基于微波辐射计资料浅析对流降水云内与环境温差

使用北京市气象局2台TP/WVP-3000微波辐射计探测2008年9月14日1次西北-东南移向的雷暴冰雹天气的温度廓线数据,以降水回波只覆盖西北方的车道沟站且产生降水时的温度数据作为降水云内温度垂直廓线,以东南方的观象台站的温度数据作为云外环境温度垂直廓线,比较分析了降水云内和环境温度在不同垂直高度层上的差异和降水云移...     

南京对流降水和闪电的TRMM资料分析

用热带降雨测量卫星的测雨雷达2A25产品、微波成像仪1B11产品和闪电成像仪观测资料分析了2007—2008年南京及周边地区五个对流降水云系的降水结构、微波亮温和闪电特性。结果表明,当对流降水云系处于发展阶段时,对流降水是降水量的主要贡献者;而当对流降水云系处于成熟或者逐渐消亡阶段时,对流降水就逐渐向层云降水转变,此时降水量主要由层云降水产生。两种类型降水在降水强度、雨顶高度存在显著区别。微波亮温与近地面2 km处的降水强度呈负相关,基本能反映出近地面的降水强度,尤其是在对流系统的成熟和消散阶段。37.0 GHz亮温最能指示近地表的降水强度。近地面2 km处的降水强度均随闪电次数的增加而增强。     

微波辐射计观测同降水相关性的研究

利用南阳站微波辐射计反演产品数据,结合L波段探空、多普勒天气雷达和地面雨量等资料,分析了2017年6月4—5日南阳地区一次降水过程中水汽与液态水变化特征,并对2017年6—8月不同降水条件下该地区的水汽与液态水总含量进行了统计。结果表明:微波辐射计反演的产品数据较准确,可靠性较强,可应用于日常业务工作和科研中。降水开始前,水汽总含量与液态水总含量明显增加,随着降水减弱结束,水汽总含量与液态水总含量减少。利用这一现象,可以将水汽和液态水的变化作为选择人工影响天气作业最佳时机的辅助判别条件。对比同时刻、同位置的雷达和微波辐射计资料发现,水汽总含量和液态水总含量跃增时对应较强雷达回波。水汽总含量达到5 cm、液态水总含量达到1 mm,可以作为判断南阳地区夏季降水开始的参考值。     

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

用微波辐射计作云降水潜力的估算

1997年7—11月，用单点双波长地基微波辐射计对西安上空的降水云作汽态水、液态水的连续探测，分析发现云中水汽和液水含量在降水开始前有明显变化。将变化的时间轴转化成空间轴，得到：在云的降水区前有一较宽的液水含量高值区，在高值区和降水区连接处存在一液水含量低值区。云的总降水量与高值区的水汽和液水含量值有一定关系，参数Rk代表云的可降水潜力，当Rk大于2．7时，云才有被人工催化增雨作业的潜力；Rk大于3．5时，人工增雨效率最高。     

地基微波辐射计资料在对流云降水前的变化特征初探

基于RPG-HATRPO-G3 14通道地基微波辐射计观测的大气亮温和反演的不稳定性指数K指数(KI)、抬升指数(LI)、沙瓦特指数(SI)、总指数(TTI)和对流有效位能(CAPE)产品,分析其在2015-2016年9次对流云降水前的变化特征,并与非降水日中的变化进行对比。结果表明,非降水日四季22 GHz亮温、58 GHz亮温及大气不稳定度指数均存在一定的日变化,且22 GHz亮温的日变化较明显;5种不稳定性指数夏、秋季的日变化差略大于冬、春季。9次对流云降水开始前2 h,22 GHz亮温在降水开始前34 min出现持续上升,早于58 GHz亮温出现持续下降的时间,且变化更为剧烈,其数值、变化值均大于四季非降水日均值、日变化差,对对流云降水的开始指示性较好;对流云降水开始前40 min左右,出现KI和TTI数值持续上升、LI和SI持续下降的现象,均早于CAPE出现持续上升的时间,这对于对流性降水的发生有指示意义; 5种指数的数值大小可以为对流云降水开始阈值的建立提供参考。在临近降水的-10～0 min(负值表示降水开始前时刻),22 GHz亮温、KI、SI和CAPE出现时间变化率大值的比例比其他时段高,但22 GHz亮温同时出现负变化率大值的比例也比其他时段高; KI和SI时间变化率大值的比例比CAPE高,综合考虑二者在对流云降水前的平均值出现持续变化的时间较早,KI和SI对对流云降水的指示意义较好。     

