闪电定位和雷达观测资料在云分析中的应用及数值试验

本文针对2016年6月山西、山东地区一次强对流活动,通过GRAPES（Global/Regional Assimilation andPrediction Enhanced System）云分析系统融合了多普勒雷达反射率三维组网拼图资料和ADTD（Active DirectoryTopology Diagrammer）闪电定位资料,对模式初始场的云水、云冰等云微物理变量进行了调整和分析,并对这次强对流过程设计了3组数值试验。结果表明:（1）云分析系统在加入雷达反射率资料以后,能在模式初始场中较准确的计算模式的初始水物质;（2）闪电定位资料转换成的替代雷达反射率对原有的雷达反射率有一定的补充作用,使模式的初始场与真实状况更接近;（3）从模式降水的角度看,在加入雷达资料以后,GRAPES云分析可以显著提高6小时以内降水的模拟效果,而闪电定位资料的加入,对中雨以上量级的降水模拟有进一步的改进作用。     

GRAPES-Meso模式浅对流云辐射效应的改进试验

在万子为等（2015）对GRAPES-Meso模式浅对流参数化改进的基础上,进一步引入了浅对流云量诊断计算,并设计旨在完善浅对流云辐射效应的浅云云量和云中水凝物的补偿方案,以改进模式低层云量偏少和浅对流云辐射效应不足的问题。通过对数值试验结果的诊断和对比分析以及与观测的比较,重点考察了浅对流云量计算与浅对流激发的协调性、浅对流云对低云补偿后所产生的辐射效应以及对模式地面要素预报的影响等,验证了改进方案的合理性与有效性。结果表明:（1）浅对流云量诊断计算合理,其云覆盖区与浅对流激发区相吻合,引入浅对流云量的计算可减小模式云量的计算偏差、使其向观测结果靠近;（2）改进方案在浅对流发生区低层0.5-4 km高度范围内,对影响模式云辐射过程的浅云云量和云中水凝物形成有效补偿,最明显的浅云补偿在1-1.5 km高度处,浅对流活跃时期浅对流过程对浅云水凝物（云水和雨水之和）的补偿量可达20%-55%;（3）云光学厚度对浅云水凝物的补偿响应合理,即水凝物的补偿引起云光学厚度增大,两者的变化特征在时空分布上十分相似,且云光学厚度之变化受云水补偿的影响比受雨水补偿的影响更明显;（4）在白天时段,浅云补偿所产生的辐射效应使模式地表太阳总辐射有所下降,缩小了与观测的偏差,进而使地表温度和地面2 m气温模拟偏差减小。改进方案在缓解模式云量偏少、地表太阳总辐射偏强和地面2 m气温偏高等方面的作用,在批量试验中得到了验证。      

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

基于雷达资料的云分析在冰雹云短时预报中的应用

通过ARPS/ADAS云分析系统将雷达反射率因子信息引入到模式的初始场中,并结合中尺度数值模式模拟研究了2008年6月23日发生在北京周边地区的一次冰雹天气过程。结果表明:在初始场中引入雷达反射率因子信息之后,改进了初始场中水凝物信息和温度场,使得初始场更加符合实际大气状况;与未进行云分析试验比较,云分析之后,模式模拟对于雹云产生位置、强度以及移动路径有明显改进,其中3h之内的模拟效果最好;降水降雹提早1h发生,并且降水降雹的峰值也提前出现,明显减少模式spin-up时间。     

一次降水过程云液态水和降水演变特征的综合观测分析

利用IP/WVP-3000地基微波辐射计、多普勒雷达结合卫星及地面雨量计等多种遥感观测资料,对2007年6月30日北京地区的一次积层混合云降水过程的云液态水和降水的分布及演变特征进行了综合观测分析。分析表明:降水开始前,辐射计液态水含量有明显增加,地面降水的产生滞后于液态水含量增加一段时间,利用这种现象,可用于提前预测云系正处于降水产生的发展阶段,应用于人工增雨作业。在相同时间对同一位置进行探测的雷达和辐射计资料显示,雷达回波垂直分布趋势与辐射计液态水的垂直分布趋势有着较好的对应关系。此外空中液态水分布,特别是低层液态水的分布,与地面降雨的产生有着直接的关系。     

毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明：1）不同类型的云具有不同的云参数分布;2）在低于-15dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3）雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。     

基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究

利用Ka毫米波云雷达与自动气象站降雨资料,研究了西天山地区2019年和2020年5～8月的降雨云宏微观特性。结果表明：(1)降雨主要发生在夜间,累积降雨量集中在21:00(北京时间,下同)至次日07:00,降雨频次和累积降雨量相关系数为0.71。大雨强频次虽最少,但对总累积降雨量贡献较显著。(2)小雨强、中雨强、大雨强平均反射率因子最大值分别为30 dBZ、35.8 dBZ和39.5 dBZ,最大平均液态水含量分别为1.5 g m^-3、4.2 g m^-3和7.3 g m^-3。(3)不同降雨强度对应的反射率因子都有两个集中区域,2.0～4.4 km反射率因子集中在15～26 dBZ,地面附近的小雨强、中雨强、大雨强对应的反射率因子分别集中在24～32 dBZ、29～38 dBZ和31～42 dBZ。1.75 km以下中雨强和大雨强液态含水量小于1gm^-3的频率明显少于小雨强,降雨强度的越大降雨粒子径向速度越集中。     

