雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅱ：数值模拟试验

将反演的云微物理量和垂直速度采用"牛顿连续松弛逼近"(Nudging)技术应用到GRAPES模式中,对一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。通过设计不同的试验方案,分别对水汽、液态水和垂直速度对Nudging效果以及预报结果的影响进行了考察。研究发现,采用Nudging初始化方法,可使背景场与观测反演资料相协调,实现了模式中对流的热启动,模式预报的开始时刻就产生降水,缩短Spin-up时间。水汽对降水至关重要,对降水的强度和持续时间都有重要影响;云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水;水平风场决定了系统的移动方向,对预报降水的落区有重要影响。模式比较成功地模拟了6 h的降水过程,中尺度天气系统的时空特征比较明显,对流中心上升速度最大值约2.0 m/s,云水含量400 hPa以上较大,最大值约1.5 g/kg,雨水含量500 hPa以下较大,最大约3.0 g/kg,底层辐合高层辐散。反演资料对降水的影响随预报时间的增加而减弱,预报1 h之内反演资料有明显影响,3 h之后的预报则主要依赖模式自身。鉴于仅使用一部雷达资料的反射率因子资料,雷达资料没有覆盖整个模式区域,天气系统被截断,反演和同化过程还采用了一些经验参数方法等原因,数值模拟结果与雷达观测之间还存在一定的差异,有待于更深入的研究。     

CINRAD/CD雷达反射率因子同化对中尺度数值模式云微物理量场调整的分析

以ARPS模式及其资料三维同化系统ARPS3DVAR和复杂云分析模块为研究平台,使用贵阳多普勒雷达的体扫观测资料,分析了雷达反射率因子资料对云微物理量场的同化问题及雷达资料质量控制对同化的影响.结果表明,数值试验中两个不同的云分析方案都能同化出合理的云水场和水凝物场,同时因为水凝物场的调整,位温场和垂直速度场也得到了很好的响应;与没有使用云分析方案的试验比较,使用了云分析方案同化雷达资料的试验,在初始时刻能够调整出一个合理的云微物理量场,减少模式的热启动时间;而没有使用云分析方案的试验在2～3 h后才能调整出一个位置有较大偏差的水凝物场,雷达反射率资料的同化在强对流风暴的模拟中起到了一个非常关键的作用.     

C波段雷达反射率因子在CMA-GD模式中的应用

使用CMA-GD模式及云分析系统,引入云南C波段多普勒雷达反射率因子资料,对2019年7月9日过程进行模拟试验,分析引入反射率资料对模式初始场和降水过程预报的影响。（1）引入反射率后,云中和底部的云量有所增加。水汽在900～200 hPa有大范围增加,能有效地调整降水区域的水汽分布。对模式顶层温度的调整较大,而对风场的影响较小。（2）引入反射率后,对3 h内降水强度及落区有较大改善,4～6 h的预报有所改善,7 h以后改善不明显。（3）引入反射率资料后,1～4 h大气可降水量增量较明显,5～9 h增量较前4 h明显减小。（4）在河口上空云水和水汽在950～400 hPa增加,霰、云冰和云雪在600～400 hPa增加,雨滴在1 000～500 hPa增加。水凝物增加,有利于河口站降水的发生。     

中尺度模式和新一代天气雷达产品识别云降水方法

介绍一种结合中尺度模式产品和新一代天气雷达产品的云降水识别方法。首先利用中尺度模式(MM5)产品计算得到降水潜力区识别因子,分析降水潜力区。进一步结合新一代天气雷达产品,分析潜力区内云团的降水参数,确定有利于降水的云团。分析结果表明,潜力综合指标对未来可能出现的具有大量水资源的对流性系统具有指示意义,可以用于分析对流性系统的降水潜力;另一方面雷达降水等级是对实际对流云团水资源等级的划分。综合这两者进行降水潜力的分析判别,可以增强降水云的识别能力。     

35GHz云雷达反射率因子数据的质量控制

大气非云粒子(气溶胶、昆虫、悬浮物)以及雷达元器件固有噪声,是影响云雷达定量探测大气云层宏观以及微观产品的重要因素。为了剔除云雷达基数据中的散点噪声对数据质量的影响,本文利用新一代多普勒偏振8.6 mm云雷达资料,基于模糊逻辑识别地物的方法分析雷达散点噪声、气溶胶以及大气云粒子的反射率因子回波的统计特征,通过统计的特征值对反射率因子进行分类,保留正常回波数据。结果表明:该方法能较好区分云粒子回波和非云粒子回波,提高云雷达反射率因子的数据质量。     

用多普勒雷达反射率调整模式大气的云微物理变量

一种简单云分析方案, 用于由多普勒天气雷达反射率反演中尺度大气模式初值分析中的云微物理变量（云水混合比和雨水混合比）和空气湿度变量（比湿）,使模式积分初始场反映出观测空间的云微物理特征以及哪些空间位置上的大气处于饱和状态。应用于2002年6月梅雨期安徽省马鞍山市一次降水过程的临近数值预报试验结果表明,模式预报的大气综合反射率与雷达观测的回波图像相近,由云微物理变量变化表示的模式云系演变与雷达观测的回波图像一致, 伴随模拟的中小尺度云系, 模式大气能很快调整出合理的中小尺度流场辐散、辐合结构;它们明显好于模式初始场不引入雷达反射率时的结果,即这种方法对改进临近数值天气预报准确率是有效的。     

