GPM卫星双频测雨雷达探测降水结构的个例特征分析

全球测雨卫星（GPM）携带首部Ka和Ku波段测雨雷达于2014年2月发射升空,继热带测雨卫星（TRMM）的单频测雨雷达探测后,实现双频测雨雷达（DPR）探测。本文基于DPR不同波段及不同方式探测反演给出的四种降水产品[Ka波段高精度探测（KaHS）、Ku波段探测（KuPR）、Ka匹配方式探测（KaMS）和Ka及Ku双频联合探测反演产品（DPR_MS）],对2014年的四个降水个例的降水结构特征进行了分析,并就DPR探测波段、扫描方式及反演算法所引起的降水产品中降水结构特征差异进行了比较与讨论。结果表明,所选四个个例分别位于中国东部、西北太平洋区域、风暴轴区域以及美国本土,四者发生背景及降水特征差异显著,但表现出了较为一致的产品差异特征。KaHS的回波顶高度最高,比KuPR高约0.1 km,其对弱降水（小于0.5 mm h-1）的观测性能好,但对10 mm h-1以上的强降水存在严重低估。KuPR继承了TRMM测雨雷达（PR）对强降水的观测性能,但受频率限制对0.5 mm h-1以下的弱降水观测能力有限。KaMS的整体降水强度分布与KaHS类似,但受高回波阈值限制,KaMS漏掉了大量弱降水样本,对强弱降水的观测性能均有限,且其平均回波顶高度比KuPR可低约1 km,常将融化层误判为回波顶高度,故不适宜单独使用。DPR_MS的降水反演算法具有独立性,对强降水和弱降水的反演能力都较强,而其回波顶高度主要继承于KuPR的回波顶高度。此外,DPR_MS双频反演的粒子谱最为合理,揭示了西北太平洋区域台风个例两侧眼壁粒子谱的不均匀性。     

基于GPM卫星探测的夏季高原涡降水结构特征

利用GPM卫星的双频反演产品DPR_MS和ERA5再分析数据,对2016~2020年夏季青藏高原上空能被GPM卫星探测到的32例高原涡降水特征进行研究。结果表明：（1）高原涡在高原上降水强度偏小,绝大部分低于2 mm/h,雨顶高度主要在6~9 km。降水类型以深厚弱对流为主（占59.64%）,其次是浅薄降水（占40.35%）,深厚强对流极少。（2）高原西部降水涡绝大多数为深厚弱对流、平均雨顶高度明显高于东部涡,但东、西部涡的平均降水强度没有明显差异。浅薄降水频次呈“东高西低、北高南低”的空间分布特征,深厚弱对流降水则相反。（3）深厚弱对流降水受高原涡强上升运动影响显著,在6.5~7.5 km高度有大量有效半径为1.1 mm的雨滴粒子堆积,近地面较强降水（7 mm/h）的雨滴破碎过程明显。浅薄降水的反射率因子在各个高度持续增大,其地面降水主要由雨滴粒子碰并形成,地表雨强受雨滴浓度影响明显。     

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。     

基于双频星载降水雷达GPM数据的华南地区降水垂直结构特征分析

华南汛期作为我国雨季爆发的第一阶段一直是预报与研究的热点问题,对其降水-云宏微观垂直特性的认识还不够深入。双频星载雷达资料对强、弱降水三维探测进行优化,并补充对洋面降水的探测。借助这两方面优势,对华南对流性、层云性两类主要降水类型的垂直特征进行统计,分析降水反射率因子与降水粒子垂直分布、亮带特征与垂直分层降水贡献,对比华南陆地在回波顶高方面与南海洋面的异同,最后针对华南前后汛期的降水垂直分布特征进行分析。(1)对流性降水反射率因子快速增长区域主要发生在低层,层云性降水反射率因子快速增长区域位于亮带层附近。(2)当发生强降水时,对流性降水的粒子浓度并不是总高于层云性降水,但前者粒子半径大于后者;强层云性降水往往来自于大小均一的粒子聚集,并没有形成更大直径的液滴。(3)华南陆地回波顶高季节变化较南海洋面强烈,浅薄对流降水发生频率受季风影响从春至秋存在先增后减特征,深对流发生频率在夏季增幅显著。南海地区回波顶高虽无明显季节变化但在3 km和5.5 km存在明显的双峰特征。(4)前汛期对流性降水的高浓度、大尺度的粒子更利于向更高高度发展,而层云性降水粒子浓度及半径的垂直分布在华南前后汛期无明显...     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明：卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。

     

