     

Relationship between cloud characteristics and radar reflectivity based on aircraft and cloud radar co-observations

Cloud properties were investigated based on aircraft and cloud radar co-observation conducted at Yitong, Jilin, Northeast China. The aircraft provided in situ measurements of cloud droplet size distribution, while the millimeter-wavelength cloud radar vertically scanned the same cloud that the aircraft penetrated. The reflectivity factor calculated from aircraft measurements was compared in detail with simultaneous radar observations. The results showed that the two reflectivities were comparable in warm clouds, but in ice cloud there were more differences, which were probably associated with the occurrence of liquid water. The acceptable agreement between reflectivities obtained in water cloud confirmed that it is feasible to derive cloud properties by using aircraft data, and hence for cloud radar to remotely sense cloud properties. Based on the dataset collected in warm clouds, the threshold of reflectivity to diagnose drizzle and cloud particles was studied by analyses of the probability distribution function of reflectivity from cloud particles and drizzle drops. The relationship between reflectivity factor (Z) and cloud liquid water content (LWC) was also derived from data on both cloud particles and drizzle. In comparison with cloud droplets, the relationship for drizzle was blurred by many scatter points and thus was less evident. However, these scatters could be partly removed by filtering out the drop size distribution with a large ratio of reflectivity and large extinction coefficient but small effective radius. Empirical relationships of Z-LWC for both cloud particles and drizzle could then be derived.     

Observations of boundary-layer convection cells measured by dual-Doppler radar and echosonde,and by microbarograph array

Three-dimensional air motion, observed with radar in a convective planetary boundary layer under light wind conditions, is organized in cellular structures scaled from 2 to 5 km; simultaneous acoustic echosonde measurements indicate that near the ground there are smaller cells than those observable by the radar. At heights of 400 m, cell scales become as large as those observable by the radar. Pressure fluctuations at the ground measured with spatial pressure transducers, at the same time as the radar and echosonde observations, traveled at the same speed and direction as the radar volume-averaged wind. The length scale determined at the ground with pressure fluctuation data was between 1.2 and 2.4 km, smaller than the largest radar-measured motion scales.     

双偏振天气雷达同时收发模式的一种改进方法

目前,双偏振多普勒天气雷达的同时发射方式受到了普遍关注,作者针对该方式中偏振参量差分反射率存在较大误差的问题,研究了双发射通道相位差与差分反射率精度的关系,以及双通道发射功率差、接收机增益等对差分反射率的影响.在此基础上,给出了双偏振同时发射方式的一种改进方案,并讨论了该方案的优势和特点,设计了双偏振多普勒天气雷达同时发射方式下回波信号的处理框图.     

双线偏振天气雷达天线性能要求及其检测方法

双线偏振天气雷达天线性能的优劣将直接影响雷达探测能力和气象目标定量测量的精度。双线偏振雷达主要采用交替发射和双发双收两种模式,即水平和垂直线偏振波交替发射同时接收和同时发射同时接收两种形式。本文基于双线偏振天气雷达天线误差对气象目标探测精度影响的研究和分析,提出了双线偏振天气雷达天线性能要求及其检测方法,特别对如何在雷达工作现场利用太阳和专用信号源检测评估双线偏振天气雷达天线性能的方法进行了说明。     

河北承德一次飑线过程的多普勒雷达资料分析

利用河北省承德多普勒雷达的反射率因子、径向速度、垂直积分液态含水量(VIL)等产品,结合环流形势和自动站资料,对2008年6月25日发生在承德市境内的一次飑线天气过程进行了分析,初步探讨了飑线天气过程的多普勒雷达回波演变特征.分析结果表明:大风位于弓形飑线回波的凸起部位.负速度中心值逐渐增大到>27 m/s且逐渐靠近雷达,预示大风天气的出现.VIL值的剧减、跃增和持续高的ET与大风、冰雹等强对流天气有一定的对应关系.     

