风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验研究

对风廓线雷达探测降水时出现的双峰型功率谱密度分布的回波,进行大气返回信号和降水返回信号的剥离,由大气返回信号求出环境大气的垂直运动,导出降水质点下降末速度的功率谱密度分布,进而求出云体中的雨滴谱分布。对两次降水进行了雨滴谱反演试验,提取了不同高度上30多份雨滴谱分布,雨滴谱分布基本上呈现出指数分布形式。指数拟合后求出雨滴谱的浓度参数N0由几百到几千m-3mm-1,尺度参数λ为3.8～4.5 mm-1。试验中,还由反演的雨滴谱估算出云中含水量,得出降水云体中含水量随高度的分布,与附近多普勒天气雷达观测进行了比较。风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致,云中含水量估算的均值基本相同,而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响,随高度分布更为精细。     

风廓线雷达探测零度层亮带的试验研究

L波段风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。应用它对2009年5月14日层状云降水过程中出现的零度层亮带进行了连续探测研究,得到零度层亮带附近区域中返回信号的谱参数（功率、平均多普勒速度、速度谱宽）和回波功率谱密度分布随高度的变化和演变特征。在零度...     

风廓线雷达探测降水过程的初步研究

为利用风廓线雷达 (WPR) 开展降水研究, 分析了2006年8月25-26日北京延庆WPR探测降水个例。降水前高空出现持续时间长达10h以上的水平风垂直切变; 在信噪比 (SNR) 时间序列资料中出现比较清晰的SNR极值层, SNR极值层所处高度与水平风垂直切变高度相吻合。降水期间及前后, 水平风探测高度明显增高2km以上。随地面降水的临近, 下降速度所处高度逐渐降低, 从高空一直延伸到低空, 持续时间长达10h。资料分析表明:国产WPR可以在降水天气工作, 其探测资料能及时反映大尺度流场的变化。通过WPR提供的功率谱密度、SNR、水平速度、垂直速度等多种资料, 可从多种角度了解降水过程; 特别是WPR可以同时探测垂直气流速度、粒子落速及其高度分布, 进而可以估计降水粒子尺度谱及其高度分布, 便于开展更深层次的降水物理过程研究。     

风廓线雷达估测雨滴谱参数

文章提出两种风廓线雷达资料估测雨滴谱的方法。①利用五波束风廓线雷达，通过连续方程求得各层垂直空气运动速度，根据垂直指向波束测出的功率谱导出雨滴谱；②假定雨滴谱为г分布，根据垂直指向的多普勒雷达测得的回波强度、径向速度、多普勒谱宽求得雨滴谱的三个参数。文章进行了实例计算，比较了两种方法的计算结果，并且讨论了Z-M关系的不确定性。     

C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。     

一次多相态天气过程的风廓线雷达探测资料特征分析

利用国产对流层Ⅱ型风廓线雷达资料对2012年3月17日北京地区经历的雾霾雨雪多相态天气过程进行了诊断分析,结果表明风廓线雷达探测产品能够很好地判别上述天气的发展转变过程,可以揭示降水过程的细节变化。雾霾维持时,风廓线雷达一般能够探测到非常弱的水平风和大气垂直运动,大气折射率参数很小,而近地面层信噪比则表现出较强的信号,高度一般在850 hPa以下,其上层大气的信噪比很弱,表现为晴空状态,上下对比度非常明显。同时,风廓线频谱高度图表现为无降水特征。降水发生前,对流层的信噪比会明显增强,风廓线雷达垂直波束的径向速度V_r首先在中高层出现正值,反映出下沉运动的不断增强现象,同时其他两对对称波束V_r不再维持对称形态。降水发生时,5个波束V_r自地面向上均转变为正值,且最大速度一般位于近地面层,同时最大V_r也不集中在垂直波束,反映了降雨过程中存在着风的影响。此时,谱宽一般稳定维持在1~2 m·s~(-1)。当降水发生相态转变时,谱宽会有明显的减小,信噪比增强,频谱图中V_r有所减弱,这种变化通常发生在整个边界层到对流层。降水结束时,上述现象成相反变化,谱宽增加,信噪比减弱,5个波束V_r呈对称形态。     

基于双高斯拟合的风廓线雷达反演雨滴谱

在降水条件下,风廓线雷达返回信号是湍流信号和降水信号的叠加,其功率谱数据中通常会出现双峰结构。该文通过双高斯拟合方法区分大气湍流信号功率谱和降水信号功率谱,去除大气湍流对降水信号谱的影响,反演得到较为精确的雨滴谱分布。研究表明:在风廓线雷达估算雨滴谱的过程中,双高斯拟合可将两峰有效分离,利用处理后的降水谱反演得到的雨滴谱均呈指数分布。选取北京延庆地区2006年和2012年具有代表性的降水资料,对比反演得到的不同强度和不同类型降雨的雨滴谱资料显示,这种估算雨滴谱的方法可行且可靠,利用双高斯拟合将双峰分离,可以达到风廓线雷达数据质量控制的目的,对于风廓线雷达在更为复杂的天气条件下应用具有借鉴意义。     

