边界层风廓线雷达对登陆台风观测适用性评估

利用2014—2019年6个台风合计34组数据,通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比,分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明：有30组数据完整度高于80%,且平均标准差为3.64 m·s-1,平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好,均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征,其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现,数据质量得到提高。从空间分布看,低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域,但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看,未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限,但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

边界层风廓线雷达发射机放大链路设计与实现

依据中国气象局《风廓线仪功能规格需求书》要求,参考国内外固态发射机先进技术,研制了一台工作在L波段的边界层风廓线雷达发射机。本发射机具有不间断连续运行、即插即用性和高可靠性,波形和带通响应优化以占用频谱宽度小的特点。基于发射机的模块化架构、主要技术指标和功能,重点介绍发射链路的设计思想和原理、各级功率放大器的指标分配、芯片选型、功放电路设计、ADS仿真与稳定性优化。经过近3年在不同雷达站点的不间断运行,发射链路性能较稳定,符合设计要求。为今后其他型号雷达固态发射机的自研设计提供了技术参考。     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达大风探空测风对比

基于相同站点的济南边界层风廓线雷达(WPR)和L波段雷达大风探空测风(以下简称LW)资料,采用相关、拟合、廓线分析等方法,系统地对比两者大风(≥10.8 m·s~(-1))数据的各统计特征、相关性、时空变化规律的异同。结果表明:(1)两者u分量、v分量、风向、风速的相关系数分别为0.973、0.965、0.994、0.665,标准偏差分别为2.04 m·s~(-1)、2.88 m·s~(-1)、10.82°、2.53 m·s~(-1),大风数据相关性总体较高,且相关系数风向优于风速的、降水样本优于非降水的,表明WPR观测大风数据可信、降水期间WPR水平大风数据可以使用。(2)两者大风风向、风速基本一致,但在低层差异较高层的大,尤其是340 m及以下高度层更显著,降水、非降水、全部样本在2980、1900、2740 m以下WPR风向值均略小于LW,而在1300、2740、1660 m以下WPR风速值均略大于LW。(3)两者资料互补性总体较好,大风风向、风速、v分量差值随高度变化符合对数律递增或递减规律,但u分量需分段拟合;在进行回归方程求算和资料互补时,应考虑差异随高度等的变化。     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达探空测风资料对比研究

采用统计、相关分析等方法,对2014年济南站边界层风廓线雷达观测资料和L波段雷达探空资料进行了长期时空变化规律的对比,进而研究了地面无降雨、有降雨时段两者的风向、风速数据的相关关系及差值。结果得出全年有降雨、无降雨时段两者的风向、风速总体一致性较好,相关性较高,并具有较好可比性和互补性的结论,对了解固定式边界层风廓线雷达探测的准确性,改进观测资料质量控制方法等具有很好的参考价值。     

边界层风廓线雷达资料在浙中强对流天气中的应用

利用义乌CFL 03边界层风廓线雷达资料,对浙中地区15次强对流天气过程进行了分析。结果表明：①水平风不仅能提前于天气图数小时获知冷空气入侵,预判强对流的发生,而且通过对低空西南急流尤其是超低空西南急流或偏南急流的研究发现,其对短时暴雨或降雹能提供非常有利的信息,同时任何风向的超低空急流都可以作为判断雷雨大风的依据;②垂直速度和大气折射率结构常数（CN2）的大小能较好地反映降水开始和结束,而降水发生时,功率谱密度表现为正径向速度,谱宽变宽,且各信号形状较为相似;③当径向速度图出现速度模糊现象,尤其是在低层时,地面对应有大风。风廓线雷达资料对强对流天气的发生发展有较可靠的指示意义。结合多普勒雷达资料,可有效加强本地短临预报能力。     

边界层风廓线仪应用中存在的若干问题

根据多年来在上海地区边界层风廓线仪布设和应用中取得的经验和研究结果,详细介绍了边界层风廓线仪在大城市组网、选址和建站方面需要注意的问题,同时针对边界层风廓线仪受地物杂波干扰和降水污染影响的问题进行了典型个例分析。     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.     

