一次飞机冷云增雨作业效果检验

最近60多年,全球范围内广泛开展了人工增雨作业,但人工增雨效果检验一直是个难题。传统上,利用雨量计和目标/对比区统计数据评估人工增雨效果,结果大多不确定。对一次人工增雨作业而言,从科学上给出令人信服的效果检验更是没有好的解决方案。2017年3月19日,陕西省实施业务飞机冷云增雨作业播撒含有750 g碘化银（AgI）的催化剂,播撒线长125 km。作业后卫星、雷达观测到一条与播云线对应的清晰的云迹线,地面雨滴谱仪观测到相应的雨强、雨滴数浓度、雨滴直径增大,表明播云使云体产生了增雨响应。针对这次增雨过程,从连片雷达回波中分离增雨作用造成的回波增强带（增雨影响回波）和确定了自然降水回波强度,建立增雨影响回波强度（Z）与地面雨强（I）的拟合关系（Z-I关系）,定量研究人工增雨的时、空演变。结果表明:（1）增雨影响时间约4 h,增雨影响回波区域（增雨影响区）面积为5448 km2。该区累计降雨总量和增雨总量分别为1.518×106 m3和8.04×105 m3,增雨影响区内增雨率达53%。（2）总降雨量、增雨量、自然降雨量随时间先增后减,总降雨量与增雨量的峰值同步,两者峰值都早于自然降雨峰值;催化后146 min （04时47分,世界时,下同）,每6 min增雨量达到最大,为4.9×104 m3;催化后174 min （05时15分）,增雨雷达回波面积达到最大（1711 km2）,面积峰值滞后增雨量峰值出现。（3）增雨影响区位于播撒线下游,呈条带状;区域内总降雨量空间分布为中间大边缘小,与增雨量空间分布一致。（4）此次增雨作业改变了降雨时、空分布,促进降雨形成,增加了地面降雨量。      

广州极端降水微物理特征的双偏振雷达研究

利用2017年广州S波段双偏振雷达和地面自动站小时雨量资料,对比分析了广州极端降水(雨强≥50 mm·h^(-1))与强降水(雨强为20~50 mm·h^(-1))的微物理特征。结果表明:极端降水的20 dBZ和30 dBZ回波发展高度与强降水都差异较小,说明广州地区的降水强度与对流发展高度关系不大。在低层,极端降水平均回波更强,雨滴粒径更大,结合Z H-Z DR的分布表明广州地区降水具有海洋性对流特征。与强降水对比,0℃层以下极端降水的Z H、Z DR、K DP值都明显更大,尤其在4~5 km都快速增长,说明广州地区极端降水的发展关键在4~5 km高度,并在下落过程中继续增长,因此造成极端降水的发生。     

归一化植被指数与降水量、土壤湿度的关系

归一化植被指数是描述植被绿度及生长状况的指数，由于植被生长依赖于环境条件因此ＮＤＶＩ与环境参量的关系是应用ＮＤＶＩ监测环境状况的基础。分别应用位于中国北部的干旱及半干旱地区的降水量资料对ＮＤＶＩ与降水量之间的关系地分析，结果表明仅在干旱半干旱地区生长季末的累积降水量与累积ＮＤＶＩ存在着显著的非线性关系，相关系数为０．７８。     

天顶扫描模式在双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差订正中的应用

双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差是影响雷达数据质量的关键因素,本文利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达,对90°仰角天顶扫描数据在Z_(dr)系统偏差订正中的应用进行了分析,同时增加90°仰角定点观测模式,讨论并确认了方位旋转关节对Z_(dr)测量结果的影响,在双偏振天气雷达雷达Z_(dr)系统偏差订正中加入了方位旋转关节因素。研究结果表明:选择合适的90°仰角数据,不仅可以对接收双通道不一致造成的Z_(dr)固定系统偏差进行订正,还能够进一步检测由方位旋转关节衰减不同引起的误差;利用90°仰角数据对Z_(dr)的系统偏差进行订正,稳定性和精度较高,满足双偏振天气雷达Z_(dr)精度要求。     