微波辐射计观测数据在降水预报中的应用

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2007~2010年夏季地基12通道微波辐射计观测数据,对半干旱区降水前和非降水过程的水汽含量和云液态水含量的变化特征进行分析。结果表明:(1)水汽含量达到2.20 cm可以作为半干旱区降水预报的阈值。水汽含量随时间变化比较平缓,变率约为0.06 cm/h,且降水前24 h内水汽含量均2.20 cm;或者水汽含量开始较小,但降水前水汽含量随时间出现拐点,之后变率开始增加,可达0.19 cm/h以上,进而使水汽含量2.20 cm。这2种情况均可预报可能有降水产生;(2)云液态水含量达到0.20 mm可以作为降水预报的阈值,且降水前云液态水含量随时间变化出现拐点,之后变率开始增加,可以预报1 h后可能有降水。     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用神农架机场站2016年6月23日11时—24日08时（北京时,下同）和咸宁站2016年7月3日04时—4日01时两次暴雨过程的地面小时降水数据及同址微波辐射计观测数据反演的地面至10 km高度共58层的水汽密度、液态水含量、相对湿度和温度廓线,以及站点水汽总量、液态水总量、云底高度等资料,得到两次暴雨过程中,位于山地的神农架与位于平原的咸宁的暴雨前后大气垂直结构差异。神农架水汽总量、液态水总量均低于咸宁,测站上空各高度的水汽密度、液态水含量、温度也低于咸宁对应高度的数值,混合层的相对湿度略大于咸宁。多要素综合分析认为：（1）神农架处于山地,外来水汽供应不够充分,降水的形成主要依靠本地水汽凝结产生;由于山地海拔较高,神农架大气层结温度相对较低,冰晶效应的温湿条件较咸宁好,冰晶效应使得神农架在水汽供应不够充足的情况下产生暴雨。（2）咸宁水汽供应充足,水汽凝结之后可以得到及时补充;咸宁尽管混合层的湿度条件不如神农架,冰晶的凝结增长相对较弱,但混合层的凇附过程和融化层的云雨滴碰并都在降水过程中起到重要作用。（3）降水开始前神农架的大气抬升作用比咸宁的强,地形对气流的阻挡抬升作用明显,而降水开始后咸宁的大气抬升作用更显著,表现出明显的对流性特征。

     

微波辐射计资料在降水临近预报中的应用

利用费舍判别分析方法,将综合水汽含量(integrated water vapor,IWV)和液态水路径(liquid water path,LWP)作为预报因子,选取2016年36个降水样本和33个非降水样本,对降雨发生前120 min每10 min建立1个降水预报2级判别方程(共12个),并用2017年的样本进行检验,结果表明:(1)降水发生前2 h内,综合水汽含量(IWV)有明显波动,液态水路径(LWP)有明显增加,这些变化特征可作为判断降水临近的一个参考指标。(2)根据判别分析方法建立预报模型,发现随着距离降水时间越长,预报方程准确率越低,降水前10 min预报准确率最高,达83. 56%,降水前20、30、40 min次之,分别为73. 97%、63. 01%、58. 90%。(3)选取降水前20 min的预报方程,对其预报结果进行检验分析,并结合10、30 min的预报方程进行判断,发现预报降水时间比实况略偏早。实际应用时还可能出现短暂空报情况,因此还应结合预报因子增长趋势,剔除其他因素导致的波动。     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用武汉MP-3000A型地基微波辐射计,采集降水前大气水汽含量和云液态水含量数据,结合历史观测的气象资料,详细分析了降水前一小时大气水汽含量、云液态水含量的分布和演变与降水的关系,结果表明：1）大雨开始前一刻对应的V（大气水汽含量）值≥6.5 cm,中雨对应的V值接近6 cm,小雨对应的V值在5～6 cm之间;2）V...     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

