江淮梅雨期极端对流微物理特征的双偏振雷达观测研究

为研究梅雨期极端对流系统的微物理特征,利用2013—2014年江淮梅雨期间南京溧水S波段双偏振雷达探测资料和地面自动站小时降水资料,统计分析了两类极端对流降水系统的微物理特征及差异。这两类极端对流系统的定义基于地面降水强度和雷达回波顶高,分别为所有对流中降水强度最强的1%（R类:小时降水强度>46.2 mm/h）和对流发展高度最高的1%（H类:20 dBz回波顶高>14.5 km）。结果显示这两类极端对流系统仅有30%的样本重合,显示了二者之间的弱相关性。对于相同的反射率因子Z_H,R类极端对流系统的近地面差分反射率因子Z_DR通常较H类极端对流小约0.2 dB,表明R类极端对流具有较小的平均粒径。结合双偏振雷达反演的粒子大小和相态分布显示,虽然两类极端对流都表现出海洋性对流降水特征,但R类极端对流较H类极端对流的总体雨滴粒径更小而数浓度更高,导致R类极端对流系统的地面降水更强。与R类极端对流系统相比,H类极端对流系统的上升运动更强,将更多的水汽和过冷水输送到0℃层以上,有利于形成更大的冰相粒子（如霰粒子等）,并通过融化形成大雨滴。以上研究表明,梅雨期降水强度和对流发展深度并没有必然的联系,极端降水主要是中等高度的对流引起。      

雨滴谱及双偏振雷达等资料在一次强降水过程中的应用

2019年8月9日20时至13日20时,受西风槽和台风利奇马的共同影响,山东省出现了大范围的强降水,其中心在章丘站.利用多源资料研究台风雨带强降水的微物理结构特征,分析了强降水过程中章丘站的分钟降水量、雨滴谱、双偏振多普勒雷达、风廓线雷达等资料.分析发现:本次降水过程开始阶段,存在明显的冷云降水机制.降水过程中雨滴的尺...     

X波段双偏振雷达在冰雹和强降水天气识别中的初步应用

文章利用X波段双偏振雷达,通过分析差分反射率因子、差分传播相移和零滞后相关系数等双偏振参量特征,识别了呼和浩特地区两次强对流天气过程,并与对应时刻的地面雨滴谱观测资料进行对比,检验了识别效果。从个例分析结果来看,此X波段双偏振雷达具有较好的识别效果,当雷达回波强度大、差分传播相移小且差分反射率因子和零滞后相关系数也较小时,产生冰雹的可能性较大;当差分反射率因子值较大,差分传播相移高且零滞后相关系数接近1时,由大粒子组成的强降水天气的可能性大。同时,雨滴谱仪的天气现象识别、粒子谱连续监测和高频率数据采集等特征,在双偏振雷达的冰雹和强降水天气识别检验中提供了重要的数据支撑。     

南京地区一次强降水超级单体过程的双偏振雷达观测分析

基于南京信息工程大学C波段双偏振雷达观测数据,结合探空和地面实况资料,对2016年7月7日发生在南京地区的一次强降水超级单体过程进行双偏振雷达变量特征分析。结果表明：(1)当后向传播和多单体合并造成02—03时出现129.2 mm·h^-1极端强降水时,最强回波Z_H约60 dBZ,差分反射率因子Z_DR达5 dB,差分相位常数K_DP超过8 (°)·km^-1。K_DP大值区与地面上小时雨强极大值中心存在较好的对应关系。反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR、差分相位常数K_DP与小时雨强也有显著的正相关。(2)强降水超级单体发展旺盛阶段,垂直运动明显增强,上升气流活跃,冰雹和霰占的比例高,-20°C以上存在深厚的混合相态区,闪电的频次和强度明显增强,分钟雨强增大。相关系数小值区ρ_HV以及Z_DR弧超前于超级单体1个体扫发生,并可以指示超级单体底层上升气流区的位置...     

