小旋转椭球粒子群的微波衰减特性

从计算任意形状粒子的衰减截面普遍公式出发 ,推导出了小旋转椭球粒子群旋转轴处于不同状态时的衰减截面函数表达式 ,并计算分析各种状态下衰减截面随降水粒子相态、形状和入射波波长的变化特征 ,所得结果可用于降水微波遥感。     

双线偏振雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

推导出了双线偏振雷达探测小椭球粒子群时,粒子旋转轴一致铅直取向和在空间均匀随机取向的两种情况下,雷达分别发射水平偏振波和垂直偏振波时的雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子。      

椭球雨滴群旋转轴呈正态分布情况时雷达反射率因子的修正

推导出了在云降水粒子群为小旋转椭球水滴群、椭球旋转轴呈正态分布、云降水粒子谱为M-P分布情况下的雷达气象方程,并且重新定义了相应的雷达反射率因子,确定了在用雷达测定非球形雨滴降水时的订正系数。为新一代多普勒天气雷达观测资料的雨滴形状和分布特征订正、提高降水测量精度提供了理论依据和方法。     

小旋转椭球粒子群的微波散射特性

文中从不同方向线性偏振的入射波对小旋转椭球状降水粒子极化产生的散射出发 ,推导出散射能流密度函数 ,以及降水粒子群旋转轴处于不同状态下的散射截面 ,得出散射截面随降水粒子相态和入射波波长变化的一些曲线 ,其结果可供遥感反演计算使用。     

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

小旋转椭球粒子群轴向呈正态分布时的散射特性

研究了小旋转椭球粒子群旋转轴的空间取向在正态分布情况下,几种基本取向的散射截面随分布方差、期望及波长的变化。并对结果做了讨论分析,以便为微波大气传输研究、大气微波遥感,尤其是为改进天气雷达定量测量的精确度提供依据。     

双基地偏振雷达探测时小旋转椭球雨滴的侧向散射特性

从旋转椭球粒子散射理论出发,给出单个小旋转椭球雨滴在入射不同偏振波时的散射函数,并对其在不同仰角情况的数学图形和物理意义做了讨论,为推导基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程、研究椭球雨滴群对双基地线偏振雷达探测能力的影响、处理和分析双基地偏振雷达资料,提供了理论依据.     

小旋转椭球粒子群轴趋正态分布时的衰减特性

研究小旋转椭球粒子群旋转轴的空间取向在正态分布情况下,衰减截面随分布方差、期望及波长的变化。并对结果做了讨论分析,以便为微波大气传输研究、大气微波遥感,尤其是改善天气雷达定量测量降水的精确度,提供依据。     

天气雷达反射率因子的实时衰减订正

基于当代天气雷达信号处理及其数据输出的特点，提出可供气象台站对天气雷达反射率因子进行实时衰减订正的基本订正算法和参考目标订正算法。通过数值仿真，比较了这两种算法的各自优缺点；还讨论了盲距衰减A(r0)和雷达系统误差△C对估算真实反射率因子的影响。     

双/多基地天气雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

首先导出小椭球散射的方向函数及侧向散射截面的表达式。然后,考虑发射水平偏振波与垂直偏振波这两种情况下,当小椭球粒子群旋转轴作一致铅直取向和在空间作均匀随机取向时,分别建立适用于双/多基地雷达接收子站的雷达气象方程。主要结果为:(1)当入射波以不同的仰角及方位角射到旋转轴任意取向的椭球上时,会在椭球的3个轴上产生不同的极化电偶极矩分量,使小椭球散射方向函数不仅与散射方向有关,还与天线和粒子两个直角坐标之间的配置情况有关。(2)无论入射波偏振方式是水平还是垂直,小椭球粒子的总侧向散射截面恒是散射波在该方向上造成的侧向散射截面之和。(3)双基地雷达气象方程与单基地雷达气象方程比较,其差别在于侧向散射截面与后向散射截面的不同,另外,有效照射体积不同,子站与单基地站天线方向性函数不同,使双基地雷达气象方程中多出与双基地角有关的一个因子。(4)主站天线辐射在半功率点内不论均匀与否,双基地雷达气象方程中的侧向散射截面均代表总的侧向散射截面且依赖入射波偏振方式。(5)给出了小椭球群旋转轴一致铅直取向情况下的双基地雷达气象方程,这些方程与入射波偏振方式、主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。入射波为垂直偏振时一致铅直取向的椭球群的侧向散射截面可能由包含铅直分量在内的3个正交分量组成。这具体依赖于主站天线仰角。但入射波为水平偏振时到达子站天线处的回波功率与主站天线仰角无关。(6)给出了小椭球群旋转轴在空间无规则取向时的双基地雷达气象方程,这些方程与主站天线仰角、入射波偏振方式等无关,但与主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。     

