雨滴谱垂直演变特征的微雨雷达观测研究

雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar,简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据,在对比3种仪器观测结果的基础上,研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明:MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好,且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性,而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1）,液水含量和降水强度随高度降低减小,雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1）,随高度降低,雷达反射率因子增大,小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显,雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%,小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。     

微雨雷达在宁波典型降水过程中的表现特征

利用宁波微雨雷达(MRR)数据,进行仪器观测雨强评估,在此基础上,分析了宁波地区三次典型过程的雨滴谱和降水特征量分布情况,并对降水特征量在雨强预报中的应用做了初步分析。结果表明,MRR具备较可靠的降水观测能力,三次过程中雨滴粒子浓度均随雨滴直径增大而减小。西风槽和梅雨过程雨滴谱基本相似,液态水含量均较小且变化不明显;而台风"黑格比"雨滴粒子浓度更高,粒径范围更大,液态水含量显著提高且随高度降低而减小,粒子有效直径随高度降低明显增大,粒子数浓度明显减小,说明台风中雨滴碰并增长作用较强,大量小粒子相互碰并成大粒子。整层积分的液态水含量和整层平均的粒子有效直径对降水强度预报有较好的指示作用,二者变化均提前于降水强度变化约10min左右。     

利用微雨雷达研究一次冷锋云系降水的垂直结构分布及演变特征

本文利用河北邢台测站Ka波段微雨雷达（MRR）观测到的一次冷锋云系降水过程分析降水的垂直分布及演变特征。将MRR观测结果与天气雷达、地面雨滴谱仪、雨量计观测结果进行对比以检验MRR数据的可靠性。同时将MRR与雨滴谱仪和激光云高仪结合,研究了不同相对湿度阶段特征量、雨滴谱的平均垂直分布特征和降水特征量随时间、高度的演变特征。结果表明:MRR与雨量计及雨滴谱仪累计雨量结果较为接近,趋势一致。MRR 200 m雨强值与地面雨滴谱仪雨强值偏差最小,平均偏差为0.05 mm h?1,相关系数为0.93。相比雨滴谱仪,MRR观测到的小滴数浓度出现高估,大滴数浓度出现低估,中滴数浓度较为一致。降水在云内和云外受不同微物理过程影响,垂直变化特征不同。降水初期平均反射率和雨强在云底以下明显减小,小滴和中滴平均数浓度明显减小,蒸发作用影响较强。而在其余时间段在云内随高度降低平均反射率和雨强略有增加,小滴平均数浓度变化较小,中滴大滴平均数浓度增加,表明云内有云滴与雨滴间的碰并发生。而在云外低层,随高度降低平均有效直径明显增加,平均雨滴总数浓度明显减小,小滴平均数浓度显著减小,大滴平均数浓度显著增加,表明在云外低层雨滴间的碰并作用较强。     

基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别

本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,采用一种新的功率谱处理算法（RaProM算法）,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量,并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等,并对粒子相态进行识别。RaProM算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对RaProM反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示：粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是...     

宁夏六盘山区多年降水的时空变化分析

选用宁夏六盘山区4个代表测站自建站以来至2007年的各月降水资料,用回归、周期和突变分析等统计方法进行分析,揭示了其多年时空变化规律.通过分析,得出了其季、年线性变化趋势和年变化周期及突变点,发现各区域降水存在着不同的变化规律,年降水均呈减少趋势,存在准14 a、11 a等变化周期,并发生了多次突变.     

吉林省一次层状云降水宏微观特征的观测研究

利用长春2004年7月5日一次降水过程的飞机观测资料,结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了本次热带气旋影响下降水过程中云系的宏微观特征.研究表明,降水性层状云微观垂直结构配置可以分为4个发展层:云顶附近是核化和凝华增长区;-4～-7 ℃为云滴和冰粒子活跃增长层;0～-4 ℃为固态粒子聚合及云滴蒸发层;0 ℃层以下是雨滴碰并增长和云滴凝结增长区.2D-P观测的粒子的平均直径、最大直径、峰值直径的峰值集中在融化层附近,与融化层回波亮带对应.用同一种形式的密度分布函数N(r)=mrfexp(-ar br2-cr3)来拟合暖层小云滴、大云滴和雨滴的谱分布,拟合结果与观测的谱分布吻合较好,拟合出的平均直径、均方根直径、数浓度以及含水量与观测值也较接近,相对误差小.     

利用微雨雷达研究伊宁地区一次大雨过程的雨滴谱垂直演变特征

基于伊犁河谷伊宁站内布设的微雨雷达(MRR)、地面OTT-PARSIVEL雨滴谱仪以及雨量筒观测资料,针对2019年9月30日伊宁地区一次大雨过程,对比检验MRR数据的可靠性,在此基础上探究降水不同时期MRR的微物理量垂直分布特征.结果表明:3种仪器观测的降水量较为接近、变化趋势一致,MRR观测的近地面35、70和10...     

