云中风和湍流的多普勒雷达探测

一、发展概况 微波多普勒雷达可以用来测量各类降水云系中的风和湍流的场结构,这是其他一般探测方法难以做到的。 多普勒雷达接收的是回波的频移信息。频移的大小正比于降水粒子相对于雷达射束的径向速度。从分布杂乱和运动着的大气降水粒子反射回来的信息往往是展宽了的多普     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

一次秋季对流性暴雨的双偏振雷达回波特征分析

本文利用黔东南榕江C波段双偏振多普勒天气雷达资料、常规观测资料及地面加密自动站观测资料等,对2021年9月6日傍晚到夜间贵州东部地区出现的对流性暴雨天气过程的环流背景、影响系统和雷达回波特征进行总结分析。得出：（1）此次天气过程是在副高西伸北抬形成高压坝的背景条件下,中高纬冷涡低槽与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强东移,引导冷空气从西北路径和东北路径两面夹击影响贵州东部地区,配合长时间稳定维持的南北向低空切变线,共同触发不稳定能量强烈释放,产生对流性暴雨天气。（2）带状对流回波东段东移至铜仁、黔东南州境内后逐渐转为片状积层混合降水回波,并长时间稳定维持少动,暴雨发生期间,回波具有明显的低质心高效率的热带暖云降水回波特征;VIL值在10～30 kg·m-2之间,局地出现明显的跃增现象;低仰角径向速度图上长时间维持明显的风场辐合。（3）此次过程雷达偏振参量具有产生强降水的特征,最大ZH在40～60dBz之间,ZDR在0.2～5dB之间,KDP范围为0.5～7.0°·km-1,CC在0.9～0.98之间,最大时≥0.98。     

Microphysical characteristics of monsoon clouds and cloud sublayers as revealed by the MONEX aircraft observations

The summer monsoon atmosphere was subjected to aerial cloud microphysical measurements by the National Center for Atmospheric Research (NCAR)'s Electra as part of the Arabian Sea component of the Summer Monsoon Experiment (SMONEX). The Particle Measuring System (PMS )'s probes were mounted on these flights. This study documents vertical profiles and concentration counts of aerosols and precipitation size particles for the flights on 20 and 24 June 1979. These flights were selected because the meteorology associated with them was analyzed in detail by several investigators who were interested in the turbulence flux measurements which were unique to these flights. The samples on 20 June were collected mostly underneath clouds except once within a cloud. In contrast, they were gathered exclusively within clouds on 24 June. The observations on these two days were collected in four different locations over the Arabian Sea when organized convection was presented.Results show that the aerosol concentration counts as measured by the ASAS-probe were higher than those expected from measurements in suppressed convective conditions. The ASAS and FSSP readings were nearly constant in the boundary layer. The FSSP readings increased more than ASAS readings with height passing them at elevations greater than 1500 m. Some young clouds with a depth of 1600 m showed maximum updraft values occurring at a certain level (e.g., 1000 m). At this level, a maximum concentration of droplets belonging to a particular size group ( ≈ 15 μm) was found. Thus a positive association was seen between these droplets and the vertical velocity distribution.     

浙江地区2015年冬季首场降雪的气象特征及双偏振雷达回波特征分析

基于3 h间隔的浙江快速更新同化模式资料、常规探空资料和临安双偏振雷达资料反演产品对浙江地区2015年12月5日的首场降雪过程的特征进行了分析,得到了较高的云顶高度、较低的云顶温度、较低的零度层高度、较低的低层平均温度、稳定的底层冷平流以及特殊的地形是浙西北地区在较高的地表温度情况下易形成降雪的原因;同时对临安双偏振雷达产品资料进行了分析,首次提出浙江地区此类降雪的双偏振雷达产品特征,并得到了判别阈值.希望借助两方面的研究来减少此类降雪天气的漏报率和可预报性.     

