地基微波辐射计对乌鲁木齐暴雨天气过程的观测分析

MP-3000A是一种新型大气探测仪器,可以连续得到从地面到10km高度上高分辨率的温度、相对湿度、水汽廓线以及液态水廓线。通过选取2011年5月1日的微波辐射计观测数据,分析在降水发生前后的水汽密度和液态水含量的变化,发现大气降水与水汽密度和液态水含量有很紧密的联系。大气中的可降水量一般会维持在25mm,当大气中的可降水量值超过50mm,液态水含量值开始增加的时候,发生降水的可能性增大;降水过后,液态水含量若是没有回落到0.0mm以内,在未来的2～3h内还是会发生降水,因此研究微波辐射计探测的大气水汽密度和液态水含量,将有助于提高短时、临近预报的准确度。     

沈阳城区一次暴雨过程的水汽条件分析

利用Micaps实况资料、东北区域中尺度数值模式分析场资料和常规观测资料,对2013年8月16日沈阳城区暴雨的水汽条件进行了分析。结果表明：850 hPa以下城区上空水汽含量占整层的80％以上,地面比湿呈现快速增加后减少的变化,比湿峰值对应的并不是强降水的最强时刻。强降水发生前,城区地面周围的湿度分布不均匀,水汽输送主要以南北向为主。比湿的迅速增加主要是由于降水前风向和风速的快速变化,其中主要是南风分量的贡献。城区上空垂直方向上水汽主要是850 hPa向上输送,850 hPa以下输送强度逐渐减弱。伴随着强降水的开始,水汽的垂直输送转为高度层越低,输送强度越大。强降水发生时,地面U、V方向上水汽通量快速减小。强降水发生后,地面和高空水汽输送均发生了变化。大气可降水量与降水量之间具有一定的对应关系,可降水量的大小主要是取决于水平水汽通量辐合的大小,水汽局地变化对可降水量的贡献较小。水汽通量的辐合、辐散的大小主要取决于水平风场引起的辐合、辐散的大小。     

微波辐射计观测数据在降水预报中的应用

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2007~2010年夏季地基12通道微波辐射计观测数据,对半干旱区降水前和非降水过程的水汽含量和云液态水含量的变化特征进行分析。结果表明:(1)水汽含量达到2.20 cm可以作为半干旱区降水预报的阈值。水汽含量随时间变化比较平缓,变率约为0.06 cm/h,且降水前24 h内水汽含量均2.20 cm;或者水汽含量开始较小,但降水前水汽含量随时间出现拐点,之后变率开始增加,可达0.19 cm/h以上,进而使水汽含量2.20 cm。这2种情况均可预报可能有降水产生;(2)云液态水含量达到0.20 mm可以作为降水预报的阈值,且降水前云液态水含量随时间变化出现拐点,之后变率开始增加,可以预报1 h后可能有降水。     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用武汉MP-3000A型地基微波辐射计,采集降水前大气水汽含量和云液态水含量数据,结合历史观测的气象资料,详细分析了降水前一小时大气水汽含量、云液态水含量的分布和演变与降水的关系,结果表明：1）大雨开始前一刻对应的V（大气水汽含量）值≥6.5 cm,中雨对应的V值接近6 cm,小雨对应的V值在5～6 cm之间;2）V...     

暴雨前后山地与平原的大气垂直结构特征对比分析

利用神农架机场站2016年6月23日11时—24日08时(北京时,下同)和咸宁站2016年7月3日04时—4日01时两次暴雨过程的地面小时降水数据及同址微波辐射计观测数据反演的地面至10 km高度共58层的水汽密度、液态水含量、相对湿度和温度廓线,以及站点水汽总量、液态水总量、云底高度等资料,得到两次暴雨过程中,位于山地的神农架与位于平原的咸宁的暴雨前后大气垂直结构差异。神农架水汽总量、液态水总量均低于咸宁,测站上空各高度的水汽密度、液态水含量、温度也低于咸宁对应高度的数值,混合层的相对湿度略大于咸宁。多要素综合分析认为:(1)神农架处于山地,外来水汽供应不够充分,降水的形成主要依靠本地水汽凝结产生;由于山地海拔较高,神农架大气层结温度相对较低,冰晶效应的温湿条件较咸宁好,冰晶效应使得神农架在水汽供应不够充足的情况下产生暴雨。(2)咸宁水汽供应充足,水汽凝结之后可以得到及时补充;咸宁尽管混合层的湿度条件不如神农架,冰晶的凝结增长相对较弱,但混合层的凇附过程和融化层的云雨滴碰并都在降水过程中起到重要作用。(3)降水开始前神农架的大气抬升作用比咸宁的强,地形对气流的阻挡抬升作用明显,而降水开始后咸宁的大气抬升作用更显著,表现出明显的对流性特征。     

