毫米波云雷达与激光云高仪观测数据对比分析

2013年5月1日至6月8日,中国气象局气象探测中心在中国气象局大气探测综合试验基地进行了云高观测试验,试验仪器包括:(1)毫米波云雷达(35 GHz),观测数据为回波功率值,时间分辨率1 min;(2)激光云高仪,观测数据为后向散射光强度,时间分辨率为1 min;本工作对39天试验数据进行对比分析,结果表明:毫米波云雷达数据获取率要比激光云高仪的数据获取率高26%;在雾霾天气时激光云高仪的数据获取率比毫米波云雷达低51%;降水天气对激光云高仪测量云底高度的结果影响较大,对云雷达的测量的结果影响较小;毫米波云雷达和激光云高仪测得云底高度平均相差不超过300 m,比较接近。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

W波段和Ka波段云雷达探测回波对比分析

通过分析W波段和Ka波段云雷达同时探测回波的差异,验证了W波段云雷达初样机的探测性能。结果表明：1）W波段云雷达初样机工作稳定,两个波段雷达都可以探测云层、云的边界、云厚等宏观参数,也可以反映出云的精细结构及云内微物理参数的变化,回波强、速度小、谱宽大的冰晶云含有上升气流及较多过冷水。2）增强模式的W波段云雷达在近地面探测雾、霾的能力比Ka波段云雷达强;两部云雷达对云层较薄的云探测能力基本相当,对多层云、云层较厚、含水量较多的云及降水的探测,由于强衰减的作用,W波段雷达所测云厚度小、云顶低、回波强度小,并且非瑞利散射也会造成W波段雷达的回波强度降低。     

激光云高仪测云底高度产品的检验与评估

基于2021年1月1日-10月31日阳江超级观测站布设的Vaisala CL51激光云高仪和无线电探空对低云、中云、高云3类云的云底高度观测的结果进行对比检验.结果表明:两个仪器观测到的月平均云底高度结果中云的时空一致性较高,低云和高云云高仪分别高估了 0.84和1.15 km,并且低云云底高度随月份变化两个仪器呈相反趋势;云高仪在无降水时探测能力最好,随降水增加对中、高云云底高度高估程度也随之增加,日累计降水量级超过25 mm时探测能力迅速减弱;低层高湿条件下,云高仪测得的平均云底高度为1.792 km,可能为高湿度层顶;剔除低层高湿样本后,无降水时RMSE从1.3下降到1.24,归一化偏差从0.56下降到0.52;对于仅有云高仪观测到云的样本,云高仪误将湿区顶判断成云底以及探空计算云底算法阈值选取所致.     

激光云高仪探测中国东南沿海云分布特征

利用Vaisala CL51激光云高仪对厦门地区2016年1月1日至2020年12月31日5年的云探测数据,采用时间占比算法计算出云分数,并对云层、云高以及云分数分布规律进行统计分析。结果表明:中国东南沿海云层结构以单层云为主(占比43.59%),双层云为辅(占比16.42%),三层以上云出现的概率相对较低(占比5.25%)。观测期间以中低云为主,与其他季节相比,夏季的云分布密度的集中度较小,存在较大云底间距。高云更可能出现在18时至次日06时的时段内,夏季尤为显著,表现出明显的日变化特征。     

地基热红外云高观测与云雷达及激光云高仪的相互对比

2008年5月至12月中美（美国能源部大气辐射测量（ARM）计划）联合利用ARM移动观测设施（AMF）在安徽省寿县进行了大气辐射综合观测试验,地基云参数观测仪器主要有:（1）云雷达（ARM W-band (95 GHz) Cloud Radar）,观测结果为反射率廓线,时间分辨率为2 s;（2）云高仪（Vaisala Ceilometer）,观测结果为云底高度和后向散射廓线,时间分辨率为15 s.两者均为天顶方向观测.扫描式全天空红外成像仪（SIRIS-1型）于11月27日～12月30日在寿县参加了观测,观测方式为全天空扫描,时间间隔为15分钟.三种云观测仪器共并行观测16天.利用全天空红外成像仪测得的天空红外亮温和同步观测的地面气象数据进行了等效云底高的反演.以全天空红外成像仪天顶方向观测时间前后15次云雷达反射率廓线的平均廓线,云高仪12次观测中有云时次云底高的平均值分别作为同步观测结果,利用平均反射率廓线进行了各层云的云底、云顶、回波峰值高度和回波积分值的提取和计算.三种观测仪器以10 km云底高为限,共同步观测1661次,其中云雷达、红外成像仪和云高仪分别观测到云:428,287,225次.本文分3种情况:（1）全部有云观测情况,（2）单层云,（3）双层及三层云,分别进行了三个仪器观测云高的对比.对比结果:情况（1）,云雷达与云高仪、云雷达与红外成像仪的相关系数分别为0.6和0.82;情况（2）,三者共同观测75次,云雷达与红外成像仪相关系数为0.85,与云高仪相关系数为0.53,标准差分别为0.88 和1.61 km;情况（3）,红外成像仪云底高绝大多数在云雷达观测的最上、最下层云之间,有时接近上层云,有时接近下层云.对比结果显示,地基热红外对于观测中低云高具有稳定、可靠、经济和便捷等优势,但观测结果较云雷达系统偏高.文中同时提出了初步的校正方法.     