一种抑制降水对风廓线雷达水平风干扰的方法

降水条件下,风廓线雷达 (wind profiler radar,WPR) 能够同时接收到大气湍流回波和降水粒子的散射回波,降水信号谱与湍流信号谱叠加在一起。风廓线雷达计算水平风时,若采用叠加在一起的功率谱处理降水条件下的探测数据,必将导致后期水平风的合成严重失真。该文首先对原始功率谱数据进行插值和平滑处理,通过功率谱曲线极大值点的个数判断其是否受到降水影响。对于受到降水影响的功率谱,依据湍流谱和降水谱均趋于对称型的特点,用两种方法分别对不同特征的功率谱曲线进行湍流谱和降水谱的分离处理,继而利用分离出的湍流谱信号反演水平风场。研究选取广东省湛江站风廓线雷达2013年6月及7月两次实测降水过程,分析结果表明:用湍流谱代替原始功率谱反演的风场,一致性较处理前有明显提高,从而证明了该分离方法的可行性。     

一次降雨过程风廓线雷达特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据和自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究了降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450-950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气的监测。     

青岛一次大暴雨过程风廓线雷达特征分析

2011年7月2—3日青岛地区出现一次大暴雨过程,全区平均降水量达到114．5mm。利用青岛上马对流层风廓线雷达资料,计算了整层和高、中、低不同层次风暴相对螺旋度（SRH）、最大风速及其高度、急流强度指数等,并分析了演变特征。结果表明：利用风廓线雷达资料计算的风暴相对螺旋度能够清楚地反映高空整层和高、中、低三层暖平流的变化。风暴相对螺旋度对降水系统的移近和降水的开始具有一定的预示作用。较大的雨强出现在高、中、低三层风暴相对螺旋度峰值之后。中层急流向低层扩展的程度与降水的强度有密切关系。计算得到的急流强度指数与降水强度有着较好的对应关系。     

Study on Radar Detection of One Stratiform Cloud Precipitation Process in the Central Part of the Tianshan Mountains in China

In order to investigate the physical structure characteristics of the clouds and precipitation over the Tianshan Mountains in summer, the Urumqi Institute of Desert Meteorology of China Meteorological Administration (CMA) carried out an atmospheric detection experiment in Bayanbulak from 1st to 31st August 2012 by means of a wind-profiling radar and a Doppler weather radar. Using the radar observation data, this paper analyzes the dynamic, thermodynamic, radar echo intensity and macro-micro structure characteristics of the 2–3 August precipitation process. The results show that: (1) The radar echo intensity of this rainfall process changes within 5–38 dBZ, and the precipitation cloud system is under the height of 6500 m, with notable 0 °C level echo bright band between 1200 m and 2000 m height. NCEP analysis data shows that the cloud top temperature ranges from ?25 °C to ?32 °C. These indicate the features of typical stratiform cold cloud precipitation. (2) Atmospheric motion during the precipitation process presents the multi-layer structure with wind velocity varying within the range of 3.0–8.0 m/s. The temperature advection is presented with the vertical structure distribution of “cold-warm-cold”, which indicates relative stability of the atmospheric stratification. (3) By retrieving and analyzing the raindrop size distributions below 0 °C level bright band within 600–1200 m height, when the precipitation evolve from early stage to its peak stage, the concentration of the tiny particle zone (D?≤?2.5 mm) changes a little while the concentration of the medium particle zone (2.5?<?D?≤?4 mm) and the concentration of the large particle(D?>?4 mm) increase considerably; but after peak stage the concentration in the medium particle zone and the concentration in the large particle zone decline first, then the concentration in the tiny particle zone reduces. (4) Raindrop size distribution data is used to calculate the precipitation intensity and the liquid water content, whose spatial-temporal variation characteristics are the same. During peak stage of the precipitation, the instantaneous precipitation intensity reaches 5.0 mm/h, and the liquid water content reaches 0.35 g/m³. This study would help deepen the understanding on the physical structure of the clouds and precipitation over the Tianshan Mountains in summer, and also provide some scientific basis for cloud seeding operation over this area.     

