单部多普勒雷达资料反演三维风和热力学变量

一、引言随着下一代天气雷达(NEXRAD)的发展,单部多普勒雷达观测将在美国广泛开展.这种观测提供径向速度和反射率数据,空间分辨率优于1km,时间分辨率达几分钟.为将这些资料用于暴雨预报模式的初始场和边界层涡旋结构的分析,需要从单部多普勒雷达观测资料反演出另外两个速度分量和温度.     

利用多普勒天气雷达探测强对流天气过程初探(摘要)

介绍了使用多普勒天气雷达对3月20日强对流天气过程进行连续监测的情况,并对使用多普勒天气雷达产品的过程和体会加以总结,认为利用多普勒天气雷达监测灾害性天气,用垂直积分液态水、组合反射率和基本反射率及基本速度、反射率垂直剖面和回波顶几个产品来判别和预报效果会较好.     

灾害天气的识别和自动预警

使用CINRAD/SB新一代天气雷达基本数据资料,设计了一套简单的强降水、强对流天气的自动预警系统。以反射率强度和直径监测和预报暴雨系统,用垂直液态水含量监测和预报大风和冰雹系统,当系统监测到这几类灾害天气时,发出声音报警,提示预报员跟踪预报。从对2005年几次暴雨、大风、冰雹过程进行回报和对2006年灾害天气过程进行预报应用来看,利用多普勒雷达资料,可以对灾害性天气过程进行有效地识别和预警。反射率大于30dbz的直径在20km以上时,有利于出现强降水过程;垂直液态水含量大于18kgm-2,直径在10km以上,有利于18m.s-1以上大风出现;垂直液态水含量大于38kgm-2,直径在10km以上,有利于冰雹出现。     

中小尺度的多普勒径向速度场特征分析

本文选取2003—2005年太原多普勒雷达资料,对中小尺度的多普勒速度场特征进行了深入研究。从逆风区厚度、尺度、强度(速度切变)等方面作了详细地分析,并与相应的回波反射率因子Z及VIL(垂直累积液态水含量)值对照。结果表明:逆风区强度与反射率因子,逆风区厚度与VIL值,逆风区底层流场结构与强回波发展趋势密切相关。而且,绝大部分逆风区出现时间较降水开始时间有1—2 h的提前。     

冀东地区冰雹云多普勒雷达参数特征分析

利用2008—2015年冀东地区发生的36个冰雹个例,通过秦皇岛多普勒天气雷达资料反演出冰雹发生时雷达的各种参数,提取各种参数与冰雹发生时的关系。研究结果表明冰雹发生时,基于风暴的最大基本反射率因子、风暴顶高、垂直累积液态水含量平均值分别为62 dBz,9. 9 km,51. 6 kg·m~(-2),0℃层以上平均风暴厚度为5. 8 km,0℃层和-20℃层之间厚度平均值为3. 1 km,风暴最大基本反射率因子所在高度为4. 6 km,风暴平均移动速度为9 m·s~(-1)。不同尺寸的冰雹雷达参数变化不大。在冰雹发生过程中,两个体扫间风暴的最大基本反射率因子平均最大跃变为7 dBz,风暴顶高平均最大跃变为6. 7 km,垂直累积液态水含量平均最大跃变为17 kg·m~(-2),这种跃变的出现比冰雹发生时刻平均提前39、30和25 min,可以作为冰雹发生前的重要判断依据。此外还对WSR-88D冰雹算法进行了评估,结果表明,该算法的命中率较高,虚警率也较高,算法对冰雹的预报提前量平均为43 min左右,冰雹尺寸的预报结果偏大。     