利用风廓线雷达资料对南京地区低空急流的统计分析

为了解南京地区低空急流的活动特点,对两部风廓线雷达在2005—2008年收集的风廓线数据,分别从低空急流的月变化、日变化、急流中心特征以及伴随的天气情况等几方面开展了统计分析和对比研究。结果表明,低空急流存在明显的月变化及日变化规律,春、夏季出现低空急流次数多于秋、冬季;凌晨和夜间是低空急流活动的活跃期,且午夜出现极大风速的概率最大;低空急流中心主要出现在1 400 m高度以下,且低空急流中心速度的增强有利于降水的发生。夏季低空急流的出现有利于暴雨的发生。边界层风廓线雷达和对流层风廓线雷达的统计结果具有较好的一致性,两部雷达都能够较好地连续监测低空急流的发生发展。      

边界层风廓线雷达在降水时段中的在线分析应用研究

本研究提出了一种在边界层风廓线雷达连续运行的降水探测时段中对降水频谱进行在线分析的新的应用方式。详细介绍了边界层风廓线雷达在线分析原理和方法。同时结合典型降水频谱个例,分析了可获得的多个潜在的气象参数和信息。并指出,该在线分析方式的实施可以使风廓线雷达的应用领域从晴空探测向降水测量拓展;有效缓解当前风廓线雷达应用存在的瓶颈问题;间接证明边界层风廓线雷达组网间距不固定的观点。文章分析说明,随着在线分析方式的推广应用,边界层风廓线雷达将成为单站精细化气象探测和预报/服务的重要工具。     

“黄蜂”边界层风速分析—— 台风平均风速的时距选取与强度估计

通过对热带风暴(TC)"黄蜂"登陆的一次边界层观测所得到风速资料的分析计算,取得不同时距下平均风速序列.比较不同时距选取时登陆TC的平均风速、风向和台风强度,发现1 min平均比10 min平均水平最大风速大25.30%,风向变化不大,TC强度指数1 min与10 min相差2%～4%.时距选取较小时,TC平均风速和强度变大,所测得风速区域也变大,而风向与时距的选取没有明显关系.只是在阵风变化比较大的情况下选取小的时距可以更好的表示这种特征.所以时距选取需要对所研究问题的需要进行分析,对不同的问题选取不同的时距以得到更好的结果.     

T-TREC方法反演登陆中国台风风场结构

在传统的基于天气雷达反射率因子的相关方法跟踪回波运动(TREC)技术的基础上,本研究发展出适用于台风环流反演的T-TREC方法.同传统的TREC技术相比,T-TREC根据台风环流呈逆时针方向旋转的特征,利用雷达观测资料客观选取台风中心,选取扇形网格单元,在以台风中心为原点的极坐标系下进行逆时针方向同波追踪.同时,该方法也利用雷达径向风资料客观选取切向的搜索范围并建立风场相关矩阵,以减少主观设定搜索区域造成的误差.通过利用中国新一代天气雷达网(CINRAD WSR-98D)观测的登陆台风桑美(0608)资料对方法进行验证,结果表明T-TREC方法可以更加准确估计强台风环流,反演的径向风平均误差小于4 m/s.其中径向风信息的引入明显提高了反演风场精度,特别是改善了在眼墙区因回波结构较均匀造成的风场低估.当台风靠近陆地时,因地物回波以及台风环流与地形相瓦作用激发对流的影响,使得低层风场反演误差增加.文中也探讨了台风中心、搜索网格单元大小等因子对反演精度的影响,结果显示,反演结果对于中心定化比较敏感,中心位置偏移4 km将造成反演的径向风平均误差增加约10%.而搜索单元大小对反演结果影响和台风尺度相关,若台风尺度较小,则较小的搜索单元反演效果较好.     

“莫兰蒂”台风致灾大风的结构特征及成因

利用多种观测资料分析1614号"莫兰蒂"台风致灾大风的风场结构特征及成因。结果表明:"莫兰蒂"登陆前台风环流内的局地强风呈阶段性波动特征,局地强风相对台风方位角的变化随着台风靠近先顺转后逆转;基于台风风压关系的分析表明"莫兰蒂"强度估计与实测吻合;台风登陆后受地形摩擦影响,台风左侧的风速大于右侧;数值模拟分析表明在影响局地强风过程的主要物理因子中,风矢量的水平平流和气压梯度项的影响最重要;"莫兰蒂"台风的强风区呈现明显的中尺度特征,较高动量的空气垂直输送和动量下传作用导致眼壁周围风力增强。     