风廓线雷达大气风场观测误差分析

依据风廓线雷达工作原理和风的计算公式,分析影响大气风场观测误差的主要因素,重点分析了雷达回波SNR对风的观测精度影响和GPS探空对比试验。结果表明:①风速观测精度主要取决于波束倾角、雷达技术参数和大气折射率结构常数C2n的垂直分布;风速及风速观测精度越大,风向观测精度越大。②在同种观测模式下,波束倾角与C2n越大,风场观测精度越高。③同一观测模式的SNR越大,风速观测误差越小;不同模式间的大气风场观测精度相差较大。④对比试验的风速风向相关性较好,但相对偏差较大,尤其低空更为明显。     

层状云降水过程中的风廓线特征

利用唐山风廓线雷达资料,结合天气雷达资料,分析了2009年2月12日的稳定性降水天气过程。分析表明,风廓线雷达能很好地观测到稳定性降水过程中冷、暖切变的小扰动和急流的下传过程,这些小扰动和急流的下传加强、维持了降水;垂直切变的加大、强下沉气流的着地,预示着降水即将开始;低层偏北风的侵入、强下沉气流的消失预示降水将结束。     

Analysis of the Microphysical Properties of a Stratiform Rain Event Using an L-Band Profiler Radar

This paper investigates spatial and temporal distributions of the microphysical properties of precipitating stratiform clouds based on Doppler spectra of rain particles observed by an L-band profiler radar.The retrieval of raindrop size distributions（RSDs） is accomplished through eliminating vertical air motion and isolating the terminal fall velocity of raindrops in the observed Doppler velocity spectrum.The microphysical properties of raindrops in a broad stratiform region with weak convective cells are studied using data collected from a 1320-MHz wind profiler radar in Huayin,Shaanxi Province on 14 May 2009.RSDs and gamma function parameters are retrieved at altitudes between 700 and 3000 m above the surface,below a melting layer.It is found that the altitude of the maximum number of raindrops was closely related to the surface rain rate.The maximum number of large drops was observed at lower altitudes earlier in the precipitation event but at higher altitudes in later periods,suggesting decreases in the numbers of large and medium size raindrops.These decreases may have been caused by the breakup of larger drops and evaporation of smaller drops as they fell.The number of medium size drops decreased with increasing altitude.The relationship between reflectivity and liquid water content during this precipitation event was Z = 1.69×10~4M~（1.5）,and the relationship between reflectivity and rain intensity was Z = 256I~（1.4）.     

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。     

风廓线雷达天线阵面不平整度对探测性能影响分析

根据雷达气象方程,分析了影响风廓线雷达探测高度的因素;建立了风廓线雷达相控阵天线阵面不平整度对天线方向图影响的数学模型。通过仿真实验,给出了在垂直波束和偏离天顶15°的倾斜波束下天线增益和旁瓣电平随阵面不平整度的变化结果。仿真结果表明,风廓线雷达天线增益随阵面不平整度的增大而减小,近似呈指数规律变化;天线旁瓣电平总体上随阵面不平整度的增大而抬升。工程设计人员可以在风廓线雷达探测高度变化允许的范围内,同时考虑目前国内风廓线雷达天线结构设计、工艺制造水平和安装精度,对天线阵面不平整度提出合理的技术指标要求。     

不同降水强度下风廓线雷达谱矩特征与测风准确性分析

本文讨论了风廓线雷达不同降水强度下的谱矩参数特征,并分析了不同降水强度下的风廓线雷达测风准确性,结果表明,风廓线雷达在毛毛雨(0~1mm/h)和小雨(1.1~2.5mm/h)时各波束测得的垂直速度一致性较好,对称波束分别测得的两组UV分量的差别较小,即风廓线雷达在毛毛雨和小雨这两个降水等级下测得的水平风可信度较高;而在中雨(2.6~8mm/h)和大到暴雨(>8.1mm/h)时各波束测得的垂直速度一致性较差,对称波束分别测得的两组UV分量差别偏大,即风廓线雷达在中雨和大到暴雨这两个降水等级下测得的水平风可信度较低,研究将为后续工作中对风廓线雷达降水数据的质量控制提供理论依据。      

同化风廓线雷达资料对浙江降水预报改进评估

采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究,在同化1 h平均采样产品前,对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制,选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响,探讨其对初始场改进作用,之后,通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明:同化风廓线雷达资料后,暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%,水汽通量增加30%~50%,大气层结不稳定性增强,小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07,暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05,降水预报得到改进。     

伊犁河谷初冬降水条件下风廓线雷达评估分析

对伊犁河谷地区初冬降水条件下风廓线雷达资料评估其数据获取率并与探空资料进行对比分析,定义两者风向偏差在10°以内或风速偏差在1 m/s范围的样本为有效样本,分别用E_v和E_d表示风速有效样本比率(风速有效样本数/总样本数)和风向有效样本比率(风向有效样本数/总样本数)。结果显示:超过80%数据获取率的高度,降雨时为3000 m,降雪时达到预设2000 m;降雪时E_v和E_d均比无降水时高,且降雪量大小与风廓线的探测高度呈正相关,降雪量大小对E_d有明显影响,对E_v无明显影响;比较不同高度数据,降雪时0～3 km范围的E_v和E_d值均比无降水时高30%左右,无降水时3～5 km范围的E_d接近100%。