春秋季层状云降水过程Z-I关系计算与讨论

运用最优化方法,按天气系统、降水过程计算层状云降水过程Ｚ－Ｉ关系序列。然后用每 关系得到降雨的雷达估计值,与雨量计实测降雨量比较,对雷达测量降水精度问题进行探讨。     

基于AI雷达回波外推产品的降水临近预报研究

基于AI雷达回波预报产品,采用两种方法将预报回波转换为预报降水,一种是利用雨滴谱数据拟合本地Z-R关系,另一种是预报回波与实况降水观测的自适应Z-R关系。以2022年重庆6次暴雨过程为例,对以上两种方法计算的临近降水预报进行了检验评估。结果表明：≥0.6 mm/h、≥1.6 mm/h及≥7.0 mm/h三个等级的临近预报降水,两种方法预报降水的效果较传统外推方法有不同程度的提高。基于雨滴谱数据拟合本地Z-R方法平均绝对提高量为3.03%,平均相对提高量为6.85%。基于自适应Z-R方法平均绝对提高量为4.20%,平均相对提高量为14.46%,说明其在强降水的预报上更具优势。     

冰雹指数产品剖析及在灾害性强降水预报中的应用

深入研究了新一代天气雷达产品——冰雹指数的算法HDA,并分析讨论了算法的早期版本（7．0）和改进版本（10．0）的设计思路和优缺点,指出冰雹探测算法的思路与预报局地暴雨的思路相似,都是建立在对风暴单体中高反射率因子探测的基础上。据此,首次提出根据不同季节,利用冰雹指数预报灾害性强降水（冰雹和局地暴雨）的设想。通过对大量强降水个例中冰雹指数HI、垂直液态水含量VIL等雷达产品的统计分析和研究,总结了利用冰雹指数预报上海地区灾害性强降水的一些基本方法和算法阈值设置,以期为预报业务部门更好地使用新一代天气雷达导出产品提供一些参考信息。     

基于微波链路的雷达回波衰减订正个例分析

降雨对微波的衰减作用在雷达探测和信号通信中有着不可忽略的影响。本文利用近年来出现的微波链路测量新方法,研究了利用微波链路进行天气雷达回波衰减订正的方法。微波链路可以直接获取传播路径上的总衰减,基于此建立衰减订正的约束条件,并利用前向迭代法对天气雷达回波进行逐库订正。首先从现有衰减订正的理论出发,通过确定微波链路衰减参考值、雷达衰减订正算法和衰减系数,建立基于微波链路的天气雷达衰减订正模型;搭建9.47GHz微波链路测量试验系统,对X波段雷达进行衰减订正试验。针对一次个例进行分析,与自动雨量站同步对比观测试验表明:订正后的雷达反射率因子明显高于雷达实测反射率因子;订正后雷达估测的降雨量与自动雨量站的观测差值减小;累积降雨量绝对偏差由-6.11mm减小到1.04mm,相对偏差由0.99%减小到0.17%;订正后估测的降雨强度与雨量计的相关性得以提高。该订正算法主要通过对参数的调整,使得k-Z关系更符合实际,从而提高了探测精度,验证了该方法的可行性与准确性。     

The intracloud/cloud-to-ground lightning ratio in Southeastern Brazil

The intracloud to cloud-to-ground lightning flash ratio (Z) has been estimated for the first time in Southeastern Brazil and in the tropical region using the Lightning Imaging Sensor (LIS) and Brazilian lightning detection network (BrasilDat) lightning data obtained from 1999 to 2005. Geographical variations of Z and their relation to elevation, latitude, precipitation, total lightning density and percentage of positive CG lightning will be discussed. Daily variations of Z will also be presented. The results suggest that Z values are similar to studies outside the tropics and that are influenced by orographic features.     