基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段,但随着运行时间的增加,雷达发射机、接收器等参数的变化,会使观测数据产生漂移偏差,从而对云物理特性的反演产生显著影响,因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar,K波段云雷达）云雷达特征,本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进,优化了对弱云和降水的信号识别,利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子,气体衰减校正等数据,对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准,建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库,并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义,同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

3mm多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究

垂直指向的W-波段大气云雷达(WACR)不仅测量云粒子的反射率因子Z,而且测量多普勒速度谱.本文利用寿县气象站WACR在2008年11月1日一个时段的测量,进行云内空气垂直速度反演试验.首先讨论个例中反射率、Doppler平均速度及谱宽的分布特征及原因,然后利用小粒子示踪法和改进的以小粒子示踪法为基础的粒子下降速度ω0-反射率因子(ω0-Z)关系法反演了云内空气垂直速度,进而结合Doppler谱数据分析反演结果.结果显示:小粒子示踪法在湍流较弱时能比较精确地反演空气垂直速度,而湍流较强时,湍流造成的误差不可忽略;改进算法在湍流较强时能够减少湍流对反演结果的影响.     

毫米波云雷达及探空反演的云垂直结构对比分析

利用2021年9月9日—2022年1月31日泾河国家基本气象站毫米波云雷达（简称云雷达）的反射率因子及L波段探空雷达的温度、相对湿度数据,根据时空匹配方法,对比分析了二者探测和识别云的垂直结构特征（包括云底高度、云顶高度、云层数）的一致性。结果表明：云雷达和探空数据对低、中、高的单层云、双层云及临近降水云的垂直结构的识别结果基本一致;二者对于单层云的云底高度以及双、多层云的云顶高度识别一致性更好,探空识别的云底高度整体略高于云雷达的。引起二者识别云层数不一致的原因：一是因为低层相对湿度较大以及探空识别云算法的敏感性;二是当云体的结构松散时,加上探空漂移作用导致二者识别的云体不一致。在二者识别云层一致的情况下,识别单层云的垂直结构的差异是由于探空仪在低温条件的低敏感以及云雷达对高层薄云的探测能力引起;对于双层和多层云,主要是由于时空匹配方法对于短时间内垂直结构显著变化的云的识别还需要进一步改进。     

多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的应用

将国内新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ的9个仰角的原始反射率和径向风资料应用于中尺度模式ARPS(the Advanced Regional Prediction System),通过对2007年7月18日济南短时特大暴雨过程的个例研究,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,同时利用雷达反射率和径向风资料改进过的初始场能明显改善中尺度数值模式短时定量降水预报。对比风场发现,雷达径向风调整后在初始场中出现明显的中小尺度特征,能减少模式的spin-up时间。随着积分的进行,对水汽场的调节也有一定作用,但相对于风场调节不够显著。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含量。积分开始后,对风场调整也很显著。此次模拟,控制试验较好地预报出雷达回波的分布和水汽中心,对应的降水落区与实况也较为接近,但对雷达回波中心强度的预报略大,相应地降水量的预报也偏大。     

CAMS云分辨模式系列的研制和应用

该项目的目标是研制三维、复杂云物理的层状云模式，用于人工增雨和降水预报；研制三维、复杂云物理和地形的对流云模式，用于强对流预报和人工增雨防雹；研制中小尺度云分辨模式，用于研究α、β、γ中尺度云群的宏微观结构和演变规律；研制云辐射模式，研究辐射对云和降水的影响。该项目4次得到自然科学基金的支持，1999—2003年得到国家973项目“新一代数值预报模式的理论和方法研究”课题的支持。由中国气象科学研究院胡志晋、周秀骥、楼小凤、刘奇俊和北京大学赵春生以及秦瑜、刘玉宝、刘公波、何观芳等同志在15年内完成。     

基于雷达回波外推和中尺度模式预报的短时降水对比分析

针对2011年夏季北京四次不同类型的降水过程,利用雷达临近预报算法MTREC和中尺度数值预报系统BJ-RUC对不同类型降水的短时预报能力进行了对比分析,并总结了两者的预报性能及特点。结果表明:(1)从降水预报偏差看,对于不同类型的降水预报,在研究的降水时段内,MTREC和BJ-RUC均表现为降水预报偏强。MTREC对四次降水过程的预报偏差较为平稳,而BJ-RUC随过程差异变化较大。(2)从降水预报落区看,MTREC的预报准确性随降水过程差异明显,降水系统范围越大,预报准确性越高。而BJ-RUC总体上表现平稳,对局地对流性降水的预报能力仍然有限。(3)从整体预报性能看,对于0~6 h降水预报,MTREC和BJ-RUC在预报性能上存在交叉点。交叉点的出现时间因降水过程而异,降水范围越大、组织性越强,交叉点出现越晚。     