月亮山区两次暖区暴雨天气过程双偏振雷达回波特征分析

本文主要利用黔东南榕江双偏振多普勒天气雷达、常规观测和加密自动站观测等资料,对黔东南2020年5月31日及6月8日两次暖区暴雨天气过程的雷达回波特征进行分析,结果表明：（1）月亮山区暖区暴雨的雷达回波主要以积状云回波为主,地形对回波具有明显强迫抬升作用;（2）回波演变主要分为三个阶段,对流回波的“合并增强”,单体后向传播形成长时间的“列车效应”,造成了月亮山区的暴雨过程;（3）径向速度场往往配合逆风区及γ中尺度的气旋式辐合;回波顶高、垂直积分液态含水量伴随跃增现象;（4）暖区暴雨由低质心+高质心回波共同影响造成,发展旺盛的单体生消较快,对流性特征显著;（5）随着质心高度、最大垂直液态水含量及最大回波强度的升高,雨强也会随之增强,但是三者与雨强变化之间存在一定的滞后关系;（6）暴雨以上降水以大雨滴为主,降水强度强,雨滴浓度大;（7）雷达估测的1h累积降水量、3h累积水量及风暴总降水量产品的演变与对应的自动站观测到的实际雨量变化趋势较为一致,但与实况均存在一定的偏差,且随着雨强的增大,误差随之增大;3h累积水量及风暴总降水量两个产品能较好地反映出强降水落区。     

X波段双偏振雷达对造成北京门头沟泥石流的强降水观测分析

利用房山X波段双偏振雷达观测资料,分析2017年6月18日北京门头沟泥石流的强降水过程,重点研究了泥石流发生地上空10 km×10 km区域内雷达反射率因子时空变化特征,并结合雷达定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)讨论该类雷达探测设备在复杂地形区域的适用性。结果表明,在山区常规自动气象站布网稀疏的条件下,X波段双偏振雷达能够有效捕捉此次强降水的发生发展过程,同时,雷达定量降水估测得到的高分辨率降水场可以把握山区强降水中心,进而弥补山区雨量站匮乏的不足。此次过程中影响泥石流事件发生的降水时间发生在6月18日12—16时,其中,15时事发区域小时QPE最大值达到53.9 mm·h^-1,上游来水和局地突发性强降水共同作用是本次泥石流事件的主要成因。     

江西一次冰雹过程的S波段双偏振雷达回波特征分析

2020年3月21—23日江西省出现一次冰雹伴随短时强降水过程,3月21日夜间出现的冰雹天气是在西南气流暖湿强迫背景下产生的,22日中午前后的降雹属于显著冷暖平流导致的斜压锋生类强对流天气。利用常规气象观测资料以及南昌双偏振雷达资料,重点对此次过程强对流云系中水凝物相态演变进行了分析。结果表明：冰雹特征（反射率因子<Z_H>60 dBz,差分反射率Z_DR<0 dB）首先出现在0℃层高度区域,后向上向下发展,由于22日当天干球、湿球0℃层高度均在3.8 km左右,融化层厚度小、高度低,且地面温度>20℃,冰雹在下降过程中Z_DR和差分相位率K_DP由负值逐渐转为正值,零阶滞后相关系数C_C逐渐加大至0.9以上,但某些时刻仍具有大冰雹特征（Z_DR<0,C_C<0.9）,表明冰雹在下落过程中出现融化形成外包水膜的小冰雹或大雨滴,但仍有部分大冰雹落地。三体散射现象持续时间长,对应Z_DR具有较大坡度,显示其正值到负值突变,C_C呈现非气象回波特征。冰雹粒子特征主要为Z_H>60 dBz、Z_DR<0dB、C_C<0及K_DP趋近于零,当存在大冰雹时Z_DR<0、C_C<0.9;对比短时强降水时发现Z_DR≥1 dB、K_DP≥1°·km^-1并呈现出随Z_H增大而增大的特征,C_C主要在0.95～1之间,表明强降水主要由大雨滴造成,因此通过双偏振特征变化可判断冰雹向强降水过程的转换。     

Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with an X-band Doppler radar and S-band operational radar

An X-band phased-array meteorological radar （XPAR） was developed in China and will be installed in an airplane to observe precipitation systems for research purposes.In order to examine the observational capability of the XPAR and to test the operating mode and calibration before installation in the airplane,a mobile X-band Doppler radar （XDR） and XPAR were installed at the same site to observe convective precipitation events.Nearby S-band operational radar （SA） data were also collected to examine the reflectivity bias of XPAR.An algorithm for quantitative analysis of reflectivity and velocity differences and radar sensitivity of XPAR is presented.The reflectivity and velocity biases of XPAR are examined with SA and XDR.Reflectivity sensitivities,the horizontal and vertical structures of reflectivity by the three radars are compared and analyzed.The results indicated that while the XPRA with different operating modes can capture the main characteristic of 3D structures of precipitation,and the averaged reflectivity differences between XPAR and XDR,and XDR and SA,were 0.4 dB and 6.6 dB on 13 July and-4.5 dB and 5.1 dB on 2 August 2012,respectively.The minimum observed reflectivities at a range of 50 km for XPAR,XDR and SA were about 15.4 dBZ,13.5 dBZ and-3.5 dBZ,respectively.The bias of velocity between XPAR and XDR was negligible.This study provides a possible method for the quantitative comparison of the XPAR data,as well as the sensitivity of reflectivity,calibration,gain and bias introduced by pulse compression.     