新一代天气雷达定量降水估测集成系统

降水的定量测量是天气雷达的重要应用之一,新一代天气雷达定量降水估测集成系统(QPEGS)是一套基于新一代天气雷达的雷达雨量计联合估测降水软件,利用多种雨量计校准雷达降水的方法,生成1小时降水分布。其产品的时间分辨率达10分钟,空间分辨率1 km×1 km,适合省市级业务台站使用。过去3年的数据评估表明:校准雨量计数量和估测精度有明显正相关,校准雨量计数越多,降水估测精度越高,2003年的小时降水估测误差约40%,过程降水量的估测误差小于20%;雨量计密度保持不变的情况下,降水时段越长,降水区域越大,降水估测的精度也越高。     

一次强降水风暴回波合并前后双偏振特征分析

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合卫星、探空和地面实况资料,对2020年8月6日发生在山东曲阜一带的强降水风暴合并前后双偏振参量特征和微物理特征进行分析。结果表明：(1)云带之间产生多次合并,合并后风暴加强发展,产生较大的分钟降水量和累计降水量。(2)新生单体最典型的双偏振特征是具有大的Z_DR和CC,以少许液态粒子为主;新生单体迅速发展过程中上升气流强度明显加强,出现明显的K_DP柱和Z_DR柱,液态粒子浓度明显增大并出现偏大的液态粒子。(3)合并后发展的主要特征是,风暴顶高、强回波区顶高和K_DP柱明显增高,-10℃层高度以下,特别是在风暴底层K_DP值明显增大。(4)合并之后风暴发展最典型的微物理特征是,-10℃层高度之下液态雨滴粒子浓度迅速增大,-10℃层高度之上冰晶或霰粒子层的厚度明显增大。发展旺盛的风暴中、低层有丰富的液态水,风暴高层含有丰富的冰相粒子,从而导致风暴产生高强度降水。     

2019年8月16日诸城超级单体风暴双偏振参量结构特征分析

利用青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料和常规气象观测资料以及区域自动气象站观测资料,对2019年8月16日发生在山东省诸城市的一次长寿命超级单体风暴双偏振结构特征进行了分析。结果表明：超级单体风暴发生在东北冷涡和地面中尺度辐合线共同作用背景之下,对流有效位能偏低,但风垂直切变非常强,这种配置有利于超级单体风暴的形成与维持。诸城超级单体风暴持续3 h左右并伴有深厚持久的中气旋,旺盛阶段最强反射率因子、基于单体的垂直累积液态含水量、强中心高度和单体顶部高度平均分别为74.1 dBz、67.9 kg/m2、6.3 km和11.3 km。对偏振特征分析表明,风暴低层60 dBz以上回波区对应偏小的差分反射率（Zdr）、小的相关系数（CC）和大的差分相移率（Kdp）,湿（或干）冰雹和液态雨滴共存。此外,低层入流缺口附近有明显Zdr弧存在。风暴中层强上升气流区内有明显的有界弱回波区,其顶部达到7 km左右。有界弱回波区内相关系数较小,其周围有明显的Zdr环和CC环,Zdr环顶部达到−10℃层高度。0℃层高度之上存在深厚的Zdr柱和Kdp柱,顶部都达到−20℃层高度,Zdr柱位于有界弱回波区东侧,Kdp柱位于西侧。−10—−20℃层,Zdr柱对应强的水平极化反射率因子（35—60 dBz）和小的差分相移率,表明含有少数偏大的液态或湿冰粒子,而Kdp柱对应更强的水平极化反射率因子（55—72 dBz）和小的差分反射率,表明含有一定数量的小的液态或（和）湿冰粒子及大的冰雹粒子。风暴低层强反射率核后侧径向上如果出现显著差分反射率负值区,可作为特大冰雹（直径≥50 mm）的识别依据;如果对应异常大的差分相移率,表明含有浓度较高的雨滴和包有水膜的冰雹粒子。     