为了提升国产地基微波辐射计反演大气温湿廓线的精度,增强本地部署设备的观测性能,研究实现了地基微波辐射计的神经网络直接样本反演法和观测亮温预处理的神经网络间接样本反演法。将算法应用于武汉华梦科技有限公司研制的HRA002型国产地基微波辐射计,在武汉国家基本气象站开展了与探空以及美国3台MP-3000A微波辐射计的对比观测试验。试验结果显示,HRA002直接样本反演采用改进网络反演水汽密度、相对湿度均方差分别降低约0.94 g·m^-3、5%;观测亮温经过预处理后与模拟亮温的相关性提升明显,预处理前后反演的低层温度、水汽密度和相对湿度与探空观测的均方差分别从2.4 K、3.26 g·m^-3和18.79%改善为1.58 K、2.18 g·m^-3和14.55%,略高于直接样本反演;与3台MP-3000A的反演结果相比,HRA002采用直接样本反演方法的温度廓线总体优于MP-3000A,HRA002采用间接样本反演方法的水汽密度和相对湿度总体上平均偏差占优而均方差稍逊。研究结果表明改进后的直接样本反演法更贴合辐射计硬件性能,反演精度较高;亮温预处理显著提升了间接样本反演精度,在反演精度总体接近的情况下,弥补了直接样本反演法需要长期观测数据的缺陷;综合采用上述两种算法能够提升国产地基微波辐射计本地化、个体化的观测性能,在反演大气参量廓线方面具有可用性。

     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用2000—2013年贵州省84个国家级气象观测站雾的记录、NCEP/NCAR再分析资料以及高空、地面常规观测资料,采用统计方法与合成分析方法,对贵州冬春秋三季锋面雾的分布特征、天气形势、温湿特征与静止锋对锋面雾生消的影响进行了分析。结果表明：（1）锋面雾是出现在静止锋后的一类天气,伴有低温阴雨现象,多出现在贵州中西部（105°—108°E、25.5°—27.5°N）地区,并伴随锋面弱降水（4 mm以下）、浅薄云层（700 hPa以下）、弱逆温（3℃以下）和地面水汽饱和特征。（2）三季锋面雾出现时高空以纬向环流居多,青藏高原上短波槽活跃,低层从广西至贵州南部存在一支8~16 m·s^-1偏南气流,静止锋位于贵州西部,贵州地面气温在4~14℃之间,其差异主要表现在冬季锋面雾出现时,冷空气势力最强,南支槽更活跃,静止锋梯度也最强。（3）三季静止锋变化对锋面雾生消的影响存在若干共性,即锋面雾初始时静止锋位于云贵两省之间,锋面雾出现在贵州西部相对湿度90%以上高湿区;锋面雾强盛时西部静止锋与中部辐合线之间的东南风区域是锋面雾易发区;其减弱时静止锋均出现不同程度东退北抬,雾区升温降湿作用明显。其差异在于,锋面雾初始时冬季静止锋强度和气压梯度均高于春秋两季;其强盛时冬季静止锋上气流抬升作用更明显、云水含量更充沛,锋面雾范围也较春秋两季更宽广;其减弱时春季热低压在云贵之间迅速建立,静止锋迅速东退北抬至贵州中部,而冬秋两季云贵间热低压发展强度不及春季,锋区北抬位置偏西,因而锋面雾减弱消散速度不及春季。

     

利用对地闪的观测估算对流性天气中的降水

地闪与对流性天气中的降水量之间存在着较好的相关性,本文利用1997年6～8月间在陇东地区以平凉雷电与雹暴实验站为中心对对流性天气过程进行地闪与降水的观测,解决以下三个问题：(1)单个地闪所对应的对流性天气中的降水量;(2)相对于地闪发生位置的对流性降水空间分布;(3)相对于地闪发生时刻的对流性降水时间分布,实现了利用地闪资料更加精确地估算对流性天气中的降水量。     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用地基微波辐射计的观测资料研究了2016年8月昆明长水国际机场出现的两次不同性质雷暴过程在不同发展阶段的温湿参量分布和演变特征,结果表明：（1）天气尺度强迫下雷暴前40 min,温湿廓线表现为低层温度降低、水汽密度升高,雷暴结束后趋于稳定,该变化可反映对流活动的起止。而局地热力雷暴前8 h~40 min,低层温度持续升高,降水前半小时水汽密度迅速升高,反映出了大气层不稳定能量积蓄过程和对流爆发前的空中水汽变化。（2）积分水汽含量（IWV）和云内液态水路径（LWP）在降水前有明显的陡增。天气尺度强迫下雷暴降水期间,IWV和LWP随着温度的增减相互转化,低层的剧烈降温,加速了水汽凝结饱和到降落的转化,造成降水强度进一步增大,对应IWV减小,转化为LWP和地面降水。热力雷暴降水期间,温度均匀变化,IWV、LWP均匀增长,水汽转化量极小,IWV增量远高于实际降水量。（3）大气可降水量（PW）在两类降水过程前半小时显著上升,天气尺度强迫下雷暴降水前总增幅达14.6 mm,局地热力雷暴降水过程前PW均匀增长7.6 mm。