基于云雷达、C波段连续波雷达和激光云高仪融合数据的华南夏季云参数统计分析

利用湖北省襄阳市2019—2021年3 a云高仪观测资料,统计云出现频率、云层数和云底高度等指标,对该地区云的宏观特征进行分析,结果表明：(1) 襄阳市全年云系覆盖率较高,3 a平均云出现频率为61.3%。云出现频率呈现夏季高于冬季的季节变化特征,以及白天低、夜间高的日变化特征。(2) 云层数以单层云为主(78.3%),尤其在冬季(80.1%)。多层云分布中,双层云所占比例最大(18.5%),且多层云出现频率随云层数增加而降低;多层云出现频率夏季高、冬季低,主要与夏季水汽相对充足、温度较高使得对流旺盛等因素有关。(3) 云底高度在1.0 km以下的云,1月份出现频率为26%,云系分布较为分散,7月份达40%,云系相对集中;而云底高度在1.0~3.5 km之间的云,1月份出现频率达57%,云系分布较为集中,7月份为24%,云系相对分散。(4) 所有的对流性降水云,出现在6—8月的占83.3%,傍晚前后出现对流性降水的概率最大;云底高度上,对流性降水云平均云底高度较所有降水云平均结果更低,低云所占比例更大。

     

基于Ka波段云雷达的六盘山顶云特征分析

利用宁夏六盘山气象站2017年9月至2018年8月的Ka波段云雷达观测资料,统计分析了六盘山顶不同云的出现频率及宏观特征.结果表明:六盘山顶云出现频率最高值在7月,为61％,最低值在12月,为26％;按云层数划分,六盘山顶出现的云主要以1层云、2层云及3层云为主,相对总云的月平均出现频率分别为68％—86％、14％—2...     

中国降水云云底高度的估算和分析

基于2016年8月13日-2017年7月31日激光云高仪（CL51）和搭配红外测温仪的微波辐射计（MWR-IRT）的云底高度（CBH）观测资料,对比分析CL51和MWR-IRT的CBH观测结果的差异,探讨不同天气条件下CL51和MWR-IRT的云高观测性能。结果表明：CL51和MWR-IRT对中低云的识别结果较为一致,对高云识别存在一定差异;云天时,CL51和MWR-IRT观测的CBH较为一致,统计均值分别为1.91 km和2.03 km,二者相关系数为0.65;与MWR-IRT相比,CL51观测的高云较高、低云较低;不同天气条件下CL51和MWR-IRT的观测结果表现不同,雾天和重度霾时其观测结果差异较大,轻雾天时其观测差异有所降低,非雾/霾天、雾霾天、轻度霾天、中度霾天时两者观测结果较为一致。

     

激光云高仪与可见光测云仪观测试验对比

选取激光云高仪观测的云高和可见光测云仪观测的云量,通过对比两种地面云观测设备观测数据在相同条件下的差异,分析不同要素对设备观测性能的影响,结果表明:在相同观测条件下,两种地基云观测设备的观测结果不同;激光云高仪和可见光测云仪受雾、霾、降水等天气现象以及云物理特性的影响,云观测数据会出现的漏报和误报的现象;激光云高仪还受自身探测高度和垂直分辨率的影响,对高云和薄云的捕获率较差。     

利用CloudSat资料分析青藏高原、高原南坡及南亚季风区云高度的统计特征量

云与辐射的相互作用对全球的天气和气候变化过程有着重要的影响,不同高度的云有着不同的辐射强迫,获得云体高度及其在时空上的变化对研究全球气候的变化有着重要意义。本文利用云卫星上的云廓线雷达(CloudSat/CPR)2006年6月—2007年12月期间的资料,对比分析了青藏高原、高原南坡和南亚季风区域不同云类的云顶、云底高度和云厚统计量。结果表明,在所研究区域单位面积上的云顶和云底高度变化具有一定的时空连续性,不同云类的云顶和云底高度存在不同的变化范围,且随着季节的改变均有明显的变化;同时各区域不同云类的云体厚度在夏季较大,冬季较小;各区域不同云类所占的比例(云量)也具有一定的季节变化规律。     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。     