“16·7”石家庄特大暴雨多源观测信息特征分析

利用风廓线雷达、地基GPS水汽、微波辐射计、多普勒天气雷达、卫星云图、闪电定位仪、地面加密自动站等多源观测资料，对“16〖DK〗·7”石家庄特大暴雨的演变特征进行分析，结果表明：①GPS水汽总量和微波辐射计水汽总量的高值阶段对应强降水阶段，水汽总量与降水强度成正相关。降水开始前水汽总量明显上升，突升到高值时间比降水开始时间提前5 h，水汽总量突增对降水开始时间有提示作用。②低层偏东风的厚度和强度与强降水呈正相关，低层风向转西北风预示强降水结束。低空急流出现时间比降水开始时间提前5 h，低空急流消散时间比降水结束时间偏早3 h，超过20 m〖DK〗·s-1的东风急流对强降水有一定指示作用。强降雨对应低空急流最低高度的下降和低层最大风速的增加，也就是对应低空急流指数和0～3 km垂直风切变的峰值区。③此过程以稳定性降水为主，仅在19日伴有弱闪电和雷暴出现。雷达回波和卫星云图表现为大范围层状云和积状云混合降水回波，回波质心低，列车效应明显，属于热带降水类型。〖JP2〗云顶亮温最低值-55 ℃，雷达反射率因子、垂直累积液态水含量和回波顶高最大值分别为55 dBz、15 kg〖DK〗·m-2和11 km，与降水量有明显相关；低层径向速度场对应明显的速度大值区或速度模糊。〖JP〗     

基于地基微波辐射计的大气液态水及水汽特征分析

大气液态水及水汽的探测对研究灾害性天气具有重要作用,地基微波辐射计可同时获取高时空分辨力的液态水及水汽资料。利用湖北省内三个测站的微波辐射计资料,分析了三站液态水及水汽的时空分布及变化特征。对比武汉站微波辐射计与探空得到的大气可降水量(PWV,precipitable water vapor)发现,两者偏差较小且相关性较好。水汽密度(VD,vapor density)整体随高度递减,2 km以下部分高度的VD在降水时要小于阴天时。液态水含量(LWC,liquid water content)随高度先增后减,降水时其峰值高度明显高于阴天时。降水时,PWV的日变化呈现"一谷一峰"的特征,液态水总量(ILW,integrated liquid water)在白天先增后减,在午后出现峰值,在夜间变化波动较大。受地形影响,荆州液态水总量明显低于武汉、咸宁,咸宁ILW在秋冬季明显高于荆州、武汉。降水发生时,水汽主要在2 km以下积聚,之后被抬升至4 km左右高度凝结并降落。     

地基微波辐射资料在短时暴雨潜势预报中的应用

利用湖北咸宁站2008年6月1日—2012年8月1日地基微波辐射计观测数据反演的相对湿度、大气液态水含量、大气水汽总量、大气层结曲线,对比分析了短时暴雨与一般降水过程发生前微波辐射计观测资料反映的特征,研究微波辐射计观测资料在短时暴雨潜势预报中的应用。结果表明:当大气液态水含量从1 mm左右急增至约20 mm、大气水汽总量从60~70 mm急增到90 mm以上之后,如果0~6 km整层相对湿度均接近饱和或达到饱和状态,且在800~950 hPa附近存在逆温层,最大K指数超过35℃,最大TT指数 (Thei-Tornqvist指数) 达到或超过40℃,那么未来3 h或6 h内发生短时暴雨的几率大。     

地基GPS遥感观测北京地区水汽变化特征

利用2004—2007年SA34（北京大学）站的GPS观测数据,运用GAMIT软件解算反演了间隔30min的连续变化大气水汽总量（PW）。与北京南郊观测场得到的探空结果作比较,均方根误差（RMSE）在2~3mm之间。通过对大气水汽作月平均,得到每月的大气水汽总量口变化曲线,并初步分析了夏季水汽日变化与地面比湿、降水、地面气温以及地面风矢量的关系。结果表明:北京地区夏季7月大气水汽总量最小值出现在08:00（北京时）左右,8月大气水汽总量最小值出现在08:00到12:00左右（各年表现出一定的差异）,夏季大气水汽总量的最大值出现在01:00到03:00;7月和8月的日变化在夜间变化趋势有所不同;大气水汽总量最大值出现时刻与地面小时降水有一定相关性,且大气水汽总量的日变化明显受风矢量日变化的影响。通过对大气水汽总量的时间序列进行小波分析,得到1年大部分时间里,水汽变化存在大约12d的周期。采用前期的大气水汽总量平均值和短时大气水汽总量增量两个条件进行降水的判断,认为夏季降水的出现时刻与差值的高值区有比较好的对应。     