     

浅谈闪电与对流性降水之间的关系

闪电与对流性天气中的降水量存在着较好的相关性，本对1999年～2001年青海省海东及黄南地区12个站点(廿里铺、平安、乐都、互助、大通、民和、尖扎、湟中、湟源、同仁、化隆、循化)的雷暴资料进行了统计分析，进而分析闪电与之所对应的对流性天气中的降水量之间的关系，以及相对于闪电发生位置的对流性降水的空间分布，并利用闪电定位仪来估算对流性天气中的降水量。     

基于激光雷达和微波辐射计观测确定混合层高度方法的比较

利用苏州地区2010年1月4,7,16日和2月4日4天的激光雷达及微波辐射计观测资料,比较了不同遥感手段探测晴天大气混合层高度的差异,发现试验期间该地区的混合层高度在300~1500 m之间。利用梯度法、标准偏差法、小波法从激光雷达数据中提取混合层高度并进行了对比,结果表明三种方法都能较好地反演混合层高度并且一致性较好,三者差异主要存在于大气边界层的发展和消亡阶段;梯度法和小波法结果无明显差异,而标准偏差法结果稍高于其他方法。在此基础上,利用微波辐射计探测的大气温度,使用温度梯度法估算大气混合层高度,并与激光雷达探测结果进行了比较,结果表明,大多数情况下激光雷达探测结果高于微波辐射计观测结果;两种遥感手段有较好的相关性,相关系数为0.76。激光雷达同微波辐射计结果存在差异,尤其是在边界层的发展和消散阶段,这是由两种遥感手段探测原理不同造成的。     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

地基35通道微波辐射计观测资料的初步分析

选取2008年6月的微波辐射计观测数据和同期探空数据进行对比分析。结果发现两者温湿度的相关系数分别为0.994和0.697,都通过了置信度为0.001的显著性水平检验,表明其总体趋势是相近似的。对于廓线的分析采用的是各层的平均值,微波辐射计和探空的结果都反映了温度随着高度呈现递减趋势,而且经过方差分析两者在0.05水平差异不显著。但相对湿度的廓线结果经过方差分析在0.01水平差异极显著。     

地基微波辐射计探测资料质量控制方法

微波辐射计具有24 h不间断工作、时间分辨率高等优点,是常规探空的有益补充。天线罩上的积水、无线电干扰等会导致微波辐射计探测数据出现错误。因此,开展质量控制是合理使用微波辐射计探测资料的基础。该文利用上海宝山站历史探空资料和世博园站MP-3000A型地基微波辐射计温湿度数据,设计了极值、时间一致性、空间一致性检查等适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法,针对2012年1月-2013年12月降水、有云（有云无降水）、晴空等不同天气条件下得到的微波辐射计探测资料分别开展质量控制,并对质量控制效果进行定量分析。结果表明:上述方法能有效查找温（湿）度超过极值、温（湿）度突变、温度层际变化大等各类疑误廓线,疑误廓线类型和频数与天气条件有关,其中降水天气的各类疑误廓线频数远远高于无降水天气（有云和晴空）。去除疑误廓线后,与同期探空资料的相关系数增加,均方根误差减小。     

基于多尺度小波边缘检测的对流降水和闪电分析

为准确估测对流降水,提出了多尺度小波边缘检测算法,借鉴小波变换的多尺度分析和边缘检测原理,对雷达反射率数据进行处理,有效地识别出对流云回波区域,进而反演对流降水,精细化分析其和闪电的相关关系。选取了南京2009年7月6—7日的一次强雷暴降水过程中对流活动较剧烈的180 min为例,对采自南京龙王山雷达站的真实数据进行了算法识别分析,反演得到对流降水,统计6 min时间间隔内的闪电频数与同期降水进行相关分析,得到该时段中每次闪电所表征的降水量（RPF）的范围在7.47×106～4.46×107 kg,平