广州极端降水微物理特征的双偏振雷达研究北大核心

利用2017年广州S波段双偏振雷达和地面自动站小时雨量资料,对比分析了广州极端降水(雨强≥50 mm·h^(-1))与强降水(雨强为20~50 mm·h^(-1))的微物理特征。结果表明:极端降水的20 dBZ和30 dBZ回波发展高度与强降水都差异较小,说明广州地区的降水强度与对流发展高度关系不大。在低层,极端降水平均回波更强,雨滴粒径更大,结合Z H-Z DR的分布表明广州地区降水具有海洋性对流特征。与强降水对比,0℃层以下极端降水的Z H、Z DR、K DP值都明显更大,尤其在4~5 km都快速增长,说明广州地区极端降水的发展关键在4~5 km高度,并在下落过程中继续增长,因此造成极端降水的发生。     

副热带高压背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析

为了研究副热带高压（副高）背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征,利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术并结合高精度的地形数据,对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明:（1）这次过程发生在副高控制之下,具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成,其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。（2）对流系统的中层存在大粒子累积区,大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升（下沉）气流的配置使得大粒子的下泻不会影响上升气流,有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇触发了上游对流系统的发展,形成后向传播。（3）在弱天气尺度系统背景下,局地地形对于降水系统的影响得以凸显。地形造成的低层辐合使得差分反射率因子（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）等双偏振参数在迎风坡处明显增大,且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。（4）暖雨过程和冰相过程在这次极端降水事件中并存,前者对雨水的形成起主导作用,冰相粒子的融化加速了这一进程。（5）强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡,雨强的增大取决于雨滴浓度的升高。因此,K_DP可作为判断雨强是否增大的指标。（6） Z_DR柱与K_DP柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性,特别是在持续降水过程中,Z_DR（K_DP）柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。      

北上台风强降水形成机制及微物理特征

利用NCEP FNL分析资料、青岛降水现象仪和双偏振雷达观测资料, 对北上台风利奇马(1909)和巴威(2008)引发的局地对流性强降水微物理特征进行分析, 结果表明: 在台风外围的东南暖湿气流内, 受地形或边界层锋区触发形成的强对流单体后向传播或原地合并加强造成了局地强降水; 雨滴的质量加权平均直径(Dm)和对数归一化浓度(lgNw)分别为1.89 mm和3.86, 与典型台风降水相比平均直径更大、浓度更低, 形状参数μ和斜率Λ的μ-Λ关系也有明显不同; 随着雨强增强, 小雨滴占比下降而中到大雨滴比例明显上升, 直径1~4 mm雨滴对短时强降水的贡献超过90%;雨滴的碰并增长和对云水的聚集作用在对流性降水中占主导地位, 同时深厚的凇附过程对极端强降水的出现也起到了重要作用。     

2021年郑州“7·20”极端暴雨雨滴谱特征及其对雷达定量降水估测的影响

利用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据,分析了2021年7月20日郑州极端暴雨的雨滴谱特征,并结合双偏振雷达观测,分析了不同定量降水估测（QPE）方法在此次极端暴雨过程中的性能。结果表明,在此次极端暴雨过程的最强降水时段,雨滴谱表现为很高的粒子数浓度和很大的粒子平均直径;而整个降水过程雨滴谱的截距参数与我国其它地区雨滴谱特征差异不明显,但质量加权平均直径大于其他地区的雨滴谱;在降水最强的2021年7月20日08:00～09:00（协调世界时,下同）前后,雨滴谱的特征发生了显著变化,首先是质量加权平均直径迅速增长,随后粒子数浓度也陡增,从而导致降水率的迅速增强。使用郑州双偏振雷达数据,基于各种QPE方法和参数计算得到了08:00～09:00的雷达反演降水量,并与雨量计观测结果比较。结果表明对于基于反射率的QPE关系（R(Z_H)）,如果不提高或者去除反射率上限进行QPE,会导致降水严重低估,且该方法对参数的准确性较为依赖;基于差传播相移率的QPE关系（R(K_dp)）对雨滴谱差异性敏感度相对较低,其性能主要依赖于差传播相移率的准确性;最优的R(K_dp)关系反演效果比R(Z_H)更好,能达到实际降水量的70%以上。     

