黄河上游地区雷达测量降水与雨滴谱的对比分析

本利用1999年7月4日～7月16日期间，由青海省人影办和有关科研单位的人员在黄河上游地区开展地面人工增雨试验获取的711数字化雷达资料、雨滴谱资料和地面降水自记资料，对黄河上游地区云层降水的微物理特征和雷达定量测量降水进行了初步的分析和研究。分析研究表明：黄河上河上游地区其雨滴谱分布以多峰型为主，降水的滴谱较宽，对实施人工增雨催化作业较有利，同时拟合出黄河上游地区层状云降水的Z-I关系，可以作为雷达定量测量层状云降水的参考。     

雨滴谱的变化对降水估测的影响研究

选取2013年5月20日发生在广东三水的一次飑线过程作为研究对象,首先结合飑线回波带移经三水及其上空雷达回波的时间-高度分布特征将降水过程划分为3个阶段,然后通过计算各时刻的粒子总数密度、中值体积直径和峰值数分析降水过程雨滴谱的变化,再对Z-R关系(Z=aR~b)进行分析,根据雨滴谱实测资料分别统计整体Z—R关系和3个降水阶段的Z—R关系,在此基础上讨论雨滴谱的变化和雷达观测的回波强度对降水估计的影响。结果表明:中值体积直径在对流云降水阶段和层状云降水阶段基本一致,但对流云降水阶段的粒子总数密度远大于层状云降水阶段;对流云降水阶段以双峰型为主,当降水向层状云类型发展时,多峰谱比例增加;雷达观测的回波强度常低于雨滴谱计算的反射率因子,离地面越近两者的相关性越好;根据3个降水阶段分别进行Z—R关系拟合,即分型Z-R关系,通过相对误差分析可知,利用分型Z—R关系反演雨强的效果明显优于整体Z-R关系反演效果,雨滴谱在层化降水阶段估计的相对误差最小、对流云降水阶段反演精度稍低于层状云降水阶段,这与对流云降水中雨强和雨滴谱谱型变化大且快有关;在雷达观测方面,利用分型Z-R关系反演雨强的相对误差较小而雷达观测的误差在对流云降水阶段较小,当降水向层状云降水转化时,雷达观测引起的相对误差增大,这主要是由于对流云降水阶段中雨滴谱仪和雷达对应的回波强度误差最小,也与雷达观测精度、两种仪器采样的时空差异和雨滴谱特征变化等因素有关。     

珠江三角洲地区两次夏季典型雷电天气系统的雨滴谱特征观测研究

为了进一步研究珠江三角洲地区夏季典型雷电天气系统影响下降水微物理特征,选取2008年6月13日锋面过程和6月25日台风登陆过程所引起的两次降水过程为研究对象,利用Parsivel激光降水粒子谱测量系统获取的雨滴尺度谱和速度谱的观测信息,对这两次降水的雨滴谱特征进行了较深入的分析。结果表明,锋面和台风影响下的两次降水过程...     

雨滴谱仪网数据在雷达定量降水估测中的应用

为了探讨利用雨滴谱数据验证雷达观测的回波强度的偏差和实时拟合反射率因子(Z)与降水强度(R)的关系(即Z-R关系)进行定量降水估测的可能性,以发生在江苏南部的三次大范围降水过程为例,首先分析雨滴谱数据、雷达数据和雨量计数据的一致性,然后利用雨滴谱仪网法和传统方法分别进行降水估测,并对比两种方法的降水估测效果。结果表明:雷达和雨滴谱仪观测的回波强度具有较好的一致性;采用雨量计数据和雨滴谱计算的平均降水强度存在一定差异,但其变化趋势基本一致。相对于层状云降水,两种方法对对流云降水估测的误差更大,对层状云降水的估测,雨滴谱仪网法略优于传统方法,但对对流云降水的估测,雨滴谱仪网法更具优势。总体上,雨滴谱仪网法估测的降水,其偏差和相对误差更小,估测值总量与雨量计观测雨量更接近,估测降水的效果更好。     

Parsivel激光雨滴谱仪观测降水中异常数据的判别及处理

2009年利用Parsivel激光雨滴谱仪连续观测太湖地区自然降水,发现对流云降水采样的粒子谱数据常常包含有少数异常高、低数据.从Parsivel激光雨滴谱仪的测量原理出发,分析了产生测量误差的原因.然后依据3σ准则(莱以特准则)对采集的一次对流云降水粒子谱数据进行分析,对其是否存在粗大误差进行判别和消除.结果表明:异常数据即为仪器测量的粗大误差,消除误差后的数据在表征降雨量、雷达反射率因子等降水特征量时更加接近于仪器自身输出值.同样地将此方法用来分析层状云降水,有利于消减仪器测量中粒子重叠所造成误差.     