基于地基微波辐射计反演四川盆地水汽及云液态水的初步分析

利用2016年12月1日～2017年11月30日,地基微波辐射计、L波段探空资料和地面常规气象资料,对四川盆地的水汽和云液态水进行了初步分析。结果表明:(1)探空与微波辐射计反演的水汽含量差值为0.558cm,相关系数为0.787,且通过了α=0.01显著性检验,微波辐射计反演的水汽含量是可信的。(2)基于地基微波辐射计分析四川盆地水汽和云液态水含量的变化特征,可以得出,夏季水汽含量最多,秋季云液态水含量最多;最大值出现在夜晚,最小值出现在白天,夜晚值大于白天。水汽含量和云液态水含量最大值和最小值时间间隔秋季最长(均为16小时),冬季最短(分别为9小时、10小时);水汽含量日较差在秋季最大(1.096cm),冬季最小(0.489cm),云液态水含量日较差在夏季最大(0.908mm),冬季最小(0.311mm)。水汽含量与降水、温度的月变化特征为显著性正相关,相关系数分别为0.842和0.915;与温度日变化特征在春、秋季的11:00～次日01:00为显著性正相关,白天相关性大于夜晚,在夏季01:00～13:00为显著性负相关,日出前相关性最高。(3)水汽和云液态水含量在降水过程开始前1～2h有明显的波动上升,降水结束后,水汽和云液态水含量迅速减少,水汽和云液态水的变化特征对降水天气的预报具有指示意义。      

对流性强降水的数值模拟研究

利用中科院大气所改进的三维强降水对流云数值模式，在证明该模式可较好地模拟对流性强降水的基础上，对1998年7月21日晨发生在武汉的梅雨锋强降水个例进行模拟，深入分析云体结构、降水量等特征，研究暴雨形成的云物理机制。作为对比，另外选取了陕西旬邑的一个强降水个例进行模拟。模拟结果表明，武汉个例云发展较稳定，雨水的形成主要是暖雨过程，冷雨过程对雨水的增加有促进作用，地面无固态降水，雨滴直径、大雨滴浓度相对较大。虽然云中最大上升气流速度、各种降水粒子最大含水量以及瞬时最大雨强等都不如旬邑的强对流云个例强，但累积降水量却比旬邑的大。通过人为改变低层大气湿度的模拟结果发现，这次强降水的长时间维持与低层充沛的水汽供应密切相关。     

我国中东部不同级别短时强降水天气的环境物理量分布特征

基于我国中东部2002—2009年5—9月逐小时降水观测资料和一天四次的NCEP最终分析资料,通过时空匹配处理,得到强度为20~49.9 mm·h-1(A类)、50~79.9 mm·h-1(B类)和不小于80 mm·h-1(C类)的短时强降水天气样本序列,逐类统计分析用于表征其发生发展环境条件的水汽、热力、抬升触发和垂直风切变等物理量的分布特征。结果表明:表征水汽条件的大气可降水量(TPW)对三类短时强降水有一定的指示意义,A、B、C类短时强降水必要的TPW值分别为27、32、42 mm,短时强降水量越大,其所需水汽含量越高。约50%的三类短时强降水均出现在TPW大于60 mm的湿环境中。表征热力、能量、动力和垂直风切变条件的物理量对三类短时强降水的环境条件区分并不显著,环境大气中水汽多少可能是决定短时强降水级别的必要因素。B类和C类短时强降水的高概率密度区域范围大致为TPW在55~70 mm之间、0—6 km垂直风切变在5~15 m·s-1之间,而C类短时强降水在TPW与最佳对流有效位能(BCAPE)以及0—6 km垂直风切变与BCAPE的概率密度分布图中均有两个显著高概率密度区,可能与CAPE影响高级别短时强降水产生的两种机制有关。     