云模式预报雨量与雷达估测雨量及自动站实测雨量比较

利用2007--2008年1—12月国家气象中心GRAPES云模式预报雨量资料,及同期江西区域天气雷达估测雨量及自动气象站实测雨量资料,比较其基本统计与地理分布特征,并对其进行相关计算与结果分析,选取129个数据样本,计算分析它们之间的复相关性,并对其计算误差进行比较与分析。结果表明,三种雨量的复相关性较好。GRAPES云模式预测的时雨量值最大,比雷达估测的时雨量值及自动站实测的时雨量值偏大,自动站实测时雨量值次之雷达估测的时雨量值偏小。     

单多普勒天气雷达反演降水粒子垂直速度Ⅰ：算法分析

针对多普勒雷达风场反演的体积速度处理(Volume Velocity Processing,VVP)方法中系数矩阵的病态问题,从数学上进行了分析和论证,对反演的误差进行了敏感性分析,并对垂直速度的求解方程作了改进。系数矩阵的条件数将随着待反演参量的不同而差别很大,通常的处理方法是舍弃量级较小的参量,通过对误差范数的分析,证明这种处理尽管存在模型误差,但能够降低求解难度和结果误差。对系数矩阵病态原因的分析发现,系数矩阵矢量的线性相关造成了矩阵奇异,当合并或舍弃线性相关项时,待反演参量会受模型误差的影响,并且这种模型误差的大小并不仅与待反演参量的量级有关,而且随着位置的不同而改变,但是部分待参量仍然可以保持准确值。在对VVP算法误差分析的基础上,分析并验证了舍弃部分参量时的反演误差,改进的算法为准确反演降水粒子的垂直速度提供了理论基础。     

雷达和卫星资料在中尺度模式中的初步应用

本文利用非静力中尺度模式MM5对1998年7月20日－21日发生在湖北东部地区的特大暴雨过程作数值模拟，同时将不同时间的雷达和卫星资料适时加入模式改变当时模式中的水汽场，并与控制试验进行比较分析，结果表明：加入雷达和卫星资料后的数值模拟，由于修正了暴雨区及其邻近区域对流层中低层水汽场，雨区位置和雨量中心值比仅用探空资料的控制试验更接近实况。雷达与卫星资料引入模式对于24小时降雨产生的效果不同，雷达资料的影响是局部的，范围较小，卫星资料影响范围较大，而且适时加入雷达、卫星资料能够及时通过水汽场修正，使24小时预报的雨区范围和中心强度与实况更加接近，而二者结合起来的效果与降水系统的特征有关。     

基于毫米波雷达观测及探空反演的云垂直 结构对比分析

针对北京南郊观象台的Ka波段毫米波雷达以及L波段探空设备的观测原理和特点,提出了适用于各设备的云垂直结构判定方法,并基于二者2016年12月13日至2017年3月13日长达91 d的时空同步观测数据,结合激光云高仪、葵花8卫星、全天空成像仪等多源辅助数据,对探空与毫米波雷达观测结果(包括云底高、云顶高、云层数等)进行了...     

基于雷达资料的云分析在冰雹云短时预报中的应用

通过ARPS/ADAS云分析系统将雷达反射率因子信息引入到模式的初始场中,并结合中尺度数值模式模拟研究了2008年6月23日发生在北京周边地区的一次冰雹天气过程。结果表明:在初始场中引入雷达反射率因子信息之后,改进了初始场中水凝物信息和温度场,使得初始场更加符合实际大气状况;与未进行云分析试验比较,云分析之后,模式模拟对于雹云产生位置、强度以及移动路径有明显改进,其中3h之内的模拟效果最好;降水降雹提早1h发生,并且降水降雹的峰值也提前出现,明显减少模式spin-up时间。     

多普勒雷达反演技术及雷达资料在数值模式中的应用

近几十年,多普勒雷达资料,在强对流天气一监测及预报中广泛应用。随着我国新一代天气雷达网的建成,如何充分利用其探测资料,成为气象工作者关注的问题。该文分析和总结了国内外多普琳雷达反演技术研究和雷达资料在数值模式中的应用和同化研究现状,并作了一些讨论。     

垂直探测雷达的降水云分类方法在北京地区的应用

风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体进行垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。利用多年降水天气统计资料,针对北京延庆地区降水特征,提出了基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)的降水云分类方案。该方案将降水资料分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云、混合—排除和混合—包含等六种降水类型。根据该方案,利用风廓线雷达结合双偏振雷达和自动雨量站观测资料,对2012年9月1日和2013年6月27日发生在延庆地区的两次降水天气过程进行了分析。结果表明,风廓线雷达谱参数垂直廓线可以较好的描述降水云体的垂直结构,回波强度廓线发展趋势与地面降水量趋势吻合较好。当降水存在对流时,地面降水量出现明显增大,同时伴随着大速度值区和高空大谱宽值区。利用基于风廓线雷达的分类方案识别降水云,可以降低降水类型误判的几率。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。