基于风廓线雷达的对流边界层高度的确定

大气边界层高度对于天气、气候和大气污染研究是一个至关重要的参量。对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部的夹卷过程造成温度和湿度垂直梯度增强,导致这一层的折射率结构常数C■变高。C■的这种垂直分布特征经常被用来定位出CBL高度Z_i。本文利用2010年7—8月天津大港的风廓线雷达数据推断出CBL高度Z_i,对于多重C■峰值或不明确的C■峰值,本文改进了对Z_i的测定,分别讨论了C■最大后向散射法与C■和垂直速度方差(σ■)相结合的新方法的适用性。研究显示:(1)C■廓线具有单峰时,最大后向散射强度法能正确估计CBL高度,这种情况往往对应的是晴天。CBL上存在的残留层或云层引起的温湿起伏变化导致C■廓线具有双峰甚至多峰时,最大后向散射强度法可能会错误估计CBL高度;(2)C■和σ■结合的方法不仅与晴天时C■最大后向散射法有较好的一致性,而且可以将CBL造成的C■峰值从云层造成的C■峰值中区分出来,从而正确估计CBL高度;(3)一般而言,对流边界层中存在有明显的、破碎或者分散不明显的云时,C■和σ■结合的方法都能较好地识别出CBL对应的C■峰值。但由于边界层中的情况极为复杂,C■和σ■结合法也会因不同的原因而错误估计CBL高度。     

Performance of various similarity functions for nondimensional wind and temperature profiles in the surface layer in stable conditions

The linear functions for non-dimensional wind and temperature profiles are commonly used to describe the surface layer fluxes in atmospheric models. However, their applicability is limited to smaller values of the stability parameter z/L (where z is the height above ground and L is the Obukhov length) i.e. z/L < 1.0. These linear functions have been modified (Webb 1970, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 96, 67–90; Clarke 1970, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 96, 91–114; Hicks 1976, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 102, 535–551; Beljaars and Holtslag 1991, J. Appl. Meteorol. 30, 327–341; Cheng and Brutsaert 2005, Boundary-Layer Meteorol. 114, 519–538) over the years for calculating fluxes when z/L > 1.0 under strongly stable conditions. In view of this, the objective of the present study is to analyze the performance of these similarity functions to compute surface fluxes in stable conditions.The meteorological observations from the Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study (CASES-99) experiment are utilized for computing the surface fluxes in stable conditions. The computed fluxes are found to be reasonably close to those observed. The ratio of observed to computed fluxes reveals that the computed fluxes are close to the observations for all the similarity functions for z/L < 1.0 whereas the computed values show relatively a large scatter from observations for z/L > 1.0. The computed values of u and heat flux do not show significant differences from those observed at 99% confidence limit. The performance of all the similarity functions considered here is found to be comparable to each other in strongly stable conditions.     

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

渤海西岸边界层东风与暴雪天气的机理分析

2008年12月20—21日和2010年1月3日天津地区分别出现了历史同期罕见的暴雪天气。为了提高对这种极端天气发生机理的认识,利用多种资料对这两次天气过程进行了分析。结果表明：两次暴雪过程均属于回流型降雪,但环流形势和影响系统的演变却不尽相同。影响系统分别为高空横槽（高空槽）、850 hPa切变（850 hPa低涡切变）和地面倒槽（地面气旋）,水汽源自700 hPa西南气流和边界层东风的水汽输送。由于两次过程均与边界层东风相伴,特别对渤海西岸边界层东风对降雪天气的影响和作用进行探讨,表明偏东风不仅为本地输送一定量级的水汽,同时这种具有冷湿特征的东风还会与内陆具有暖湿结构的偏南风形成地面辐合线,加强地面的动力抬升作用,产生上升运动,有利于雨雪天气的加强和维持,因此可以认为边界层东风对暴雪的发生发展起到了显著的作用。     

渤海西岸边界层东风与暴雪天气的机理分析

2008年12月20-21日和2010年1月3日天津地区分别出现了历史同期罕见的暴雪天气。为了提高对这种极端天气发生机理的认识,利用多种资料对这两次天气过程进行了分析。结果表明：两次暴雪过程均属于回流型降雪,但环流形势和影响系统的演变却不尽相同。影响系统分别为高空横槽（高空槽）、850 hPa切变（850 hPa低涡切变）、地面倒槽（地面气旋）,水汽源自700 hPa西南气流和边界层东风的水汽输送。由于两次过程均与边界层东风相伴,特别对渤海西岸边界层东风对降雪天气的影响和作用作了探讨,表明偏东风不仅为本地输送一定量级的水汽,同时这种具有冷湿特征的东风还会与内陆具有暖湿结构的偏南风形成地面辐合线,加强地面的动力抬升作用,产生上升运动,有利于雨雪天气的加强和维持,因此可以认为边界层东风对暴雪的发生发展起到了显著的作用。     

台风“碧利斯”的雷达反演及改进

利用两步变分反演方法,研究2006年第4号台风“碧利斯”,对照单部雷达资料和两部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好的反演出台风的风场结构特征,而两部雷达资料在第一步反演背景场时,可以看出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场就能看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与两部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与两部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均在0.8或以上,2-7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。