GPM卫星反演降水产品在江苏地区的适用性

以江苏省70个地面雨量站分钟观测数据为基准,对比分析了一个完整年周期GPM卫星搭载的双频降水雷达(DPR)反演降水产品精度。结果表明DPR常规模式(NS)、匹配模式(MS)和高灵敏度模式(HS)扫描产品反演降水与地面雨量计观测数据均在过境后几分钟内达到最佳匹配效果。以NS产品为例,全年反演降水均方根误差大致为2mm/h,相关系数在0.5以上,相对偏差为-20%左右。并且降水产品在夏季反演精度最高。对反演误差进行初步分析发现,卫星反演降水率算法精度对校正因子ε有非常强的敏感性,并且选择ε值的算法约束不足会导致最终计算求解模块SLV的路径积分衰减PIA值异常,引起极端降水反演的误差。     

X波段全固态天气雷达降水探测能力的研究

以中国气象局大气探测重点开放实验室的X波段全固态天气雷达为试验平台,介绍了雷达距离探测分辨力满足50 m的条件下,通过组合探测模式弥补宽脉冲造成的雷达近场探测盲区;重点分析了由脉冲压缩引入的距离副瓣对气象回波强度探测范围的影响,通过计算说明双向加权是在牺牲峰值发射功率的代价下较大程度地改善主瓣能量泄露,但这种方法并不适宜峰值功率与压缩比有限的应用。进一步引入了自适应旁瓣抑制方法,模拟表明该方法峰值旁瓣抑制能力近似为-50 dB,且主瓣展宽系数接近于1。并与经典的匹配方式和汉明加权失配滤波方式进行了试验对比,弱信号探测改善约4 dB;最后在分析雷达最远探测距离的基础上,通过一次外场观测案例与713型雷达对比了降水探测能力,该固态雷达能够探测150 km范围内强于10 dBz的降水回波。     

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明：卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。     

一次强降雪的雷达PPI速度图像分析

通过对2003年3月20日赤峰南部地区普降暴雪的雷达PPI速度图像进行分析，结合雷达探测基本原理和在大尺度天气过程中PPI速度图像的分析原则，总结出新一代天气雷达在大尺度降水天气过程中的PPI速度图像特点，供大家参考。     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

台风“温比亚”影响山东期间GPM资料的降水分析

为研究GPM（Global Precipitation Measurement）资料对台风雨带降水结构的探测能力,利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018 年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。结果表明：台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水;台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度,基本在7 km以上,最大雨顶高度达到15 km;台风螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主,其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系,对流云的平均降水率是层云的3倍左右,对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区;台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比,具有数量多、密度大、高度高的特点,这与台风螺旋雨带中对流发展旺盛有关;2A DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。研究结果为用GPM产品估测降水结构提供了参考依据。     

GPM日降水产品在中国大陆的准确性评估

以中国2423个地面气象站点的降水传感器观测数据为基准,采用定量统计指标（相关系数R、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、相对误差RE）以及分类统计指标（探测率POD、误报率FAR、虚报漏报率Bias、风险评分ETS）,从不同空间尺度、不同时间尺度和不同降水强度三个维度,分析了GPM降水产品的观测准确性,以探究GPM卫星降水产品在中国大陆的适用性。结果表明：从不同空间尺度特征看,GPM降水在全国范围均呈现较高的观测准确性,72%的站点R值超过0.7,在华东地区最好,西北区相对较差;全国大部分区域都为正的相对误差,各区RE集中分布在0～20%。不同高程带内的准确性显示,GPM产品对降水的高估情况在低海拔（＜2000 m）、高海拔（＞4000 m）地区较为明显,在中海拔地区（2000~4000 m）GPM降水数据适用性相对较好。从不同时间尺度特征看,GPM降水产品与降水传感器实测降水年总量分布上较为一致,两者的R为0.75,但在量值上存在一定程度的偏差,RMSE为6.15 mm·d-1。从逐月结果看,GPM降水产品与地面降水传感器的一致性在1—10月表现较好,R均在0.7以上,11、12月略低,夏季误差值比冬季大。从不同降水强度特征看,POD随着降水强度的增加而降低,GPM降水产品对“中雨”强度降水事件的整体探测能力较优,而在“小雨”和“暴雨”的探测能力稍弱。     

A Recognition Method of Hydrometeor in Tropical Cyclones by Using the GPM Dual‐Frequency Precipitation Radar

In this paper, we propose a fuzzy logic algorithm to recognize the types of hydrometeors by using ka and ku reflectivity factors, temperature thresholds and an asymmetric t-form membership function. the identifiable types of hydrometeors include snow, graupel, mixed-phase particles, large raindrops, and small raindrops. the reflectivity detection data of ka and ku with attenuation correction is from dual-frequency precipitation radar onboard the global precipitation measurement satellite. the temperature data from the European Centre for medium-range weather forecasts are used to identify the hydrometeors. and the identified hydrometeors are compared with the vertical profiles of phase from official level-2 DPR products. the results show that the identified hydrometeors are reasonable and reveal the evolution process of tropical cyclones, which can befurther applied to the study of precipitation microphysical process and artificial precipitation.     