两种垂直风廓线的对比及应用Ⅰ:一致性分析

利用2013年1—9月重庆多普勒天气雷达(CINRAD/SA)和风廓线雷达(TWP8-L)观测到的垂直风廓线数据,就不同高度、不同时间及不同降水条件下二者的一致性进行了分析。研究结果表明:(1)多普勒雷达探测的风廓线资料与同期的风廓线雷达资料在垂直分布和时间变化上表现出较一致的变化趋势,两者探测的风向和风速的相关系数分别为0.90和0.75;(2)风廓线雷达和多普勒雷达探测的风向相关性(标准误差)随高度增加(降低)而逐渐增加(降低),两者间的一致性随高度不断增强。风速间的相关性也随高度增加而增加,但标准误差变化不大,稳定在2~4 m·s-1之间。在不同月份表现出类似的特征,特别是在汛期(6—9月)风切变从底层到高空具有很好的一致性,呈顺时针旋转;(3)两种探测资料间的一致性受降水影响明显,相对于降水偏少的冬季(1月和2月),在以小到中雨为主的春季(3—4月)以及中到大雨的主汛期(6—9月),多普勒天气雷达和风廓线雷达探测风廓线间的一致性得到明显增强,特别是在主汛期两者间的一致性是最高的;(4)多普勒雷达和风廓线雷达各高度层平均风向随高度的变化一致性较好,在低层(4 km)和高层(5 km)风向均随高度顺时针旋转。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

基于云雷达反射率因子的云宏观参量反演

针对2012年7月23日云南腾冲的一次混合型层状云降水过程,联合35 GHz多普勒偏振云雷达、雨滴谱仪和探空仪进行联合观测与分析,根据Z—q_r(雷达反射率因子—雨水含量)的关系式,反演雨水含量(q_r)、云水含量(q_c)以及空气垂直速度(w)。结果表明:在较强回波区,云水含量为0.5~0.8 g·kg~(-1),雨水含量为0.2 g·kg~(-1),空气垂直速度为0.6~1.0 m·s~(-1),对应时段的小时雨量较大;通过云水含量与雨水含量、雨水含量与雷达反射率因子的散点图,分别得到各自的拟合公式。当云水含量0.8 g·kg~(-1)时,直接通过拟合公式得到的云宏观参量的精度较好。     

基于星载云雷达资料的东亚大陆云垂直结构特征分析

利用近5年(2006年6月—2011年4月)的Cloudsat卫星资料分析了东亚大陆云垂直结构特征。结果表明:(1)降水(文中可降水是根据观测到的可降水粒子信息计算到达地面的降水,并不是指地面观测到的实际降水)云和非降水云的雷达反射率(回波)垂直分布存在一定差异,除降水云反射率通常接地外,降水云主要集中在8 km以下,反射率通常为-20—15dBz,非降水云主要集中在4—12 km,反射率为-28—0 dBz;降水云雷达反射率频数大值中心在2 4 km,对应的雷达反射率为0—10 dBz,而非降水云出现在8—10 km,且对应的雷达反射率为-26—-24 dBz;(2)从雷达反射率廓线来看,降水云中雷达反射率随高度的变化先增强后减弱,而非降水云几乎不变;(3)液态降水云、固态降水云和毛毛雨降水云反射率的垂直分布明显不同;(4)液态降水云自11至7 km雷达反射率迅速增强,表明此高度是粒子快速增长的优势空间;(5)固态降水云中-15℃温度频数分布与雷达反射率频数大值中心有很好的对应关系,表明在-15℃附近的条件下冰相粒子凝华-碰冻是粒子增长的优势过程;(6)云的垂直结构随着季节变更而变化,降水云春季、夏季和秋季的雷达反射率垂直分布变化不明显,而冬季主要在低层;固态降水云的垂直分布频数大值中心从春季至冬季呈"双-单"中心交替变化,且与云中-15℃频数分布变化一致;非降水云雷达反射率垂直分布没有明显的季节变化;(7)深对流云和雨层云是形成降水粒子的主要云型。     

