变分校准法估测洞庭湖区域降水技术研究

应用变分校准法的原理．对湖南洞庭湖区域降水进行了分析。用长沙多普勒雷达站资料分别对混合性降水和对流性降水过程来估算，结果显示：变分法对雷达定量估测降水的精度有较大提高，尤其是对对流性降水过程更为明显；同时仍保留雷达探测降水的精细结构。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

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。     

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。     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

雷达估测对流性降水的误差空间分布及Z-R关系的优化

新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测中,雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出Z-R关系的关键。对流性降水回波强度具有时空变化大的特点,严重影响了雷达和雨量站数据的匹配以及定量降水估测的精度。利用河南地区3次强对流天气过程的雷达和雨量站数据,通过分析雷达对流性降水与地面雨量站观测值的误差空间分布,找到如下规律:雷达回波强度严重高估点和低估点大部分位于强回波的边缘地区(单点回波强度随时间变化较大);部分位于强回波中心的雨量站观测值为零(部分时刻)。通过分析可知,突发的强降水和强回波中心容易造成雨量站观测值误差较大,因此对Z-R关系拟合造成了较大的影响。根据对流性降水回波强度变化特点和本文得到的回波强度与雨量站雨量匹配关系,在Z-R关系拟合中,提出了加入回波强度随时间变化的指标对误差较大雨量站进行剔除的方法,也提出了一种优化的回波强度平均方法和累积时间,得到了用于对流性降水估测的最佳方案。详细分析以上因素对降水估测的影响表明,通过根据回波强度随时间变化的指标对雨量站进行剔除和使用最佳降水估测方案,提高了对流性降水估测的精度。     

一种基于数值模式诊断自适应的北京地区对流性降水临近集合预报新方法

局地触发及组织化发展中尺度系统的生消演变是影响对流性降水临近预报的核心和关键。本文结合雷达外推预报、专家系统以及快速循环更新的高分辨数值模式系统,发展和构造了一种适合北京地区的基于数值模式预报诊断自适应的对流性降水临近集合预报新方法（APEN）。APEN基于降水外推预报结果,采用模糊逻辑算法,利用北京市气象局快速循环更新同化系统（RMAPS-IN）提供的对流诊断因子,计算对流系统发展演变（新生、增加和减弱）概率;在此基础上,扰动诊断因子阈值和权重,形成对流发展的集合概率预报;最后综合专家经验,根据对流集合概率,在降水外推预报基础上进行对流性降水调整。应用APEN,针对北京两次强弱降水过程,进行了降水的临近预报试验,结果表明:基于RMAPS-IN多种诊断因子的对流发展集合概率在强弱两种天气背景下,都能较好的反映对流系统在临近时段的发展趋势;基于专家经验模型的三种对流发展状态（对流新生、增加和减弱）下的降水调整,能合理的表征对流系统发展演变对降水的影响。APEN降水预报和RMAPS-IN的业务预报的对比显示:无论是系统性对流过程还是局地激发对流过程,APEN预报的降水落区和强度都更接近于实况,尤其是考虑对流发展演变影响的降水强度预报明显优于RMAPS-IN,APEN在北京地区对流性降水的临近预报中有明显的优势和应用潜力。     

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。     

2008年贵州两次大暴雨过程雷达回波演变特征分析

利用新一代多普勒天气雷达资料,分析贵州2008年2次典型的大暴雨过程。分析表明,这2次大暴雨过程呈现雨量大、雨强强,降水成片等特点,其回波演变特征出现了低质心回波、逆风区、低空急流等一般暴雨的雷达回波演变特征。降水直接影响系统为中尺度对流系统(MCS),在雷达回波图上表现为对流型降水和混合云降水,混合云降水贡献相对较大。     

利用CINRAD资料分析南方夏季对流性降水云的基本特征

1南方夏季对流云特征统计结果2000年、2001年和2002年6～9月在安徽省合肥市、福建省建阳市和龙岩市利用3部新一代天气雷达对224块对流性降水云进行连续跟踪观测。本研究所观测到的对流性降水云均具有较完整的生命史(即从初生→发展→降水→消散)。所观测的对流性降水云分别属以     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

垂直探测雷达对北京地区夏季降水分类统计北大核心CSCD

基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)提出降水云分类方案,将降水分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云和混合型五种类型,其中浅对流和浅层状云降水属于暖雨范畴而深对流、深层状云和混合型降水属于冷雨范畴。并且利用此分类方案对2012年和2013年夏季(5-10月)北京延庆地区降水天气类型进行了分类统计。结果表明,暖雨是北京夏季降水的一个重要组成部分,占26%,其降水比例为17%;冷雨过程占74%,降水比例为83%。北京夏季以混合型降水为主占47%,其次是层状云占43%,对流性降水最少,占10%;对流性系统造成的降水最显著,其次是混合型降水,层状云对降水的贡献最小。对各种降水类型的特征归纳得到:浅层状云降水的谱参数随高度变化均不明显,总体比较平滑;浅对流性降水变化比浅层状云降水强烈,在3 km处增大明显,且降水出现次数随高度下降迅速增多;深对流性降水谱参数分布广泛,特别是谱宽,比其他类型都宽且高空存在宽谱区;深层状云降水回波呈现出统一的亮带分布,速度和谱宽在零度层附近出现强梯度区;混合型降水兼顾对流性和层状云降水特征,其回波分布跟深对流性降水类似,速度和谱宽分布跟深层状云降水分布类似。     