近49年来河北省干旱时空变化特征研究

基于河北省及邻近地区73个气象站1961—2009年逐季、年降水资料,应用降水Z指数、经验正交函数分解、小波分析等方法分析了河北省干旱的时空变化特征.结果表明:近49年来河北省年、各季的干旱空间分布特征,最常见的是全省一致的干旱(雨涝)型,其次是南涝(旱)北旱(涝)的南北相反分布型;小波分析方法得出年、各季干旱的出现不仅存在明显的年代际尺度变化,而且年际变化也显著;河北省年干旱指数呈下降趋势,1979年后,年干旱指数发生突变,该区域进入干旱期.     

ZDR柱识别方法在海南地区的应用

基于双偏振天气雷达的相关研究大部分集中在雷达如何识别粒子相态、精细化探测云系垂直结构方面,专门针对差分反射率因子ZDR柱的识别研究相对较少。通过对海南地区对流云系特征进行分析研究,提出一套基于双偏振雷达探测数据（2020—2021年）的ZDR柱识别方法,结合多源资料对发生在海南地区的2次对流天气过程展开分析,〖JP2〗验证ZDR柱识别效果。结果表明：①ZDR柱通常在对流云系前中期较为深厚,最大可达0 ℃层以上3～5 km,〖JP〗在空间分布上ZDR柱与雷达径向速度的辐合有密切关系,其正负径向速度对的差值与ZDR柱的强弱变化规律呈正相关,并且深厚的ZDR柱较大概率出现在对流云系运动方向的前缘位置,与对流云团雷达反射率因子较大区域（≥50 dBz）有明显的对应关系;②ZDR柱最大深度的变化趋势同雷达回波顶高和垂直累计液态水含量有弱相关性,雷达回波顶高和垂直累计液态水含量的变化通常滞后于ZDR柱深度的变化（约12～15 min）。该方法具备识别海南岛地区ZDR柱现象的能力,可以在分析强对流天气过程、人工影响天气指挥和短临灾害天气预警等方面发挥应用效益。     

利用雷达资料对自动雨量计实时质量控制的方法研究

自动雨量计资料是对降水的直接测量,在流域面雨量计算、气候研究、气象服务等方面具有重要意义。但是,由于风力、蒸发、灌溉、校准、漏斗堵塞、机械故障、信号传输等原因往往造成其存在不同类型的系统误差和随机误差, 自动雨量计数据在定量使用前需要进行质量控制。目前,天气雷达以其高时空分辨率的优势已经成为监测降水的重要手段,本文首先采用两步校准法改善雷达估测降水,然后对雷达—雨量计对之间的差异进行统计学的分析,确定自动雨量计质量控制的一些标准,从而对雨量计进行质量控制。最后用两个降水过程对自动雨量计质量控制的结果进行了检验,结果表明:两步校准法改善了雷达估测降水的系统性偏差,并减小了雨量计站点上的相对误差;可以利用雷达估测降水实现对自动雨量计的实时质量控制,就整个数据集而言,约0.1%的数据被怀疑为误判,误判的自动雨量计主要位于雨带的边缘。但该质量控制算法同时也存在一定的局限性:在雨带的边缘或没有天气雷达覆盖的区域,以及雷达资料存在数据质量问题的情况下,往往会造成对雨量计的误判。     

一次强降水超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用青岛双偏振多普勒天气雷达资料和探空及自动气象站观测资料,对2020年8月3日发生在山东高密的一次强降水超级单体风暴双偏振特征进行了分析。结果表明：(1)强的对流有效位能(CAPE)、低层强垂直风切变、高空强辐散及高湿是强降水风暴发展维持的关键环境因素。(2)风暴低层存在差分反射率因子Z_DR弧和差分相移率K_DP高值区,Z_DR弧与入流缺口一侧反射率因子梯度高值区相匹配,对应偏小的K_DP和相关系数,以少量大粒子为主;K_DP高值区为强降雨区,对应小于3 dB的Z_DR和大的相关系数,以高浓度、大小适中的液态粒子为主。(3)有界弱回波区BWER外围存在Z_DR环,对应偏小的K_DP,而BWER上方存在深厚宽阔的Z_DR柱和K_DP柱,K_DP柱高于Z_DR柱的高度,气旋性旋转上升气流区内中层以下分布有少量大的粒子,而中层之上分布有较高浓度的大粒子...     

