飑线型降水云微波辐射特性的数值研究

本文将三维云的微物理模式的输出作为三维辐射传输模式的输入，对降水云的微波上行辐射率同地球物理参数间的关系进行了初步研究。在侧边界条件不对称的情况下，如果不考虑实际存在的云间相互辐射作用而模拟降水云的上行辐射率时，模拟出的亮温在低频段将低估卫星上测到的亮温值；在高频段则依降水云上层含冰量的大小而异，即在降水云上层含冰量小的区域，将低估星上测到的亮温，且低估的幅度较低频通道的大，而在降水云上层含冰量大的区域，可能高估星上测到的亮温，但高估的幅度较小。     

降水云含有水膜冰球时的微波辐亮温

利用Eddington近似解析算法和一含有冰水相态混合层的降水云模型,改变滴谱,并／或使云中冰球带上水膜,可以改变云内一些高度上的辐射通量,而对降水云在云顶和地面两处的射出辐亮温的影响,则与雨强和微波频率以及水膜冰球谱和水膜厚度有关。云中相态混合层内水成物相态和滴谱对6．6、10．7和18GHz辐射传输和射出辐亮温有较大的影响,对更高的频率（37．0、85．6和183GHz）影响较小。     

CRTM微波亮温模拟对地表和云参数的敏感性分析

利用快速辐射传输模式CRTM研究了微波地表发射率和微波亮温对地表参数和云参数的敏感性问题。首先利用实测的云南思茅地面和探空资料,通过CRTM正演了12个微波通道的地表发射率和亮温,与AMSR-E卫星亮温资料进行对比,分析了模拟亮温的正演误差,研究了地表参数对微波地表发射率模拟的敏感性,并重点分析了微波亮温对地表和云雨参数的敏感性。结果表明,地表参数中土壤湿度、地表温度和植被覆盖度三者对CRTM模拟亮温影响较大,而模拟微波地表发射率主要受土壤湿度和植被覆盖度的影响;有云雨存在时,降水云比非降水云的影响大。6种云中,雨云对模拟的影响最大。晴空条件下,大部分通道的正演亮温误差在3 K以内,垂直极化较水平极化误差小。低频通道比高频通道受地表参数影响大,受云雨影响小,垂直极化比水平极化更稳定。其中10.65 V通道几乎不受云雨影响,但对地表参数非常敏感。     

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障.一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易.辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量.本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MW...     

用亮温反演云物理量划分对流-层状降水的数值模拟研究方案

观测分析表明对流云中水云重要,而层状云中冰云重要。因此,提出了一个基于液水路径和冰水路径阈值划分对流-层状降水的新方案。液水路径和冰水路径的值可以通过线性回归方程由不同AMSU微波通道(23.8、31.4、89、150 GHz)的亮温计算得出。通过对由TOGA COARE试验资料作为强迫场的二维云分辨模式的模拟结果的分析,对该划分方案进行讨论。若液水路径大于1.91 mm或冰水路径大于1.70 mm,则划分为对流降水;相反,则划分为层状降水。通过对地面降水收支的分析表明,该划分方案是具有物理意义的。      

云参数对微波亮温模拟计算的影响试验

利用CRTM (Community Radiative Transfer Model) 快速辐射传输模式对NOAA-K系列卫星的AMSU-A通道亮温进行正演模拟,重点研究云粒子类型、云高、云厚度等云参数对微波亮温模拟的影响。结果表明:改变云粒子类型时,云水和雨水对模拟亮温影响较大,模拟亮温值比晴空高1 K;霰、雪、冰、雹等固态粒子对模拟亮温的影响较小,模拟亮温值略低于晴空无云情况;云层光学厚度较大时,各通道亮温受云层影响的情况取决于权重函数峰值高度和云顶高度的配置;多个高度存在云时,若最上层云较厚 (2 km),光学厚度大,相应通道亮温取决于最上层云,较低层云对亮温不产生影响;云层变薄,光学厚度减小,高度低于云层或略高于云顶的通道亮温随云层厚度的变化明显,若通道高度远高于云顶,云层厚度的变化对于其亮温模拟的影响很小。     

多单体冰雹云降雹过程特征

１９９５年６月１４日辽宁省中南部一次多单体冰雹云降雹形成于冷锋系统，先后在４个地区降雹。当冰雹云在ＰＰＩ上回波强度大于６０ｄＢｚ，回波顶部出现Ｖ形并且在ＲＨＩ上回波宽度大于２０ｋｍ时，将出现降雹。     