Nowcasting precipitation, clouds, and surface state in winter

Freezing of rainwater on a surface is often caused by nocturnal clearing after precipitation, which goes along with radiative cooling. Forecasting cloudiness, and especially the risk of clearing, on a scale of 1 to 3 h is of interest in the domains of road weather, agriculture, or water management.Cloud amount and the difference between air and surface temperature are important parameters of the radiation balance. In this contribution, we show the relationship between them, proved at several stations all over Switzerland. We found a correlation coefficient of 0.88 and improved it considering other meteorological parameters like wind speed. We conclude that temperature difference is a signature for nocturnal cloudiness.We investigated nocturnal cloudiness for a case from winter 2001/02 in northern Switzerland. An ultra-dense combination of two networks with 70 stations in total is operated, measuring air and surface temperature, wind and other parameters. With the aid of our equations, these measurements where converted into cloud maps, including also precipitation seen by radar. We identified a frontal precipitation area, postfrontal clearing, freezing, and the first clouds of a following frontal passage.All these findings will contribute to a better observation and predictability of surface state and other risks connected with radiative cooling.     

长沙一次暴雪天气过程的多普勒雷达回波特征

针对2021年12月25—26日湖南长沙暴雪天气过程,以长沙多普勒天气雷达资料为主,分析此次过程回波强度、径向速度、雷达风廓线等的变化。结果表明：1） 本次暴雪过程受冷空气、短波槽过境、700 hPa急流的共同影响;深厚的湿层、大气整层低于0 ℃、中层强的西南暖湿气流在强冷垫上爬升导致长沙出现暴雪。2） 长沙暴雪时段,持续不断有25—30 dBz反射率因子生成,同时,垂直液态水含量和回波顶高偏低。3） 降雪时段,径向速度表现出风场辐合、急流核增强、零速度线成直线等特征;预示着动力条件增强,为降雪的维持和增强提供了临近预报信息。4） 垂直风廓线产品上,3.4—4.9 km高度风场由西北风为主转为偏西风再转为西南风,表征短波槽过境,动力条件有所增强;随着西南风强度和厚度的持续增加,降雪强度增强;后期风场再次转为西北风为主,对应的降雪逐渐减弱。     

辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系

采用1961-2012年辽宁省53站月平均气温资料及NCEP/NCAR再分析的月平均高度场、风场和海平面气压场资料,分析了近51 a来辽宁冬季气温的时空变化特征。在归纳并计算了前人定义的六种东亚冬季风指数的基础上,对比了辽宁冬季气温与这6种东亚冬季风指数的关系。结果表明：1961-2011年辽宁东部冬季气温均方差大于西部,全省绝大部分地区为显著的正趋势;辽宁冬季气温EOF第一模态表现为全省一致异常偏高或偏低的特征;时间系数显著上升,于1977年发生突变;并存在4.5 a、2 a和3 a的周期变化;朱艳峰定义的东亚冬季风指数是各指数中与辽宁冬季气温变化关系最紧密的指数,它无论从突变时间、周期特征、相关系数还是反位相对应关系上,都与辽宁冬季气温关系最密切,且850 hPa经向风场和海平面气压场也能说明二者有较好的对应关系。     

X波段双线偏振雷达回波强度衰减和地物回波识别订正

与常规雷达相比,双线偏振天气雷达在降水系统的准确探测、资料质量的提高等方面具有明显的优势,但X波段双线偏振雷达资料受衰减和地物的影响较大,需要进行必要的衰减和地物订正。本文以2010年7月中国气象局在广东阳江开展的遥感数据比对试验得到数据为例,用ZH和ZDR结合的方法对ZH进行衰减订正,用ZH和ZDR的方差识别地物回波,并利用反射率因子垂直廓线订正受地物影响的底层回波。将订正后的ZH与S波段雷达探测的ZH相比较,将订正后的ZH与KDP的散点图和拟合的KDP与ZH曲线关系对比验证。结果表明经过订正的ZH与S波段雷达探测的ZH一致性较好,与拟合曲线也更为吻合,说明方法能有效提高雷达资料的质量。     