层状云数值模式与实际观测研究

改进了一维层状云雨滴分档模式,利用雨滴分档模式在计算雨滴粒子谱型及数浓度自然演变方面中的优势,对吉林省长春市6月21日3个不同时刻的降雨进行了模拟,并与实测资料进行了比较。结果表明,改进后的模式计算稳定,可以模拟出与实际降水谱型相接近的雨滴谱;对于层状云中上升气流速度难以直接测量的问题,通过选用不同的上升气流速度方案,并将计算所得的雷达回波反射率廓线与实际地面雷达观测值相拟和的方法,从而为实现通过雷达回波与模式计算相比较来测量定量降水提供一个新的思路;与实际观测结果比较可知,暖区碰并过程对本次降水的贡献在10%左右,与上升气流的速度有关。     

估算雨滴谱Γ分布三参数的阶矩法研究

利用2014年8月4—23日山西忻州OTT-Parsivel二代激光雨滴谱仪获得的雨滴谱资料,研究了估算雨滴谱T分布三参数的阶矩法。把降水云分为层状云、积状云、积层混合云三种,采用最小二乘法和阶矩法估算雨滴谱,并在现有阶矩法的研究上,提出一种新矩量组合M036与其他矩量一起分1 min、5 min平均和5 mm滑动平均估算雨滴谱样本的均方根误差和误差谱分布,并进行比较,同时研究了不同降水云雨滴谱三参数随雨强R的变化关系。结果表明:阶矩法估算T分布雨滴谱,M036矩量组合代表雨滴数浓度、液态水含量和雷达反射率因子,三个物理量计算方便,物理意义清晰,实际应用中如能通过探测手段获得三个矩量,就能反演得到云中雨滴谱。阶矩法中M036估算最好;估算三种不同时间雨滴谱样本的均方根误差平均值,M036误差最小;分析三种不同时间雨滴谱样本的均方根误差谱分布,M036谱宽最窄,误差集中;估算三种降水云雨滴谱三参数随雨强R的增大而减少;拟合雨滴谱T分布三参数N_0、μ、λ满足二项式分布且相关系数较好。     

大雨滴对雷达定量测量降水的影响研究

根据米散射雷达截面公式,分别利用模拟M-P谱分布和模拟强降水对流谱分布以及实测强降水雨滴谱资料,计算粒子直径6次方之和(Zd)与3.2 cm、5.5 cm和10 cm三种波长雷达的等效反射率因子值(Ze)及二者之间的差值,进而分析其对雷达定量测量降水的影响。结果表明:随着降水强度增大,单位体积内雨滴个数(N)、大雨滴含量和Zd值均增加,对3.2 cm波长雷达,ZeZd且Ze-Zd增大,差值超过2 dB;对5.5 cm波长雷达,Ze由小于Zd值逐渐转变为大于Zd值,差值在±1 dB左右;对10cm波长雷达,ZeZd且|Ze-Zd|增大,差值达-1 dB;在同一滴谱分布下,波长越短,大雨滴对雷达反射率因子测量值影响越大,对雷达定量测量降水影响越严重。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

由雨滴谱型订正雷达测量降水的一种方法

人们在用雷达测雨的近半个世纪中,发现单参量雷达测量降水是有限制的。因为反射率因子Z和降水率R至少取决于雨滴谱分布的两个参量,即雨滴谱的谱宽和浓度。它们与不同类型降水物理过程(雨滴大小分选、破碎、蒸发、凝结和碰并)的巨大时空变化以及局地地形特点有密切关系。致使历来用指数分布: N(D)=N_0exp(-D) (1)拟合得到的Z-R经验关系测雨产生较大误差。最近,Ulbrich(1983),Atlas和Ulbrich(1984)对大量雨滴谱观测结果表明:用gamma谱分布比用指数谱分布表征雨滴谱分布要好,使雷达测量降水的精度可提高22％,并且指数谱只是gamma谱的一个特例(μ=0)。他们认为:gamma谱分布参数μ值取-2≤μ≤3可以代表所有降水谱分布的形状。     