一次强飑线内强降水超级单体风暴的单多普勒雷达分析

文中利用位于福建建阳新一代S波段多普勒天气雷达资料和探空、地面观测资料,对2003年4月12日07—09时发生在建阳附近的一次强降水超级单体风暴进行了分析。天气分析显示,风暴发生于地面冷锋北侧、低层高湿、中等对流不稳定(1601 J/kg)和强风切变(0—5 km,22 m/s)环境,总理查逊数为16,同典型的强降水超级单体生成环境相当接近。雷达回波分析揭示,风暴发生在一强飑线系统的前沿,初期为一普通单体,随后逐渐发展成为弓状并发生分裂,分裂后风暴移动方向左侧单体逐渐减弱,而右侧的单体发展成为超级单体,持续时间约为1 h。在强降水超级单体成熟期,其移动前侧的低层反射率因子出现明显的钩状回波,中层反射率则显示在宽广的反射率高值区(>60 dBz)内存在有界弱回波区,强度大于40 dBz。沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子也呈现典型的回波悬垂和有界弱回波区。相应的中低层径向速度场显示在钩状回波附近的强降水区中存在一个强烈的中气旋,其起源于中层3.5—5 km,随后向上、下发展,最大旋转速度达到24 m/s,持续时间达1 h。由GBVTD方法分析,中气旋成熟时(08：33 UTC)轴对称环流结构显示,轴对称切向风分布在中层接近兰金涡旋模型,最大轴对称切线风位于高度4—5 km,离气旋中心约3 km,强度约20 m/s。4 km高度以下为气旋式辐合,气旋中心为上升运动。至4—7 km以旋转为主,在最大切向风半径以内为外流,以外为内流,相应的在最大风速半径处伴随较强的辐合和上升运动,7 km以上则为辐散对应的出流。此结构同经典超级单体内的中气旋结构相当一致。此外,风暴结构同Moller（1994）提出的中纬度强降水超级单体风暴的特征非常相似,但演变过程却明显不同,是由普通单体形成弓状回波,弓状回波分裂后沿移动方向右侧的单体发展成为强降水超级单体。     

多部多普勒天气雷达资料同化对暴雨个例模拟的影响分析

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)及其资料同化系统3DVAR,将国内多普勒天气雷达(CINRAD)反射率因子及径向风资料直接用于中尺度数值模拟;对安徽梅雨期一次暴雨过程进行模拟试验,经过质量控制后,分析同时同化安徽省内六部多普勒天气雷达观测资料对模拟结果的影响。结果表明:(1)经过质量控制后,同化雷达径向风和反射率因子对初始场的风场和湿度场均有较为明显的改善,说明用该雷达资料质量控制方案同化雷达资料是可行的;(2)同化多部雷达径向速度资料能使风场气旋性增强,同化反射率资料能调整初始水汽场,使对流层中下层水汽含量增加;(3)同化多部雷达径向风和反射率因子资料,能提前模拟出强降水回波结构,且其中尺度特征更清晰,降水落区和强度预报更接近实况,同化雷达资料对降水预报能持续影响到12 h,并提高了12 h降水预报准确率。     