利用多普勒天气雷达估算对流云火箭增雨防雹用弹量的方案

利用新一代多普勒天气雷达产品资料,结合人工影响天气原理,引用人工影响天气数值实验的人工冰核浓度等有关参数,将垂直累积液态含水量(VIL)及回波顶高度(ET)等导出产品合理地应用于火箭增雨防雹作业用弹量计算公式中,解决了以前人为或间接估计对流云作业区体积及其含水量的难题,提出客观定量计算人工增雨防雹作业用弹量的初步方案,并以其计算的用弹量为主要参数设计火箭作业参数指挥界面.经2005年一次增雨作业应用检验,证明结果切实可行,对节约人工影响天气成本,有效指导对流云火箭增雨防雹作业具有一定的意义.     

南京地区一次冬季雷暴过程的雷达回波特征分析

为研究雷暴发展过程中的雷达回波特征,利用S波段双偏振多普勒天气雷达对南京地区的雷暴进行了观测研究,利用雷达回波资料、地面大气电场数据、闪电定位数据及探空资料对比分析了2014年一次冬季雷暴过程与夏季雷暴的雷暴回波特征差异。分析结果表明:冬季雷暴的对流发展高度明显低于夏季雷暴,持续时间短,水平尺度小,有较大比例的正闪;影响冬季雷暴与夏季雷暴的成雷对流高度差异的主要因素是环境温度差异,冬季雷暴在较低的高度上,具有较低的环境温度,更有利于雷暴起电;对流单体中,霰粒子的存在是雷暴的一项重要特征。     

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。     

双线偏振雷达资料在数值模式中的应用: 模拟器的构建

基于Rayleigh-Gans散射原理构造一个S波段双线偏振雷达模拟器。模拟器考虑了云冰、雪、雨和雹4种水凝物,以水凝物的混合比和数浓度以及水凝物粒子的轴比、相对介电常数、下落倾角为输入量,计算得到水平/垂直偏振反射率因子、差分反射率、比差分相位等偏振量。通过二维理想飑线模拟的试验结果表明,模拟器合理地再现了二维理想飑线系统成熟期的主要偏振特征:雹的反射率较高,差分反射率较低(又称Zdr洞);对流云区的Zdr柱;层云区的反射率和比差分相位的0℃层亮带特征;雨滴反射率与差分反射率因子的“雨线”统计特征。利用该模拟器建立了模式变量和偏振雷达观测的联系,有助于未来将偏振雷达观测资料应用于模式预报效果评估及对流尺度资料同化等方面的研究和应用。      

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年 11月9-10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年11月9—10日发生在大同地区的暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点。利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有较好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理的雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪风场的垂直结构及其变化,直观地反映降水过程中的风场变化特征。     

梅雨锋引发的\

利用区域雷达拼图产品,结合探空、地面常规观测资料,对2010—2012年6—7月湖北宜昌峡口区暴雨的天气形势进行分型,并分析不同天气型下雷达回波演变的典型特征,可建立5种雷达回波暴雨概念模型,即副高边缘Ⅰ型、副高边缘Ⅱ型、低槽东移型、低涡暖切型和低压型。(1)副高边缘型中,副热带高压北抬至湖北境内,雷达回波带呈东西向或东北—西南向分布。Ⅰ型中,宜昌南侧和北侧生成的强回波逐渐向宜昌峡口区汇合。Ⅱ型中,主要受强回波东移影响。(2)低槽东移型中,副热带高压位于长江以南,雷达回波带呈东北—西南走向,强回波也呈东北—西南向东移影响宜昌峡口区。(3)低涡暖切型中,副热带高压偏南偏弱。雷达回波带呈准东西走向,强回波较少出现。(4)低压型中,低层西南或华南存在低压横槽（倒槽）,受闭合低压东北侧气流影响,强回波相继向西北方向移动。(5)副高边缘型和低槽东移型中,强回波的回波顶高和垂直累积液态水含量较高。