辽宁省汛期GPS大气可降水量的特征分析

基于2013、2014年7~8月沈阳和丹东地基GPS水汽监测系统探测的大气可降水量(PWV)资料,对辽宁地区汛期大气可降水量特征进行了分析,利用HYSPLIT后向轨迹模式模拟了沈阳和丹东地区气团轨迹,并通过聚类分析方法将气团进行了分型。结果表明:沈阳和丹东GPS探测的PWV和根据探空数据计算的PWV相关系数均达到0.9,均方根误差分别为4.73 mm和5.21 mm;沈阳和丹东汛期非降水日PWV平均值分别为28.58 mm和30.49 mm,低于华北和西南地区观测值;强降水过程前均存在PWV增加现象,PWV最大增量集中在2~8 mm之间,且一般集中出现在强降水发生前1~3 h内;不同类型强降水过程中PWV特征不同,南方气旋和东北冷涡共同影响的降水个例中PWV最大,局地强对流过程PWV最小;沈阳和丹东站点不同气团中PWV有所不同,西南气团PWV均为最大,更有利于强降水天气的发生。     

微波辐射计反演大气廓线精度及降水预报应用

利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据,分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度,探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99,水汽密度相关系数均为0.97,相对湿度相关系数均低于0.50,均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小,但云天相对湿度均方根误差超过25%,较晴天的19.54%明显偏大,且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下,3类云的温度差异较小,低云相对湿度均方根误差和偏差最大,分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长,这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm,液态水路径达到0.2 mm,可作为判断降水发生的参考阈值。     

一次层状云降雨过程多源遥感特征参量演变分析

利用河北省邢台市皇寺国家观测站布设的Ka波段云雷达、微波辐射计和微雨雷达以及地面雨量计等观测资料,对2017年5月3日一次西南涡天气过程的降水云系进行了综合分析,结果表明:本次降水过程为稳定性层状云过程,云内粒子下落速度由高空向地面逐渐增大,第一轮降水出现在云的发展阶段,第二轮降水出现在云的成熟阶段,每次降水开始前云内的相对湿度、水汽含量、液态水含量和温度曲线同时出现跃增和峰值,各指标在降水结束后出现较明显下降,之后得到恢复,出现第二三次峰值并产生降水;利用微波辐射计资料在时间和空间上连续反演计算云中水汽压和冰面饱和水汽压差值场("e—E_i"差值场),当云中过冷水和过冷水汽大值区与"e—E_i"差值场的正值区重合时,冷云中贝吉龙过程较强,有利于精细化定量判断强降水出现和人工增雨潜力区位置,综合以上遥感探测资料分析结果,可以认为本次天气过程有利的人工增雨作业时机出现两次,第一次在13:45降水刚刚开始至云顶下降到6 km前;第二次时间较长,云层条件更为有利,即17:40—21:15云顶高度维持在8~10 km的时段;作业适宜高度为4~8 km(-20~0℃)。     

利用北京GPS监测网分析夏季暴雨的水汽特征

利用覆盖北京地区的地基GPS水汽监测网数据反演的地基GPS大气柱水汽含量 (precipitable water vapor, PWV),分析了2009年7月3次暴雨天气过程中大气柱水汽含量的水平分布特征;利用高空、地面常规气象资料以及加密气象自动站观测资料计算地面和高空比湿,结合温度、风等物理量分析3次暴雨天气过程中的大尺度水汽输送和中尺度局地辐合作用;对最大降水强度以及降水量的时间变化的分析表明:3次降水落区分布特征与降水前期大气柱水汽含量高值的水平分布较为一致;大气柱水汽含量曲线变化特征与各尺度天气系统造成的水汽输送和水汽辐合密切相关,大气柱水汽含量的大小与水汽来源密切相关;降水前4小时内大气柱水汽含量出现陡增,线性增速大于1.1 mm/h,最大降水强度出现在大气柱水汽含量峰值出现后的1~2 h。     

微波辐射计观测同降水相关性的研究

利用南阳站微波辐射计反演产品数据,结合L波段探空、多普勒天气雷达和地面雨量等资料,分析了2017年6月4—5日南阳地区一次降水过程中水汽与液态水变化特征,并对2017年6—8月不同降水条件下该地区的水汽与液态水总含量进行了统计。结果表明:微波辐射计反演的产品数据较准确,可靠性较强,可应用于日常业务工作和科研中。降水开始前,水汽总含量与液态水总含量明显增加,随着降水减弱结束,水汽总含量与液态水总含量减少。利用这一现象,可以将水汽和液态水的变化作为选择人工影响天气作业最佳时机的辅助判别条件。对比同时刻、同位置的雷达和微波辐射计资料发现,水汽总含量和液态水总含量跃增时对应较强雷达回波。水汽总含量达到5 cm、液态水总含量达到1 mm,可以作为判断南阳地区夏季降水开始的参考值。     