C波段双偏振雷达在正安碧峰极端短时强降水中的初步应用

2020年6月12日凌晨,贵州遵义出现一次局地特大暴雨过程。局地强降水出现在正安碧峰镇,24 h过程雨量266.4 mm,2 h累计雨量达225.8 mm,最大小时雨强达163.3 mm·h^-1 ,其中03时10—40分30 min雨量达到115.3 mm。利用常规高空和地面观测资料、地面加密观测资料、NCEP再分析资料、新一代C波段双偏振多普勒天气雷达资料等,结合特殊地形因素,初探碧峰极端短时强降水的形成原因。结果表明：①此次过程是在西太平洋副热带高压西进北抬,同时巴尔喀什湖—贝加尔湖横槽东移南下,西北地区—四川盆地低槽活跃的背景下产生的,强降雨主要出现在低层低涡切变附近及切变右前侧南风辐合区内,属暖区性质暴雨,偏南气流明显风速辐合和地面辐合线是正安碧峰特大暴雨的重要影响因子,深厚暖云层高效率降水增加了降水的极端性。②正安附近低层水汽辐合明显,高层处于南亚高压中心控制的强辐散区,高层辐散抽吸对强降水维持和加强有利;③雷达回波显示,回波呈后向传播,“列车效应”特征明显,且回波强度强、顶高高,垂直累积液态水含量极高,各种参数均能说明强降水时段水汽充沛、对流旺盛。双偏振雷达参数表明,可能存在大雨滴或一些融化的小冰粒,差分反射率和差分传播相移率同时较大,表明大雨滴数量多,大量大雨滴易产生强降水,暖云层厚,“低质心”高效率降水,因此总体降雨强度很强。④碧峰处在“喇叭口”地形内,东南气流进入“喇叭口”使降水更大、雨强更强。     

基于S波段双偏振雷达观测的雹暴偏振特征分析

为了研究雹暴的偏振特征及其在实际业务中的应用,使用S波段双偏振雷达所观测到的46例冰雹数据,对其中反复出现的3种偏振特征:冰雹在各高度层的偏振参数特征、差分反射率因子柱、三体散射偏振特征进行了分析,重点分析了3种偏振特征大、小冰雹事件的差异.结果表明:(1)大冰雹的水平反射率因子中位数要高于小冰雹,二者的水平反射率因子...     

江苏"4·30"强风雹成因及双偏振雷达特征分析

利用高分辨率再分析资料、双偏振雷达观测数据,揭示了江苏"4·30"强风雹成因及其雷达特征。结果表明,此过程发生在高空异常深厚的东北冷涡背景下,中层西北急流和地面暖低压均显著偏强,造成远超过经验性指标值的垂直风切变,利于风暴的增强及组织化发展。对流风暴的影响可分为30日午后到傍晚局地对流单体和傍晚到上半夜飑线两个不同阶段:第一阶段局地对流性强,能量积聚大,沿淮和淮北西部地区多局地性雷暴大风,并散发不同尺寸的冰雹;第二阶段在地面强冷空气大风及中高层干冷空气动量下传的影响下,飑线系统及其前缘阵风锋移动快速。飑线上弓形回波前端的强下沉辐散出流,叠加环境风的影响,导致江苏东南部地区区域性的极端灾害大风天气。雷达回波既可清晰显示冰雹云的一般回波特点,如反射率因子回波强,粒子均一性差等;也可反映不同尺寸冰雹回波的差异性,如回波强度越强,最大反射率因子高度越高,单体回波倾斜、弱回波区特征结构越清晰,三体散射特征越明显的风暴单体产生的冰雹尺寸越大;在没有大水滴包裹时,CC值随冰雹尺寸的增大而减小,且伸展高度增高等。综合分析雷达回波多个参量,如风暴单体和阵风锋的移速、风暴单体特征高度的下降速度、Z_DR大值高度降低等指标,对对流灾害性大风量级的监测与预警有重要指示意义。     

QVP方法在双偏振雷达冬季降水观测中的应用

双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备,为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性,选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程,基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料,采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子ZH、差分反射率ZDR和相关系数ρhv的高度-时间廓线。基于QVP,结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据,分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征,同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明：QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化,并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时,对于非连续性或非均匀性质的降水系统,有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述,QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析,为冬季降水相态短时临近预报提供依据。     

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

X波段双偏振雷达冰雹偏振参量特征分析

利用MaXPol双偏振雷达观测的26个雹云单体和冰雹资料进行反演,统计分析了降雹前偏振参量特征和强中心回波顶高变化,并对雹灾最严重的一次过程进行个例分析。结果表明：①雷达的冰雹指标为Zh（反射率因子）＞50dBz、ρHV（相关系数）≤0.8、-2dB＜Zdr（差分反射率）＜1dB且强中心回波顶高至少超过-10℃层。降雹前时间为6～12min,大冰雹的平均时间是小冰雹的1.6倍。②降雹前大、小冰雹强中心回波顶高走势一致但在4～5min大冰雹强中心回波顶高增长率明显大于小冰雹。③只有大冰雹强中心回波顶高能突破-30℃层。④个例分析发现强中心与冰雹区并非一一对应,生成发展阶段冰雹区集中位于强中心后侧相关系数环内,悬垂于0～-20℃层;成熟阶段冰雹区扩散包含强中心,悬垂的冰雹区坍塌接地,降雹开始。     