毫米波云雷达与探空测云数据对比分析

应用中国气象局大气探测综合试验基地2015年8—12月数据,对Ka波段毫米波云雷达与L波段探空云底高、云顶高及云垂直结构的探测进行对比分析,从分析结果可以看出,毫米波云雷达发射的电磁波能够穿透厚度较大的云层,探测出云垂直结构,所探测的云底高和云顶高与L波段探空结果保持良好的一致性。进一步分析一些云底、云顶高度差异较大的个例,得知与探空气球的漂移造成地域偏差和L波段探空相对湿度探测的误差相关。研究结果表明,Ka波段毫米波云雷达不仅探测能力强,探测精度也较高,是地基云探测的一种有效手段。     

多普勒雷达冰雹云回波的初步分析

针对贵阳2002年1－7月的11次冰雹天气过程，利用micaps资料和雷达回波资料，结合相关的天气背景及当日的大气环流形势，初步探讨了贵阳地区冰雹天气的物理机制，总结出其发展演变的规律。在分析雷达资料的过程中，发现新一代多普勒雷达（714CDN）在预警过程中，精度更高，预报更准确，起到了以前的数字化雷达无法实现的作用，进一步证实了新一代雷达的显著功效。     

贵州省云与太阳辐射的关系

使用贵阳、威宁１９６０～１９８３、年的云与太阳辐射资料,讨论了云贵高原东侧斜坡地带太阳辐射强度的判别及其原因;并在些基础上根据１９６３～１９８３、年贵阳冬委１０８３个全天层状低云日的一些云宏观特征量昼夜判别的计算,初步估计了太阳辐射对贵州冬季稳定的静止锋地形层云的某些影响。     

Impact of the Assimilation Frequency of Radar Data with the ARPS 3DVar and Cloud Analysis System on Forecasts of a Squall Line in Southern China

Assimilation configurations have significant impacts on analysis results and subsequent forecasts. A squall line system that occurred on 23 April 2007 over southern China was used to investigate the impacts of the data assimilation frequency of radar data on analyses and forecasts. A three-dimensional variational system was used to assimilate radial velocity data,and a cloud analysis system was used for reflectivity assimilation with a 2-h assimilation window covering the initial stage of the squall line. Two operators of radar reflectivity for cloud analyses corresponding to single-and double-moment schemes were used. In this study, we examined the sensitivity of assimilation frequency using 10-, 20-, 30-, and 60-min assimilation intervals. The results showed that analysis fields were not consistent with model dynamics and microphysics in general;thus, model states, including dynamic and microphysical variables, required approximately 20 min to reach a new balance after data assimilation in all experiments. Moreover, a 20-min data assimilation interval generally produced better forecasts for both single-and double-moment schemes in terms of equitable threat and bias scores. We conclude that a higher data assimilation frequency can produce a more intense cold pool and rear inflow jets but does not necessarily lead to a better forecast.     

毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别

云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天气指挥和效果评估,数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置,根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分析(其中确认融化层明显个例34次),系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况,包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融化层的强度变化,并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子(R)和退偏振因子(Ldr)垂直廓线数据,根据参量在融化层附近显著变化特性,识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比,反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近,位于探空资料观测的0°层下方,而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。     

基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

Microphysical Retrieval from Doppler Radar Reflectivity Using Variational Data Assimilation

One of the microphysical variables, the rainwater mixing ratio qr, is retrieved from the observed reflectivity of Doppler radar by a 3D variational data assimilation system. The qr as an analysis variable is obtained by minimizing a cost function defined as the difference between observed radar reflectivity and its retrieval from qr, plus the difference between qr and its background field from a mesoscale model's prediction. Covariance matrix of the background field's error is determined by the so-called NMC method. A method called the second-order auto-regression (SOAR) is used to calculate the coefficients of regressive filtering to fit in with small spatial scale such as cumulus in the process of spatial transformation. An ideal experiment demonstrates the correctness of this system and a sensitivity experiment proves that the random error of observed reflectivity has effect on the analyzed results. At last an experiment with observed data from the Doppler radar at Ma'anshan City in Anhui Province on 19 June 2002 was performed. The retrieved analysis variable qr in this test shows structures in detail, which coincide with the distribution of the echo picture observed by the radar.     

湘西北山区夏季冰雹云多普勒雷达定量判别指标

利用湘西北张家界市2005年夏季的人工防雹增雨作业资料和地面降雹资料,分析冰雹云的雷达产品特征,发现使用小型车载雷达可以很好地弥补多普勒雷达常规业务产品中垂直剖面产品方面的不足,并归纳总结出了湘西北山区夏季冰雹云的1个先兆特征综合定性指标和4个雷达定量判别指标。实践表明,综合运用定性和定量指标可以快速准确提前识别冰雹云,有利于早期作业,是人工防雹作业获得成功的关键因素。     

天基太赫兹云雷达需求指标分析与论证

云对大气起着重要的动力和热力作用,对地球能量平衡、气候变化及天气演变具有重要影响,但云是全球气候模型中最重要的也是最难确定的气象要素之一。太赫兹(Terahertz,THz)波是介于微波和红外辐射的电磁波,具有方向性好、能效高、可全天候工作、对云系微物理结构有更高的灵敏度等优点。天基云雷达是测量全球尺度云的有效手段,它能够直接测量云的三维结构,还可以为被动微波遥感测量提供订正参考,目前天基雷达是获取全球云的垂直运动、粒子相态和中尺度物理结构等信息的唯一设备。综合太赫兹波与雷达探测的优势,采用天基太赫兹雷达进行云雾探测,能够获得目前其他技术手段无法获得的独特信息。从应用需求的角度,综合考虑探测目标的垂直与水平分布特性、目标测量所受的杂波干扰、测量精度、分辨率拖影、天线尺寸和衰减等方面的要求,对天基太赫兹测云雷达的探测频段、灵敏度、分辨率、扫描范围、探测距离等重要需求指标进行分析论证,给出合理的需求指标,推进国内天基太赫兹测云雷达的开发建设及应用,为主动遥感气象探测增加一支生力军。     

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。