山东三类降水云雨滴谱分布特征的观测研究

利用激光雨滴谱仪2009年8月—2010年10月观测获取的滴谱资料,分析了山东省三类云降水雨滴微结构参量特征及滴谱随降水过程的演变特征。按照降水云系不同分别对各微物理参量进行比较,结果表明,各值由大到小排序依次均为积雨云、混合云和层状云。三类云降水过程中雨强与雨滴数浓度和最大直径间存在较好的相关关系;层状云和混合云降水以直径小于2 mm的雨滴为主,而积雨云降水以1~3 mm的雨滴对雨强贡献最大。层状云降水雨滴谱很窄,呈单峰或双峰型;积雨云降水雨滴谱宽,在大滴端呈多峰结构;混合云降水谱宽介于前两者之间。另外,统计得到该地区三类云降水的Z-I关系式,为雷达定量测量降水提供了一定的参考。     

宁夏平原不同雨型的Z-Ⅰ关系研究

利用天气雷达定量测量降水,最常用的是雷达反射因子法。通过计算宁夏平原7个站1983年6—9月的4618份地面雨滴谱资料,给出了该地区不同雨型间的Z-I关系,并对在该地区使用这些关系定量测量降水的结果进行了检验,平均相对误差在30％左右。     

黄河上游玛曲地区雨滴谱特征的观测研究

为了解决近年来黄河流域水资源短缺的现象,2000年由青海省气象局组织及多个单位合作,在黄河上游进行了人工增雨试验。通过对玛曲地区雨滴谱的分析,推测玛曲当地的雨滴较大,这对在当地实施人工增雨提供了观测依据。另外,通过分析得到当地积云降水的雷达反射率因子和雨强的相关关系式,该公式可以作为利用雷达定量测量高原地区降水的参考。分析发现,虽然高原地区冷雨过程是主要的降水机制,但是暖雨过程仍然对降水有贡献。通过对雨滴谱资料的分析,可以促进对高原地区云物理特征的了解。     

降水回波谱参数估算雨滴谱参数的算法研究

地基遥感雷达反演云中降水参数有助于认识降水云微物理过程,本文提出一种直接由垂直指向雷达回波谱参数估算雨滴谱参数的方法;当雨滴谱满足Gamma函数分布时,联合雷达气象方程、雨滴下降末速度与雨滴直径关系,建立雷达降水回波谱参数反演雨滴谱参数的方程组,采用隐函数显化和级数展开进行方程求解,得到雨滴谱参数估算结果。用正演方法建立检验数据库,使用平均相对误差平均值对近似求解的雨滴谱参数精度进行检验,截距参数为0.83%、斜率参数为3.04%、形状参数为13.60%。对2012年7月22-23日云南腾冲的1320 M Hz雷达垂直波束探测降水回波谱参数进行了雨滴谱参数估算,并与地面激光雨滴谱仪获取的雨滴谱参数进行了比较,两者的平均粒径基本相同。使用风廓线雷达等垂直探测雷达回波谱参数估算雨滴谱参数的方法适用于稳定层状降水云。     

广州地区汛期强降水的微物理特征

分析了广州地区从化测站１９９４年６月份的雨滴谱资料，发现造成华南特大洪涝灾害的６月份降水的特点是：降水时间长，雨强、雨滴浓度、尺度均较大，最大雨滴直径为６．５ｍｍ，最大雨强为１５５．０６ｍｍ／ｈ。另外，按天气系统、降水性质综合考虑分类，把降水分成５大类，提供了一组可供雷达定量测量降水时参考和应用的Ｚ－Ｉ关系。     

降雨型滴谱与反射率因子及雨强关系研究

利用C＋＋Builder对激光降水粒子谱仪的原始雨滴谱数据进行解码,应用M-P分布对2008年6月8—9日庐山的一次降雨过程进行拟合。结果表明,M-P分布的拟合曲线与雨强有关,但不利于对比分析雨滴谱。以无量纲粒子直径和无量纲粒子密度分布的自然对数为自变量和因变量,建立M-P分布、线性最小二乘拟合、Γ分布的雨滴谱拟合关系式,通过误差分析得到Γ分布相对最优。比较雨滴谱反演的回波强度和南昌雷达观测取样点上的回波强度,发现它们随时间的变化趋势大体一致,但反演的回波强度略大于雷达观测。按平均直径、中数体积直径对降雨进行分类,分别建立层状云和对流云降雨的反射率因子和雨强之间的关系式（Z-I关系式）,2种降雨类型关系式的系数存在明显的不同。     