两次极端强降水风暴双偏振参量特征对比分析

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达(CINRAD/SA-D)探测资料,并结合区域自动气象站以及常规观测资料,对2020年8月5日和6日山东两次极端强降水风暴环境条件进行对比分析,并重点分析莘县王庄集和兖州大安风暴的双偏振参量特征。结果表明：两次极端强降水天气均具有较高的K指数和较大的对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE),湿层厚,垂直风切变中等偏弱,但6日强降水低层垂直风切变和相对风暴螺旋度明显偏强。风暴气流结构有明显差异：王庄集和大安风暴分别表现为倾斜上升和气旋性旋转气流结构,前者风暴顶辐散强而后者较弱,从而导致前者风暴顶高度及差分相移率(K_DP)柱高度较高。不同高度微物理结构有差异：-10℃层高度之上,两者以固态粒子为主,而王庄集风暴含有更加深厚、丰富的霰粒子,-20～-10℃层还有一定浓度较小的液态粒子;-10℃层高度以下,两者以浓度较高的液态粒子为主,而王庄集风暴含有一定数量的冰相粒子。风暴低层测站周围差分反射率(Z_DR)、K_DP和相关系数(Corre...     

2020年5月22日广州强降水超级单体的S波段双偏振雷达回波分析北大核心

为研究S波段双偏振雷达探测强降水超级单体的回波特征,本文利用广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达、气象信息综合处理系统(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System,MICAPS)、地面观测站等资料,分析了2020年5月22日广州一次局地特大暴雨过程的发生发展及雷达回波特征。结果表明:列车效应和后向传播影响共同造成了广州此次局地强降水过程;强降水超级单体成熟阶段,雷达回波低层仰角会出现K_(DP)印,ρHV图上有非均匀波束填充(Non-Uniform Beam Filling,NUBF)特征,高层仰角会出现Z_(DR)环(高值区)、ρHV环(低值区)等特征,垂直方向上表现为形态相似、空间分布分离的Z_(DR)柱和K_(DP)柱;Z_(DR)最大值略早于Z_(H)最大值,一般出现在Z_(H)骤增时段,雨强开始增大或最大雨强之前,对强降水的发展有指示意义,K_(DP)最大值一般出现在Z_(H)大值时段,并与最强降水时段对应,结合Z_(DR)和K_(DP)可以更好地判断降雨强度的变化。     

2019年7月17日江苏东南部特大暴雨的双偏振雷达观测分析

利用S波段双偏振雷达数据,结合再分析数据、自动气象站、探空和二维闪电探测数据,采用多普勒雷达风场反演和粒子相态识别等方法,分析了2019年7月17日江苏省东南部多站破历史记录的超强降水对流风暴的偏振特征和云微物理特征;并选取了打破当地强降水历史记录如皋站和潞城站,分析了影响两站的对流单体的异同。影响如皋的对流风暴几无闪电活动,对流质心接近地面,上升气流相对较弱。且0℃和-35℃层间霰粒子数目相对较少,闪电几乎不存在。在融化层以下,由于强烈的暖雨过程,较大的冰相粒子落下并融化和低层雨滴的聚并增长,导致低层雨滴数量迅速增加,带来地面极端强降水。潞城地区雷暴活动明显,影响其对流风暴发展旺盛。-35～0℃层存在强烈的上升运动,抬升低层大量的液相粒子通过淞附作用形成的霰,并与高层冰晶不断碰撞,在云层中形成强大的电场,产生强烈的负闪,且在地面产生了极强的降水。这表明融化层以上的冰相微观物理过程,对于降水的发生和增强非常重要。     

基于激光雨滴谱的双偏振雷达定量降水估测算法应用评估

基于S波段双线偏振雷达资料、雨量计资料及激光雨滴谱数据,在CSU-ICE算法的基础上建立了CSU-LPA算法.以华南地区一次季风暴雨过程为评估对象,对CSU-LPA算法与传统PPS (Precipitation Processing System)算法进行了效果对比,评估该算法在业务中的应用效果.结果 表明,在绝对值相...