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。     

强雹暴的雷达三体散射统计与个例分析

利用我国各地11次强对流事件中23个产生S波段雷达三体散射的雹暴的新一代天气雷达数据,总计499个三体散射样本资料,综合并详细地讨论了我国S波段多普勒天气雷达三体散射的统计特征,也讨论了将这一现象应用于强冰雹辅助预警的可能性。同时对目前国内S波段雷达所观测到的最典型的三体散射个例从"三体散射回波"出现到消失的全过程进行了仔细分析,结果表明:(1)在最小反射率因子显示阈值为-5 dBz的情况下,产生S波段雷达三体散射的最小反射率因子在60 dBz左右,86%的三体散射长钉(TBSS)出现在反射率因子强度≥63 dBz时;(2)TBSS长度与强反射率因子核心区面积大小及反射率因子核最大强度呈密切的正相关,也就是说,反射率因子核心强度越大,高反射率因子的区域越大,TBSS的长度就越长;(3)TBSS出现的最大高度为12.5 km,最低高度是1.1 km;61%的TBSS出现在3~6 km高度之间,TBSS在4~5 km高度出现次数最多,然后向上、向下减少;TBSS长度≥10 km的出现次数同样以4~5 km高度最多,然后向上、向下迅速减少;(4)TBSS主要在雹暴位于雷达的西半边时出现;(5)雹暴云在不同性质的下垫面上空均能产生雷达TBSS;(6)TBSS的持续时间几乎都超过30 min,其中持续时间在30~60 min的情况居多,还有部分TBSS持续时间超过90 min;(7)在出现TBSS时,几乎所有雹暴都降了2 cm以上的强冰雹,同时80%左右的产生2 cm以上直径冰雹的强雹暴都产生了三体散射,因此TBSS可以作为强冰雹的一辅助预警指标,以有效降低强冰雹预警的虚警率;(8)在产生三体散射的23个强雹暴中,有一半以上是超级单体和准超级单体风暴,超级单体雹暴中的中气旋有利于大冰雹的形成。     

一次罕见强飑线10级大风的雷达回波特征分析

利用宜春、南昌、景德镇等地多普勒天气雷达资料以及常规观测与加密自动站等资料,分析2018年3月4日江西罕见强飑线过程及其伴随的区域性10级以上雷暴大风的成因与雷达回波特征。结果表明:(1)该过程飑线系统发生在槽前暖区,低层强西南暖湿平流、中层干冷空气、强中低空垂直风切变维持为飑线系统提供了有利的环境条件。(2)飑线后侧入流急流的动量下传和干空气卷入风暴的蒸发作用共同导致强烈下沉气流造成快速移动的冷池并引起地面大风。(3)区域性10级雷暴大风的雷达回波特征突出:弓形回波尺度大(200～450 km)、中心强度强(55～60 dBz)、移速快(100～120 km·h~(-1));低层径向速度异常大并出现速度模糊;边界层内大风速核前侧径向辐合强,低层最大径向速度切变大;强回波中心、径向风大风速核和径向辐合带均存在前倾特征。(4)低仰角径向速度图上31 m·s~(-1)以上大风速核和30 m·s~(-1)·(10km)~(-1)以上径向速度切变,反射率因子图上移速大于100 km·h~(-1)的弓形回波,以及风廓线(VWP)图上20 m·s~(-1)大风速核高度下降,都可作为10级大风临近预警的参考指标。     

四川一次超级单体风暴的多普勒雷达观测分析

利用常规天气资料和多普勒天气雷达等资料对2015年7月27日发生在四川资阳的一次伴随冰雹大风的超级单体进行综合分析。结果表明:(1)该超级单体具有较大的CAPE值,适宜的0℃层和-20℃层高度,有利于雹粒的增长,为大暴雨和冰雹提供了不稳定能量。(2)此次风暴具有超级单体风暴的典型特征,在雷达反射率因子上,中低层有“钩状回波”、弱回波区、三体散射长钉,中高层有回波悬垂现象,速度图上是气旋式流场,后发展为中气旋,中气旋首先出现在中低层,随后向上向下发展。(3)垂直累计液态水含量(VIL)在发生冰雹前会有一个跃增变化,在30分钟内从5kg/m2跃增到75kg/m2,VIL跃增变化提前冰雹发生,对冰雹具有警示作用。(4)三体散射长钉是预示冰雹的一个重要特征,此次风暴的三体散射出现在高度5~10km,只在2个体扫时间内出现过。      

陕西冰雹实例垂直累积液态含水量指标分析

利用2005年5月30日和8月1—3日陕西4次冰雹过程的多普勒雷达产品中垂直累积液态含水量(QV IL)资料,分析了14个回波中心与实况对应关系,初步得到降雹的QV IL指标:在多普勒雷达回波图上,雷达探测范围50~150 km内,QV IL≥50 kg/m2会出现降雹,QV IL≥60 kg/m2时可出现大冰雹,QV IL最大可达80 kg/m2;降雹前后,QV IL值一般都较大;QV IL大值区对冰雹落区及强度有较好的指示作用。分析还发现距离雷达50 km以内、150~200 km的范围,雷达回波对QV IL值估计过低,这些区域QV IL≥25 kg/m2时,就有可能产生冰雹,应用时要注意订正。     