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。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

利用X波段双极化雷达和地面自动雨量站数据对北京地区2009年夏季降水进行分析,先采用低通滤波、衰减订正等方法对数据质量进行控制,提取了单位差分传播相移Kdp之后,分别拟合出X波段双极化雷达参数与降水之间的两个关系式:Zh=159R1.37及R=13.9Kdp0.81,最后再分别利用这些拟合公式对北京地区进行降雨估测。结果表明:雷达用这两个公式估测的降雨量与地面实测降雨量有较好的一致性;且当每小时降雨量大于10mm时,Kdp-R的估测比Zh-R估测更稳定、准确;通过平均标准差统计可知,Kdp-R估测精度明显高于Zh-R估测精度。     

水平距离和海拔高度对雷达估测降水影响及订正

以石家庄2006—2008年77次降水过程为例,分析了海拔高度和距雷达站水平距离对定量估测降水的影响,给出了估测降水时反射率因子取值的最佳高度以及距离高度订正值。对比了经验公式法和最优化法分别在有无距离高度订正4种情况下的估测效果,依据估测效果,设计了雷达定量估测降水最佳方案:若反射率因子小于30 dBz,则不进行距离高度订正,仅采用最优化法估测降水;若反射率因子大于30 dBz,则首先对反射率因子进行距离高度订正,然后采用最优化法估测降水。实例检验表明,该方案对单站10 mm·h~(-1)以上的强降水、过程降水量和区域降水量估测效果较好。     

青岛机场一次冰雹过程的双偏振雷达分析

利用常规气象观测站点资料、探空资料、青岛S波段多普勒和双偏振雷达资料对2023年7月8日下午青岛机场一次对流单体冰雹过程天气背景以及雷达回波特征进行分析。结果表明：此次冰雹过程是在500 hPa强西风带、冷涡槽的共同作用下发生的,具有很强的局地性。整层大气具有强的不稳定性,上干下湿特征明显,低层垂直风切变强度中等,深层垂直风切变较强,0～6 km风矢量差达到21 m/s,高低空温差较大,湿球温度0 ℃高度为4 km。雷达回波具有高耸的强回波、有界弱回波区、回波悬垂和三体散射结构,同时中层4～8 km的高度处有明显中气旋结构,气旋直径约4 km,辐合层厚度约为3.2 km,高层出现速度辐散,这些均为典型雹暴的雷达特征。单体的垂直液态水含量(C-VIL)和垂直液态水含量(VIL)密度的大值能够很好对应冰雹粒子,C-VIL突变还能作为预报冰雹和大风参考指标,C-VIL跃增出现比青岛机场降雹提前30 min,骤降出现比青岛机场大风出现提前7 min。这次冰雹过程,双偏振雷达差分反射率因子Z_DR和相关系数ρ_hv能有效区分冰雹和强降水,而差分相位常数K_DP大值区对应大雨或融化的冰雹,需要结合其他参量进一步判断粒子形态。这次冰雹过程出现了明显的Z_DR和K_DP柱结构,Z_DR柱高于K_DP柱,Z_DR柱对应较强的上升运动,与速度图上的中气旋位置相对应,K_DP柱对应着较明显的下沉气流。分析的结果能为青岛机场的冰雹短临预报提供一定的参考,也对于实际应用双偏振雷达产品有一定的指示意义。