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。      

多普勒天气雷达地图系统的设计与实现

根据国家测绘局提供的地理数字线划图数据DLG及中国新一代天气雷达CINRAD所需地图投影变换后的数据格式，研究天气雷达地图信息处理技术，设计了相应的系统软件。该雷达地图生成系统能够根据国家测绘局提供的地图数据实时生成符合我国CINRAD要求格式的全国任何一个地点指定探测范围内的地图，并可在雷达数据终端和雷达产品进行叠加显示。     

强对流天气雷达回波强度相关性对比分析

为了提高山区复杂地形条件下局地强对流天气监测预警能力,有效减小天气雷达之间对降水目标物回波的测量误差,选取贵阳、毕节、遵义三部多普勒天气雷达同步观测体扫资料,以贵阳多普勒天气雷达站为基准,对比分析了强对流天气的雷达回波强度的变化特征。初步分析结果表明:贵阳与遵义、毕节雷达之间观测的回波强度具有一致性的波动特征,且存在较大的相关性;贵阳雷达观测的回波强度总体低于毕节、遵义雷达观测数据结果;两部雷达之间回波强度差异主要是由云和降水对雷达波的衰减所产生。     

CINRAD/SA雷达数字中频改造技术难题及解决方法

2008年以来,济南CINRAD/SA雷达由于模拟中频接收机系统性能参数退化导致雷达运行的可靠性和稳定性较差,且故障率较高。为了更好的保障雷达服务于气象,2009年7月济南完成数字化中频升级改造工程,改造后的数字中频雷达相位噪声非常稳定,速度信息量更加可信和精确。扼要介绍了数字中频接收机的工作原理,主要是对数字中频安装调试及改造过程中遇到的软、硬件问题的解决措施和改造后的技术参数测试进行技术性的总结,旨在对同行今后的工作具有参考借鉴价值。     

晴空回波在强对流天气临近预报中的应用

该文介绍了利用多普勒天气雷达资料判断环境风场辐合、辐散的两种方法:径向速度图像特征定性识别法和EVAD技术定量计算法,并结合2009年8月两次强对流天气过程详细介绍了两种方法的具体应用。统计分析了2005-2008年5-9月晴空回波特征以及不同高度散度和对流出现时间的关系,晴空回波出现在距离雷达中心50km范围之内,反射率因子多在10～20dBZ,径向速度大部分为-5～5m/s;强对流天气出现之前,对流层低层均会出现辐合,可以利用低层连续5个体扫出现辐合作为环境场具有辐合条件的指标。根据统计结果建立了强对流天气临近预警系统,该系统在2009年6-8月试运行,预警命中率为88.9%,虚警率为29.8%,临界成功指数为64.5%,辐合提前对流天气出现时间平均为7.1h,对降低强对流天气漏报率,提高强对流天气的临近预报水平有重要意义。     

多普勒雷达资料对暴雨定量预报的同化对比试验

基于NCEP/NCAR再分析资料和连云港雷达探测资料,利用WRF模式及其三维变分同化V2.1系统,对发生在2008年4月19日连云港地区一次区域性暴雨过程进行了三维变分同化数值模拟对比研究.结果表明,同化了雷达资料后,模式预报效果比单独使用NCEP做初始场效果明显改善,暴雨落区和量值更接近实况.同化了雷达资料后,模式预报的垂直运动区、最大上升区、水汽输送通道和高空涡度分布等更接近强降水区,结构也更精细,说明初始场增加雷达资料后,对初始风场的结构、强度和初始云水分布有实质性的改进,从而提高了对暴雨定量预报的效果.     

CINRAD/SA雷达天伺系统疑难故障原因剖析

2008年5月28日21:00至5月31日13:00济南CINRAD/SA雷达天伺系统出现一次综合性质的故障.故障涉及到天线伺服系统数字控制单元DCU(5A6)、光纤通信链路、数据采集单元DAU等几个环节.按常规思路检修故障不能修复.通过以数字控制单元状态显示和角码显示异常信息要点作为此次故障的突破口,重新查找故障原因并逐个击破修复,使雷达恢复正常运转.着重介绍此次疑难故障的原因分析和检修思路,旨在提高雷达技术保障能力.