西藏高原一次冰雹天气云降水模式预报产品检验

利用FY-2G卫星反演云特征参量产品、MICAPS高空和地面形势场、逐小时地面降水和探空数据等资料,从云的宏观、微观结构及垂直结构和降水方面对2016年6月22日19:00-20:00拉萨市短时冰雹天气发生期间的GRAPES_CAMS云降水模式预报结果进行高原地区适用性检验。结果表明:(1)模式能够预报西藏地区的降水落区分布,对强降水中心和降水强度的预报存在一定偏差;(2)模式能较好地预报云系发展演变,在云系移速、移向上预报结果与实况基本一致,对云系发展旺盛程度的预报有一定偏差;(3)模式能较准确地预报高原对流云宏观特征,对流云的垂直发展预报结果比实况弱,云顶高度偏低1.0~2.0 km,云顶温度偏高10~20℃;(4)在云垂直结构特征上,模式预报与卫星、高空监测较为吻合,云的冷暖性质、垂直结构、特征温度层高度与实况接近。     

利用亮温资料建立降水临近预报方法的研究

通过对太湖地区2009年1—4月TP/WVP-3000型微波辐射计的亮温连续观测资料进行分析,建立降水临近预报方法。结果表明,降水开始前4 h,微波辐射计有7个通道的1级亮温资料存在明显的增长趋势。利用降水个例与无降水个例亮温差值最大、降水个例与无降水个例亮温标准偏差差值最大两个标准,选择合适的通道进行降水临近预报。通过计算得到,第1通道的亮温差值最大,而第5、6通道的亮温标准偏差差值最大,因此可分别将第1、第5和第6通道的亮温观测值作为预报因子。根据判别分析方法,分别在降雨前15 min及前30~330 min(时间间隔为30 min)建立12个预报方程,并通过自身验证对每个时间点预报的准确率进行检验,最后选择降雨前90 min的判别方程用于预报,其预报准确率为87%,空报率为24%,漏报率为13%。     

不同侧边界条件下水平有限降水云的微波辐射模式研究

从空间微波遥感降水定量分布的目标出发，本文研究在非对称侧边界条件下水平有限降水云的微波辐射率的计算公式。由普适性三维辐射传输方程出发，推导出非对称横向边界条件下的微波辐射率解析表达式。用热带降水云典型参数所作初步数值试验表明，相对于对称侧边界条件非对称侧边界条件对于上行（卫星所测）辐射率具有不可忽略的作用，且这种作用对于不同的微波频率具有不同的强度，甚至有符号的差别。云的不均匀尺度越小，这种作用越强。由于热带降水大多具有高度非均匀对流云带状或云团结构，本文所发展的模式将对微波遥感这类降雨定量分布发挥重要作     

Variations of Precipitation Structure and Microwave Tbs During the Evolution of a Hailstorm from TRMM Observations

In this paper, a hailstorm occurring on 9 May 1999 in Huanghuai region was studied by using the combined data from the precipitation radar (PR), microwave image (TMI), and visible infrared scanner (VIRS) on the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite. According to the 3-orbit observations of 5-h duration from the TRMM satellite, the variation characteristics of the precipitation structures as well as cloud top temperature and microwave signals of the precipitating cloud were comprehensively analyzed during the evolution of hailstorm. The results show that the precipitation is obviously converted from early hail cloud with strong convection into the later storm cloud with weak convection. For hail cloud, there exists some strong convective cells, and the heavy solid precipitation is shown at the middle-top levels so that the contribution of rainfall amount above the freezing-layer to the column precipitation amount is rather larger than that within the melting-layer. However, for storm cloud, the convective cells are surrounded by the large area of stratiform precipitation, and the precipitation thickness gradually decreases, and the rainfall above the freezing-layer obviously reduces and the contribution of rainfall amount within the melting-layer rapidly increases. Therefore, the larger ratio of rainfall amount above the freezing layer to column precipitation amount is, the more convective the cloud is; reversely, the larger proportion of rainfall below the melting layer is, the more stable the stratiform cloud is. The different changing trends of microwave signals at different precipitation stages show that it is better to consider the structures and stages of precipitating cloud to choose the optimal microwave channels to retrieve surface rainfall.     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