雷达气候研究进展及其在城市区域强天气临近预报中的应用

首先介绍了近年来国际上在雷达气候研究方面的一些进展,特别聚焦于不同地区对流风暴和对流性降水的日变化特征,以及京津冀地区雷达气候研究的一些最新成果。主要揭示了不同地区对流的形成、加强和日循环传播与太阳加热、地形强迫、盛行风及天气尺度和中尺度系统活动等存在紧密联系。其次,对雷达气候学的另一特色研究——采用三维风暴属性追踪统计的方法也进行了介绍。文章也从城市化影响对流风暴和对流性降水发展演变以及从雷达气候学角度研究城市地区强天气两个方面,做了研究进展的一些回顾。最后,对雷达气候学在城市地区强天气演变机理研究及精细化临近预报预警方面的应用进行了讨论。     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

用雷达反射率作对流性降水和层状云降水自动分类

为提高雷达定量测量降水的精度,利用武汉CINRAD/SA雷达反射率数据,研究提出了对流性降水和层状云降水自动分类算法(ACSS)。该算法在二维反射率结构场初步分类降水的基础上,识别亮带并从体扫描数据中提取降水的三维结构特征,然后对初步分类结果进行订正。试验表明,ACSS能较准确地实现对流性降水和层状云降水的自动分类,相对于只根据二维结构分类降水性能上有较大提高,主要表现在能正确识别出亮带特征明显的强层状云和对流核外沿的对流弱回波区。     

雷达反射率分辨对流性和平流性回波

根据实测的不同垂直运动和降水发展机制的特点看,从降水云系的雷达回波中分离对流性和平流性成分是很重要的。Ｈｏｕｇｈｔｏｎ在３０年前就认为,水凝物增长机制出现差异,说明雨滴体积的分布也可能不同。这种分布取决于雨滴的增长是由过冷水的水汽淀积过程,还是由过冷水的水汽撞冻过程来起支配作用。前几年有学者提出,由于雨滴体积有各种不同的分布,有必要运用不同的反射率－降水率关系来分辨对流性降水和平流性降水。除了上述的反射率－降水率关系以外,也有学者曾说明,伴随降水的非绝热加热过程的垂直廓线,会因对流性云和平流性云…     

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。     

垂直探测雷达对北京地区夏季降水分类统计

基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)提出降水云分类方案,将降水分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云和混合型五种类型,其中浅对流和浅层状云降水属于暖雨范畴而深对流、深层状云和混合型降水属于冷雨范畴。并且利用此分类方案对2012年和2013年夏季(5-10月)北京延庆地区降水天气类型进行了分类统计。结果表明,暖雨是北京夏季降水的一个重要组成部分,占26%,其降水比例为17%;冷雨过程占74%,降水比例为83%。北京夏季以混合型降水为主占47%,其次是层状云占43%,对流性降水最少,占10%;对流性系统造成的降水最显著,其次是混合型降水,层状云对降水的贡献最小。对各种降水类型的特征归纳得到:浅层状云降水的谱参数随高度变化均不明显,总体比较平滑;浅对流性降水变化比浅层状云降水强烈,在3 km处增大明显,且降水出现次数随高度下降迅速增多;深对流性降水谱参数分布广泛,特别是谱宽,比其他类型都宽且高空存在宽谱区;深层状云降水回波呈现出统一的亮带分布,速度和谱宽在零度层附近出现强梯度区;混合型降水兼顾对流性和层状云降水特征,其回波分布跟深对流性降水类似,速度和谱宽分布跟深层状云降水分布类似。     

2017年5月7日广州特大暴雨微物理特征及其触发维持机制分析

2017年5月7日,广州经历了一次罕见的局地特大暴雨事件,刷新了多个雨量历史纪录,造成了严重的国民财产损失。本文利用双偏振雷达、二维雨滴谱仪、微波辐射计和风廓线雷达等多种新型探测资料,分析这次短时暴雨的演变过程和降水特征,并通过大气环境诊断和双多普勒雷达风场反演方法研究其维持机制。结果表明,此次降水过程发生在弱天气系统强迫条件下,大气层结表现为弱对流抑制、低抬升凝结高度、中等对流有效位能、较厚的暖云层,低层受暖湿气流影响但无明显急流。强降水是由中尺度对流系统直接产生的。午夜至凌晨的初始对流主要由偏南暖湿气流与地形相互作用产生,对流单体不断在后部触发并逐渐形成准静止的对流雨带;黎明至早晨,新生对流单体沿着成熟的强降水风暴出流与低层偏南暖湿气流的交界不断激发,后向传播过程更为显著,形成回波列车效应;此后降水以组织化的对流雨带不断南移。此次暴雨过程中的对流云团为典型的低质心降水云团,降水雨滴谱在高湿环境中表现为暖性降水的特征(小雨滴浓度非常高),但同时存在部分大粒子,从而导致更高的降水效率和局地强降水。不断加强的低层偏南暖湿气流对于对流系统的发展和维持具有重要作用。     

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。