两次降水过程的微降雨雷达探测精度分析

垂直指向微降雨雷达(MRR)能够测量从近地面至高空的雷达反射率因子和雨滴谱分布特征,对认识降水微物理结构,改进雷达定量降水估计精度有重要作用。为评估MRR探测的雨滴谱分布、降水和雷达回波精度,利用南京地区夏季观测的两次降水过程,将MRR与业务S波段天气雷达、二维视频雨滴谱仪、常规雨量筒观测进行层状云降水和对流性降水下的定量对比分析。结果表明,MRR垂直探测的雷达反射率因子与S波段雷达观测在中低层(＜4 km)平均差异＜1 dB, 但高层(＞4 km)出现显著低估,且该现象随降水强度增强更明显,这主要是雷达回波衰减导致。MRR在回波强度＜35 dBz时对降水率的探测精度较高,但在＞35 dBz时低估降水。其中,层状云降水的降水率比对流性降水更接近雨量筒观测。常规雨量筒对0.1 mm以下的降水无探测能力,而MRR探测敏感度较高,对于微弱降水率的估计效果也很好。由于MRR最大探测范围的限制,相对于2DVD而言,MRR探测的最大粒子直径低估、最小粒子浓度高估,但在中间段的探测效果和2DVD雨滴谱观测一致性较高。总体而言,MRR是一个有效的降水探测仪器,其探测结果在层状云降水过程中优于对流性降水过程。     

拉萨夏季一次典型降水过程雨滴谱特征及Z-I关系分析

研究降水滴谱特征和谱分布对了解高原降水的微物理特征、雷达定量估测降水以及科学实施人工增雨作业尤为重要。本文选取2018年7月8—9日拉萨夏季一次典型降水过程，利用DSG5型降水现象仪和地面小时降水资料分析了高原夏季对流云和混合云降水的雨滴谱分布特征及〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系。结果表明：降水现象仪和翻斗雨量计的降水变化趋势较为一致。对流云降水中2.0~3.0 mm的降水粒子对雨强的贡献最大，混合云降水雨强的主要贡献者是1.0~2.0 mm的粒子；混合云降水阶段的雨滴谱数浓度比对流云大一个量级。对流云和混合云降水的雨强与雨滴的质量加权平均直径和数浓度密切相关。拉萨地区雨滴谱适合〖WTBX〗Γ〖WTBZ〗分布，其拟合谱参数与青藏高原其他地区的差异表明高原地区雨滴谱分布存在时空差异；混合云降水谱参数〖WTBX〗N0、μ〖WTBZ〗和〖WTBX〗λ〖WTBZ〗与雨强的变化趋势相反。混合云降水〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系的系数和指数均小于对流云降水。应用标准〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系，对流云降水阶段雷达低估降水强度；混合云降水阶段，当雨强<2.3 mm雷达低估降水，否则雷达高估降水。     

测雨微波辐射计与雷达联合观测实验

如何定量地测量降水,为人们所关切。雨是大气中的热辐射源,因此微波辐射计可以作为检测降水的工具;微波辐射计在测量某方向上大气中降水的总量,已取得了成效,但是对于降水分布测量尚有缺陷。雷达测量雨的反射回波,并能探明降水的分布。但是由于雨滴谱等参数的不定性,给探测雨强方面带来较大的误差。若将微波辐射计和雷达联合测雨,必能提高测量雨强分布的精度。为此我们研制了测雨(3cm)微波辐射计,将     

确定风廓线雷达功率谱噪声功率方法

风廓线雷达以测风为主要目的设计,没有充分考虑强度的定量测量。如果能够实现强度定量测量将大大扩展风廓线雷达的应用范围。首要的扩展应用就是可以获取雨滴谱分布、解决降水定量测量准确性问题。若实现强度定量测量,需要解决的一个关键技术问题是如何由其功率谱数据准确计算噪声功率。该文根据风廓线雷达功率谱估计方法、依据噪声频域统计特性,提出了一种计算风廓线雷达功率谱噪声功率的方法,并利用风廓线雷达实测功率谱数据进行检验。检验结果表明:即便在有降水或存在地物时,该方法仍可以准确、快速分辨出噪声功率谱, 且客观有效。