2017年夏季六盘山地区一次强对流天气过程 云降水宏微观特征分析

利用常规气象观测资料、Grapes_CAMS模式产品以及卫星雷达遥感资料,对2017年8月11日宁夏六盘山地区强对流天气过程成因、云降水宏微观特征进行综合分析,结果表明:此次局地小尺度强对流天气过程出现在高纬"两槽一脊"环流背景下,主要影响系统为蒙古冷涡、低层切变线、地面风场辐合线;云反演产品与降水云团的发展演变一致性较好,短时强降水初期云顶高度在5-7 km之间,云顶温度低于-30℃,过冷层厚度在4 km左右,黑体亮温低于-30℃;雷达回波表现为典型的强对流回波特征,强对流天气期间各地组合反射率均50 dBz,最强达61 dBz,回波顶高普遍在8 km左右,强对流鼎盛时期45 dBz以上的强回波高度达到7 km左右,4 km高度附近有55dBz以上的强回波中心。当雷达回波朝六盘山山体移动时,回波有明显的加强趋势;Grapes_CAMS模式较好地模拟了此次强对流过程,模式产品显示此次降水云系为冷暖混合云,0℃-(-5)℃层之间有一定的过冷水存在,在-5℃-(-20)℃之间,冰晶数浓度1个/L,含量较少。     

基于雷达资料的一次高原涡天气云降水宏微观特征研究

利用常规天气资料,并结合第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)的毫米波云雷达资料和激光雨滴谱仪雨滴谱资料,对影响那曲地区的一次高原涡天气进行了综合分析,包括天气背景和云-降水水平、垂直结构和演变特征。结果表明:此次高原涡天气形成了涡旋状的云系,从垂直结构看本次过程由对流云演变为积层混合云。对流云阶段,回波多呈小面积的零星稀疏分布,持续时间较短,与此同时还伴有强烈的上升运动,云中正速度区多呈条状或细带状,云顶较高,呈"蘑菇状",此时对应降水强度小,雨滴粒子浓度较低。混合云阶段,回波多呈整齐的片状,回波持续时间较长,云中的正速度区常呈柱状或方块状,近地面1km位置处亮带明显,是由于粒子相态变化造成的,亮带以下降水粒子碰撞破碎,反射率因子明显降低,对应雨滴粒子直径多处于1～3mm,且浓度较大。高原涡过程中不同阶段云所对应的雷达回波结构和降水特征存在明显的差别,本研究可为高原天气预报和物理过程等研究提供一定参考。     

基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究

利用Ka毫米波云雷达与自动气象站降雨资料,研究了西天山地区2019年和2020年5～8月的降雨云宏微观特性。结果表明：(1)降雨主要发生在夜间,累积降雨量集中在21:00(北京时间,下同)至次日07:00,降雨频次和累积降雨量相关系数为0.71。大雨强频次虽最少,但对总累积降雨量贡献较显著。(2)小雨强、中雨强、大雨强平均反射率因子最大值分别为30 dBZ、35.8 dBZ和39.5 dBZ,最大平均液态水含量分别为1.5 g m^-3、4.2 g m^-3和7.3 g m^-3。(3)不同降雨强度对应的反射率因子都有两个集中区域,2.0～4.4 km反射率因子集中在15～26 dBZ,地面附近的小雨强、中雨强、大雨强对应的反射率因子分别集中在24～32 dBZ、29～38 dBZ和31～42 dBZ。1.75 km以下中雨强和大雨强液态含水量小于1gm^-3的频率明显少于小雨强,降雨强度的越大降雨粒子径向速度越集中。     

基于Ka波段云雷达的六盘山顶云特征分析

利用宁夏六盘山气象站2017年9月至2018年8月的Ka波段云雷达观测资料,统计分析了六盘山顶不同云的出现频率及宏观特征.结果表明:六盘山顶云出现频率最高值在7月,为61％,最低值在12月,为26％;按云层数划分,六盘山顶出现的云主要以1层云、2层云及3层云为主,相对总云的月平均出现频率分别为68％—86％、14％—2...     

一次台风外围雨带多普勒天气雷达回波及风场结构分析

使用常规天气资料、卫星云图和长春c波段多普勒雷达资料对2004年7月5日发生在吉林省的一次典型台风外围雨带降水天气过程进行了分析.可看出两种尺度云系的相互作用,整个降水雨带为明显的旋转西进过程.多普勒径向速度图上,低层辐合高层辐散的配置有利于降水的发生发展.另外,低层由于存在摩擦,受台风雨带影响较小,而中高层受台风中α尺度系统和中B尺度雨团的共同影响,两者风场的叠加造成低层偏东风到高层东北风的风向变化.可提高预报的准确率,为人工增雨决策提供可靠依据.     