上海短历时强降水的雷达和闪电活动特征

用雷达反射率及其导出产品(分层垂直液态水含量(VIL)、分层平均反射率等)与闪电和大气温度层结资料,通过对降水系统时间演变、反射率垂直结构和闪电活动的分析,将上海2010年6—11月的短时强降水(1 h雨量≥20 mm)分为层状暖云型、对流暖云主导型和对流冷云主导型。(1) 与雨强密切相关的关键因子是:低层(0 ℃层以下、高度在0～1 km、0～2 km、0～3 km和0～4 km)的VIL、低层(高度在1～2 km、2～3 km和3～4 km)的平均反射率和整层最大反射率;(2) 不同类型强降水中,高层(高度在0 ℃、-10 ℃和-20 ℃层以上)的VIL、整层VIL、高层(高度在5～6 km、6～7 km和7～8 km)的平均反射率、总地闪和负地闪频次这5个因子对雨强的作用各有不同;(3) 对应不同降水类型的平均反射率垂直廓线具有不同的垂直结构和发展演变特征;(4) 在三类强降水中,对流冷云主导型的雨强与总地闪和正地闪的相关性最好。      

罗莎(0716)台风外围螺旋雨带中尺度结构的双多普勒雷达试验研究

强台风罗莎(Krosa)于2007年10月7日15:30在福建省福鼎和浙江省苍南交界处第三次登陆,登陆期间,"罗莎"外围螺旋雨带恰好穿越宁波和舟山双多普勒雷达同步观测区。利用双多普勒雷达三维风场反演技术对双雷达时间同步探测资料进行风场反演,研究了螺旋雨带的三维风场结构。在螺旋雨带内部低层有多个强回波区。3 km高度以下,在雨带上游,雨带外侧水平速度与雨带夹角较小,内流较弱;雨带下游,水平速度与雨带夹角逐渐增大,内流较强;在雨带内侧有明显的外流。垂直剖面内,雨带外侧低层有明显的内流,气流从雨带外侧2 km高度以下的低层进入雨带;而在雨带内侧存在明显的外流,两支气流在雨带内部低层辐合,在雨带内部形成强回波区;外围螺旋雨带切向速度分量随高度增加而逐渐减小,最大速度区在2 km高度。     

Nexrad:下一代天气雷达(WSR-88D)

Nexrad是正开始在美国全国布网的下一代天气雷达,能提供反射率和径向速度数据,可用于精确、及时地对强烈天气和水文测量提供警报。回波反射率大的动态范围和地物杂波抑制的极高要求是雷达设计中要着重解决的。已经确证该雷达在50km处体反射率检测能力为0.37×10~(-12)m~2/m~3(—8dBZ);天线旁瓣为—29dB,在10°之上可逐渐达到—40dB;扫描时固定地物杂波抑制为54dB;动态范围为95dB。该雷达设计成能远程自动操作,可将回波反射率、平均径向速度和频谱宽度这些基本数据传送到产品生成处理器,在其中由天气轨迹、强烈天气和降水量算法生成显示产品,并通过窄频带线路分配给多用户。     

2014-2020年梧州市短时大暴雨雷达回波特征分析

利用梧州市多普勒天气雷达和自动气象站降水资料,分析2014-2020年发生在梧州市的短时大暴雨天气过程的雷达回波特征.结果表明:(1)大暴雨与45dBz以上的强回波和持续时间密切相关,发生短时大暴雨时,最大反射率因子超过50dBz,45dBz以上的强回波持续时间基本在50min以上;(2)质心高度在2km以下,且维持时...