青藏高原对流云团东移发展的不稳定特征

利用1998年6~7月的逐时GMS红外TBB资料、T106的客观分析资料以及沿长江5个站的探空资料，对青藏高原上的对流云团东移维持发展的环流背景条件进行了分析。研究表明:高层气流辐散、低层气流辐合的垂直结构，高低空急流的引导作用，高原东南部和长江流域充沛的水汽条件以及大气层结的不稳定性是造成青藏高原上空对流云团东移的前提条件。     

青藏高原云水气候特征分析

利用2001~2016年MODIS月平均液相云水路径（Cloud Liquid Water Path,LWP）、冰相云水路径（Cloud Ice Water Path,IWP）资料和ERA-Interim再分析等资料,分析了青藏高原空中云水的分布特征、变化趋势以及与大气环流变化和水汽输送变化的关系。结果显示,LWP和IWP的年平均分布形态与降水、可降水量对应较好,林芝地区聚集了丰富的LWP、IWP、降水量和可降水量。受印度洋季风影响,LWP和IWP存在明显的季节变化,夏季LWP和IWP最丰富,冬季最少。水汽传输和高原的动力、热力作用是影响夏季LWP和IWP分布的主要因素,夏季高原南部相对湿度大,水汽抬升强烈,促进了LWP和IWP的形成和积累。LWP和IWP随海拔高度的变化特征较为相似,3000~5500 m海拔高度区间内二者的总体变化特征与青藏高原降水的梯度变化特征一致,为随高度先较快升高后保持稳定的分布特征。青藏高原年平均和季节平均LWP和IWP在2001~2016年间均以减少趋势为主,这一变化趋势与云量和降水变化趋势一致,LWP和IWP的减少趋势与水汽输送通量散度的增加密切相关。     

青藏高原那曲夏季云中水成物分布特征的毫米波雷达观测

结合2014年7—8月第三次青藏高原大气科学试验获得的毫米波雷达资料与探空温度资料,利用模糊逻辑法反演了西藏那曲地区夏季云中水成物的相态并对其分布特征开展了研究。首先,分析了层积云、雨层云以及深对流云的典型个例,发现三类云反射率因子、多普勒速度、速度谱宽以及退偏振因子垂直分布均有较大差别,相应的云中水凝物的回波特征与相态分布差别也较大。其次,研究了液相、混合相和冰相云层的云雷达探测特征,发现液相云层在0℃层以下的暖云层和0℃层以上的过冷水云层均具有反射率因子高值中心,混合云层的反射率因子高值中心随高度上升变化不大,冰云层的反射率因子高值主要集中在6 km以上,且随高度上升而趋于集中;三种相态云层出现频率高值分别集中在地面以上1、2～3、3～4 km高度层;液相云层在上午出现频率最高,混合相云层高频率发生在下午,冰相云层在晚上的出现频率最高。三种相态云层出现在上午的高度与下午和晚上相比较低,出现在晚上的高度范围最大;液相云层厚度一般小于0.3 km,冰相云层云顶位于9 km左右高度层时平均厚度最大,中云内的混合相和冰相厚度变化较小。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

青藏高原坡面观测信息对我国夏季降水预报的作用

利用不同同化方式分别同化青藏高原地区新一代综合气象观测网的自动站和GPS大气可降水量信息,探讨这些观测资料对我国夏季不同区域降水预报的作用。通过两组数值试验对2008年夏季连续两个月的天气进行分析场和降水预报结果检验,得出以下主要结论：（1）由于同化测站的平均台站高度在2550m以上,因此同化青藏高原地区新一代综合气象观测网资料后,对背景场调整的正作用主要集中在500 hPa以上;循环同化方式对背景场的调整作用比静态同化方式更明显,尤其在500 hPa以上;（2）无论用静态同化,还是循环同化,该观测网资料对华北地区降水预报的改善作用都不太明显,只是对个别降水量级有改善作用;（3）采用静态同化,会对西南地区东部24小时降水预报有改善作用;在多数情况下同化沿99°E附近的7个测站资料得到的降水预报结果比同化24个站的好;（4）对于长江中下游地区,采用循环同化方式更有利于该地区降水预报准确率的提高,尤其是对25～48小时降水的预报;同时,在多数情况下同化24个自动站和GPS大气可降水量信息对降水预报改善比只同化7个站的更好。