基于地基微波辐射计资料对咸宁两次冰雹天气的观测分析

利用地基微波辐射计观测资料,对两次冰雹过程进行观测分析。结果表明:中低层暖湿气流输送、中层干冷空气侵入,在0~10 km形成"上干、下湿"2层垂直分布结构。低层的感热和潜热随上升气流向上输送,2~3 km层明显增温,0、-5和-20℃层略微上升。同时,低层水汽也随上升气流向上输送,降雹前大气液态水总含量(ILW,下同)和大气水汽总含量(IWV,下同)及过冷水含量快速增长。水汽经过冷层后,冰晶增多增大。当冰晶增大落入0℃以上区融化层时,冰晶融化导致液态水增加,一部分形成冰雹或地面降水,导致降雹之后ILW、IWV及0℃以下液态水含量减小。上述结论对冰雹的预警有一定指示意义。     

地基微波辐射计探测在黄河上游人工增雨中的应用

利用2003、2004年夏秋季在青海省河南县的地基双频段微波辐射计连续观测资料,在实施系统探测实验以进行辐射亮温值(TB(23.87),TB(31.65))与大气汽态总水汽含量(Q)和云中积分液态水含量(L)值反演处理的基础上,分析了黄河上游河曲地区的云水特征,并进行了降水预测及人工增雨作业指标的探讨。结果表明:在黄河上游河曲地区,7—9月纯晴天无云天气条件下,L值基本为0,表明了统计回归反演的显著性。多云条件下Q值和L值分别在3.76~4.75g·cm-2、227.34~859.42g·m-2的范围内。可降水云天气,Q值在5.23~8.65g·cm-2间,L值在421.18~1016.37g·m-2的范围内;积雨云个例分析表明,在降雨开始前近5小时的降雨酝酿期内,Q及L的增加有明显的波动,但在对流云出现并发展时,Q和L总是急剧上升,在降雨前达到一峰值;由河南站和西安站的Q、L值比较差异可以看出,Q、L值受水汽输送、地形等因素的影响,黄河上游河曲地区的人工增雨潜力有显著的优势;所计算出的降水预测阈值,可作为该地区人工增雨作业指标的参考。     

暴雨和雹暴个例中闪电特征对比

暴雨与雹暴过程中对应的闪电活动特征显著不同,为了对比这两类对流过程中的闪电活动特征差异,该文选取了两种比较有代表性的雷暴个例——暴雨过程和雹暴过程,利用全闪（包括云闪与地闪）定位数据,分析了两者闪电活动特征以及闪电活动与对流降水之间的关系。研究发现:暴雨过程中地闪频次和正地闪比例均低于雹暴过程;相对于暴雨过程,雹暴过程的主正电荷区放电高度更高,主正电荷区所处的温度偏低;暴雨过程中,总闪频次与对流降水量、总闪频次与对流降水强度的相关性均优于雹暴过程。总体而言,雹暴过程中闪电活动特征及其与降水的关系更为复杂,这可能与雹暴过程具有更为复杂的动力和冰相过程有关。     

Comparison of Aerosol Effects on Simulated Spring and Summer Hailstorm Clouds

Numerical simulations are carried out to investigate the effect of cloud condensation nuclei(CCN) concentrations on microphysical processes and precipitation characteristics of hailstorms. Two hailstorm cases are simulated, a spring case and a summer case, in a semiarid region of northern China, with the Regional Atmospheric Modeling System. The results are used to investigate the differences and similarities of the CCN effects between spring and summer hailstorms. The similarities are:(1) The total hydrometeor mixing ratio decreases, while the total ice-phase mixing ratio enhances, with increasing CCN concentration;(2) Enhancement of the CCN concentration results in the production of a greater amount of small-sized hydrometeor particles, but a lessening of large-sized hydrometeor particles;(3) As the CCN concentration increases, the supercooled cloud water and rainwater make a lesser contribution to hail, while the ice-phase hydrometeors take on active roles in the growth of hail;(4) When the CCN concentration increases, the amount of total precipitation lessens,while the role played by liquid-phase rainfall in the amount of total precipitation reduces, relatively, compared to that of icephase precipitation. The differences between the two storms include:(1) An increase in the CCN concentration tends to reduce pristine ice mixing ratios in the spring case but enhance them in the summer case;(2) Ice-phase hydrometeor particles contribute more to hail growth in the spring case, while liquid water contributes more in the summer case;(3) An increase in the CCN concentration has different effects on surface hail precipitation in different seasons.