双偏振雷达评估IMERG对不同类型降水的观测精度

采用地面雨量计校准后的南京信息工程大学 (Nanjing University of Information Science & Technology, NUIST) C波段双偏振 (C band Dual Polarization Radar, NUIST CDP) 雷达降水估测数据,研究全球降水观测 (Global Precipitation Measurement, GPM) 计划多星融合降水产品 (Integrated Multi satellite Retrievals for GPM, IMERG) 对苏皖地区梅雨、台风和飑线等不同类型降水观测精度,结果表明,①梅雨降水过程中,IMERG的累计降水量整体大于NUIST CDP的累计降水量;②台风降水过程中,IMERG一定程度上低估了累计降水量较大时的降水结果;③IMERG不能很好地观测到飑线降水的空间结构,几乎没有观测到这次降水过程中的强降水区域。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

利用X波段双极化雷达和地面自动雨量站数据对北京地区2009年夏季降水进行分析,先采用低通滤波、衰减订正等方法对数据质量进行控制,提取了单位差分传播相移Kdp之后,分别拟合出X波段双极化雷达参数与降水之间的两个关系式:Zh=159R1.37及R=13.9Kdp0.81,最后再分别利用这些拟合公式对北京地区进行降雨估测。结果表明:雷达用这两个公式估测的降雨量与地面实测降雨量有较好的一致性;且当每小时降雨量大于10mm时,Kdp-R的估测比Zh-R估测更稳定、准确;通过平均标准差统计可知,Kdp-R估测精度明显高于Zh-R估测精度。     

TRMM卫星降水数据在天山山区的校正方法研究

本文基于全球降水观测(Global Precipitation Measurement,GPM)及天山山区40个气象站点数据,提出了一种新的热带降水测量任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星数据误差校正方法(MERGE),并与广泛使用的地理差异分析(Geographical Different Analysis,GDA)方法进行对比,通过交叉验证来评价两种方法对山区年/月降水的校正效果。结果表明,MERGE方法不仅能提高TRMM的空间分辨率(0.05°),且在年(平均Bias降低了21%)、月(平均Bias降低了37%)尺度上的校正结果都优于GDA方法;校正后TRMM降水的误差在不同月份存在很大差异,即在降水较多的雨季(4—10月)误差较大(MAE3mm),而在干季(11月至次年3月)误差较小(MAE3mm)。MERGE方法不仅能有效改善高海拔地区的降水误差(平均误差降低了59%),且对原始TRMM数据的依赖性较小(R2=0.47),即使在原始TRMM数据表现不佳的局部区域,也能有效降低其误差。     

GPM反演降水数据IMERG在浙江省的适用性研究

【目的】为了研究全球降水测量计划（GPM）综合多卫星检索降水产品（IMERG）在浙江省的适用性。【方法】以浙江省为研究区域,基于浙江省自动观测站降水数据,利用相关系数、均方根误差、相对偏差、分类指数统计法分别从年尺度、季尺度、月尺度、日尺度以及小时尺度GPM在浙江省的适用性。【结果】（1）春、秋、冬季的GPM和自动站对应效果远好于夏季,月尺度、日尺度、小时尺度下GPM和自动站降水数据对应效果较好,但整体上存在高值区略低估、低值区略高估现象;（2）年尺度与季尺度下GPM与自动站降水平均值的变化趋势一致,但GPM降水平均值较高,其中秋季表现最好;（3）年、月、日3个尺度下,尺度越精细化,相关系数越高、相对偏差越小,均方根误差越小;小时、日、月3个尺度下,降水阈值越低,产品尺度越粗糙,估测能力越高;降水阈值越低,产品尺度越精细,误报降水的比例越低;降水阈值越低,综合探测能力越高;（4）在小时尺度下,在0.5~1 mm·h-1区间,GPM虽然对降水事件略有高估,但拟合效果较好。【结论】综合来看,GPM日尺度降水数据产品精度在浙江省有较大应用潜力。     

2008年初\

2018年1月3-5日安徽省发生一次特大暴雪过程,其降水强度大,最大累积降水量达71 mm;降雪后低空和地面温度偏低,积雪深度较大,最大积雪深度超过40 cm,并产生雨雪冰冻灾害。首先使用常规观测资料分析该过程特大暴雪实况,再结合双偏振雷达观测数据,判断融化层高度和降水粒子相态。结果表明：（1）阜阳双偏振雷达观测记录了此次特大暴雪过程,其零阶滞后相关系数（CC）产品的低值区与融化层基本吻合,使用反射率因子（dBZ）、CC和差分反射率（ZDR）产品可清晰判断出融化层高度,并推断出大气中降水粒子的属性;（2）双偏振雷达使用模糊逻辑法提供融化层产品（ML）和粒子相态分类产品（HCL）,其与使用双偏振雷达基本产品主观判断的融化层高度和粒子相态基本一致,与实况观测基本相符;（3）双偏振雷达的ML产品和HCL产品对冬季降水粒子的探测和降水相态的判定有一定的参考价值。