对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。     

Relationship between cloud characteristics and radar reflectivity based on aircraft and cloud radar co-observations

Cloud properties were investigated based on aircraft and cloud radar co-observation conducted at Yitong, Jilin, Northeast China. The aircraft provided in situ measurements of cloud droplet size distribution, while the millimeter-wavelength cloud radar vertically scanned the same cloud that the aircraft penetrated. The reflectivity factor calculated from aircraft measurements was compared in detail with simultaneous radar observations. The results showed that the two reflectivities were comparable in warm clouds, but in ice cloud there were more differences, which were probably associated with the occurrence of liquid water. The acceptable agreement between reflectivities obtained in water cloud confirmed that it is feasible to derive cloud properties by using aircraft data, and hence for cloud radar to remotely sense cloud properties. Based on the dataset collected in warm clouds, the threshold of reflectivity to diagnose drizzle and cloud particles was studied by analyses of the probability distribution function of reflectivity from cloud particles and drizzle drops. The relationship between reflectivity factor (Z) and cloud liquid water content (LWC) was also derived from data on both cloud particles and drizzle. In comparison with cloud droplets, the relationship for drizzle was blurred by many scatter points and thus was less evident. However, these scatters could be partly removed by filtering out the drop size distribution with a large ratio of reflectivity and large extinction coefficient but small effective radius. Empirical relationships of Z-LWC for both cloud particles and drizzle could then be derived.     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

北京“7.21”特大暴雨云降水结构及云雨转化特征

利用多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和MODIS极轨卫星反演产品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水结构及云雨转化特征。结果表明:降水过程三阶段的云降水垂直结构不同。1)在暖区对流降水阶段,降水以暖雨机制启动,雨滴在暖区存在深厚的碰并增长过程,暖雨过程对降水起主要贡献。随着云体的发展,冷雨过程加剧。T-Re分析表明,-10℃层以下云滴凝结碰并显著,-10℃层以上为深厚的冰相增长带,云顶以冰相大粒子为主,云水向雨水转化迅速。2)在锋面对流降水阶段,降水系统为高度组织化的"低质心"强降水液态MCC(Mesoscale Convective Complex)系统。回波强度在冰水混合层增长较快,冻结层是此阶段成雨微物理的关键层。降水粒子在暖云区碰并增长较快,而蒸发或破碎过程并不显著。3)在锋后降水阶段,0℃层附近冰晶粒子与云水的碰并增长较为明显。前期降水存在明显的雨滴蒸发过程。随着云体的发展,暖区云水含量较少,降水粒子不能有效碰并增长。     

Rainfall Microphysical Properties of Landfalling Typhoon Yagi (201814) Based on the Observations of Micro Rain Radar and Cloud Radar in Shandong,China

The development and evolution of precipitation microphysical parameters and the vertical structure characteristics associated with Typhoon Yagi(201814) are analyzed in the city of Jinan, Shandong Province based primarily on the observations of a micro rain radar(MRR), a cloud radar, and a disdrometer. The precipitation process is further subdivided into four types: convective, stratiform, mixed, and light precipitation according to the ground disdrometer data, which is in agreement with the vertical profile of the radar reflectivity detected by the MRR. Vertical winds may be the main source of MRR retrieval error during convective precipitation. Convective precipitation has the shortest duration but makes the largest contribution to the cumulative precipitation. Collision-coalescence is the main microphysical process of stratiform precipitation and light precipitation below the bright band observed by the MRR. It is worth noting that as Typhoon Yagi(201814) transformed into an extratropical cyclone, its raindrop size distributions no longer had the characteristics of maritime precipitation, but become more typical of the characteristic of continental precipitation, which represents a very different raindrop size distribution from that which is normally observed in a landfalling typhoon.     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

基于滴谱分布的机载雷达波束匹配情况研究

基于机载双频测雨雷达外场校飞试验中获取的有效降水测量数据,利用Ku波段的雨衰系数和等效雷达反射率因子的比值估算了雨滴谱分布参数.在此基础上,通过米散射模拟计算了Ka波段在该滴谱分布下的等效雷达反射率因子,并和机载Ka波段衰减订正后的等效雷达反射率因子进行了比对.结果表明:两者的廓线基本重合,相关系数超过0.95,两部雷达探测的目标物一致,测量的雷达反射率因子的差异主要是由雷达频率的不同所引起的后向散射以及衰减的不同所造成的,波束匹配精度较高.此外,单频滴谱参数的估计依赖于单频衰减订正的精度.机载雷达外场试验中探测的都是弱降水,Ku波段衰减订正不会存在太大的误差,估计的滴谱较为可靠.必须指出的是,精确的参数估计仍然要借助双频雷达的反演方法.     

应用CloudSat和Aqua卫星监测的暴雪过程中云的宏微观物理属性

采用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS及2B-CWC-RVOD数据集和Aqua卫星资料的CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集,针对2010年12月2-4日北疆地区一次暴雪过程分析了云的类型分布、冰粒子等效半径、低层云等效高度等宏微观物理属性的垂直分布及空间分布情况。结果表明,此次暴雪过程中,云层分布在12km以下,云中冰粒子等效半径和冰水含量均随云层高度增加而减少,冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布,高值分布在云层中部5.5km处。北疆地区暴雪前和暴雪后基本为低层云云量小于40%的低值区,暴雪时则为大于60%的高值区,云等效高度暴雪前和暴雪后大多为小于6km值域区,暴雪时为大于6km的高值区。