基于葵花8号卫星资料的沈阳两次暴雨过程中对流云特征对比分析

应用葵花8号卫星资料,结合NCEP FNL再分析、GNSS遥感水汽、风廓线雷达、全国智能网格实况融合分析资料,对2017年7月14日和2018年8月7日沈阳两次暴雨过程(分别简称过程Ⅰ和过程Ⅱ)中对流云特征进行了比较分析,重点探讨了对流云的触发维持机制与影响降水特征差异的因素。结果表明:(1)两次过程分别为局地突发暴雨和区域性极端暴雨,沈阳市区暴雨均由两个对流云团引发,对流云团合并使得降水持续。过程Ⅱ云团合并发生在其移动方向的后侧,具有后向传播特征,合并云团沿其长轴方向移动影响沈阳市,使降水时间延长。(2)在降水前至降水初期,过程Ⅰ对流云顶和水汽层顶快速上升且云顶迅速超过水汽层顶,而过程Ⅱ亮温下降缓慢。短时强降水发生前红外和水汽亮温同步快速降至-60℃,可作为提前预判对流云团产生短时强降水的参考指标。10 min雨量大于10 mm的对流云云顶集中分布在红外亮温低于-55℃、亮温差为-5~0℃的范围。(3)两次过程中,沈阳市分别位于东北冷涡后部和副热带高压北缘。过程Ⅰ,探空曲线呈“X”型,CAPE高达2584 J·kg^-1,造成对流云深厚,云底以下干层导致雨滴蒸发,使降水强度减弱,该过程高强度降水仅发生在对流云团合并加强阶段。过程Ⅱ,云底到地面湿层明显,保证了雨滴降至地面,产生相同量级降水的云团的TBB比过程Ⅰ高。(4)强降水发生前,地面风场存在明显辐合,当大气可降水量2 h内跃增8 mm时,站点出现强降水;局地水汽跃增可能是低空西南气流偏南分量增大或偏北冷空气侵入到暖湿空气中所致。     

中国降水云云底高度的估算和分析

基于国家气象信息中心发布的622个气象站点1960—2013年的降水量、气压、气温、水汽压和相对湿度等日数据及249个气象站点2013年8月25日至9月25日02、08、14和20时数据,利用中国气象局、Barnes和(Georgakakos的经验公式来计算抬升凝结高度从而近似降水云云底高度,归纳出中国降水云云底高度的时空分布特征。结果表明:(1)在整体、季节(除冬季外)、小时和降水量等级为Ⅰ级(P10mm)、Ⅱ级(10 mm≤P25 mm)时的空间分布特征基本一致,即自东南向西北逐渐增高,没有显著的年际差异。(2)区域差异显著,就四大自然区(北方地区、南方地区、西北地区和青藏高原地区)而言,青藏高原地区和西北地区的降水云云底高度高于平均云底高度,且除青藏高原地区外其他地区的云底高度呈逐年下降的趋势。(3)从季节差异看,春、夏季的降水云云底高度高,冬季的云底高度最低。(4)日变化明显,08时的降水云云底高度最低,14时最高。(5)利用三种算法算出中国降水云云底高度和降水量的相关系数分别是-0.47、-0.46、-0.44,中国云底高度和相对湿度的相关系数分别是-0.81、-0.81、-0.79,均呈负相关。     

利用双频微波辐射计测空中水汽和云液水含量的个例分析

利用23.8GHz和31.65GHz双频地基微波辐射计观测资料,结合卫星云图、雷达、探空和自记雨量计等资料分析了2005年4月在河南新乡观测的不同云系影响时大气垂直积分含水量(V)和云中液态含水量(L)的演变特征,对4月8日低槽云系影响时V、L的特征进行了分析。结果表明:双频辐射计对空中水汽和液态水反映灵敏,不同天气背景时对应有不同的V、L值分布。云液水含量L的变化与云量的增减有关。降水开始之前,水汽含量V值有明显波动,液态水含量L值也有明显增加,一般增大到0.4mm时即出现降水。这些现象对降水开始有指示意义,可预测云系正处于降水产生的阶段,可应用于人工增雨作业。此外,根据微波辐射计观测资料分析了大气水汽、云液水和地面降水之间的定量关系,云中液态水仅占汽态水的8.7‰左右,落回地面的降水占空中水汽量的18%左右。