STUDY OF THE RELATIONSHIP BETWEEN IWC AND Z FOR NONSPHERICAL ICE PARTICLES AT MILLIMETER WAVELENGTH

Ice water content (IWC) plays important roles in weather and climate change. Determining the IWCs of cirrus clouds with millimeter-wavelength radar can be problematic due to influences of ice particle rotation on their backscattering cross sections. We here introduce models to describe the radiation patterns of six nonspherical particles of specific sizes. Simulations using HFSS software were applied to describe the differences resulting from different orientations and equivalent spheres. A double exponential function was used for fitting to describe the relationship between the particles’ maximum sizes and backscattering cross sections. The backscattering cross sections of nonspherical ice particles were computed by the method of moment, and those of the equivalent spherical particles were computed by Lorenz-Mie theory for three different orientations: fixed, horizontal, and random. Assuming that a mixture of nonspherical ice particles follows the B-H mixing model, the size distribution of cirrus particles obeys the exponential distribution measured by NASA in 2007. By computing the IWCs of cirrus clouds, which follows the above mentioned B-H model and exponential distribution, the radar reflectivity factors of nonspherical ice particles and equivalent spheres at three different orientations can be computed. Subsequently, the IWC results can be acquired by inputting the radar reflectivity variables into the well-known IWC-Z formula. The analysis described here demonstrates that when using the radar reflectivity Z, the orientation must be considered in order to determine the IWC. Using equivalent sphere theory, the derived IWCs underestimate the actual IWCs. These results are important for accurately retrieving the microphysical parameters of cirrus clouds.     

用CAPPI的资料估算区域降水量和雷达反射率因子垂直廓线初探

应用上海中心气象台714数字化天气雷达立体扫描资料，分析并比较了单站及区域降水量在不同高度上的差异，并用地面雨量计资料进行了校准，尔后研究了它们的精度。最后初步探讨了上海地区3次降水天气过程中反射率因子Z的垂直分布廓线。     

两个中尺度对流系统的降水结构和闪电特征

对两个处于不同发展阶段的中尺度对流系统(MCS)降水结构的分析结果表明,处于初生至发展阶段的MCS,对流降水和层云降水的面积比相对较大,处于成熟至消亡阶段的MCS的相对较小。本文进一步分析了这两个MCS个例在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,结果表明处于初生至发展阶段的MCS的绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区,而对处于成熟至消亡阶段的MCS,事件集中发生在对流区和对流云向层云转化的回波区。     

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅰ：云微物理量和垂直速度的反演

对于水平网格距小于10 km的高分辨率非静力平衡的显式云分辨模式,云微物理量的初始化以及物理量之间的相互协调是十分重要的,并且一直是云分析领域的一个难题。考虑在云雨处于定常状态的前提下,根据暖云过程,可得到云中水成物之间相互转化以及与垂直速度的约束关系,而雨水含量跟雷达反射率因子(Z)有关。因此,采用合肥新一代天气雷达2003年7月5日02时(北京时)的观测资料,针对雷达探测的特点对雷达原始数据进行了坐标转换,并进行了插值处理和简单的质量控制,然后依据Z-qr关系和定常暖云方案,反演了雨水混合比(qr)、云水混合比(qc)、水汽混合比(qv)和垂直速度(w)。结果表明,由此得到的雷达回波主要特征及量值分布与雷达站的CAPPI图像基本一致;水汽、云水、雨水和垂直速度量值大小的分布与雷达回波强度的分布也是吻合的,体现出了云中水成物和垂直速度的三维分布结构;各物理量的量值也符合梅雨锋暴雨的特点,梅雨锋积层混合云系中层状云和对流云的差别十分明显。在较强的回波区,雨水在6 km以下含量较大,最大值位于4 km左右,可超过3.0 g/kg;上升速度在5 km左右最大,最大值超过5 m/s;云水含量大值区位于5 km以上,在7 km高度上达到最大,超过3.0 g/kg;雨滴末速度虽然上下比较一致,一般几米每秒,但在5 km左右为大值区。     

C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

天气雷达可为中尺度对流系统研究提供高时空分辨率资料, 但降雨衰减和地形遮挡等因子会对雷达信号产生严重影响。针对广东省韶关市新丰县C波段双偏振天气雷达, 选取了2018年6月8日台风“艾云尼”、8月30日华南季风降水和9月16日台风“山竹”三次降雨过程, 采用基于差分相位(Φ_DP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(Z_H)数据进行了降雨衰减和部分地形遮挡衰减订正研究, 并将订正结果与广州S波段双偏振天气雷达探测结果进行了直接对比检验, 与中国气象局龙门云物理野外科学试验基地的4台二维视频雨滴谱仪(2D Video Distrometer, 2DVD)实测雨滴谱数据反演的雷达仿真探测量及国内外Z_H-K_DP经验统计公式进行了间接对比检验, 获得较好结果。最后选择具体降雨个例, 订正结果清晰展现了台风螺旋雨带中对流单体雷达回波强度从地面到高空的垂直结构特征, 提高了复杂地形区域雷达对极端天气的近地面探测能力。      

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

长江中、下游暴雨与下垫面加热场的关系

前期地温预报后期降水的可行性研究已得到初步证实。研究表明,暴雨与下垫面热力场背景之间也存在着对应关系。夏季长江中、下游暴雨发生前下垫面地热场出现由深层向上的地热通量,当高空(850 hPa)有切变线与地热场的高地热轴线相配合时,暴雨落在地热高值区;如果地热轴线与高空切变线偏离较远,高空风强且风向垂直于地热轴线时,暴雨落区与地热区会有较大偏离,一般暴雨落在地热轴线的下风方向。     

西太平洋副热带高压东西位置异常与华北夏季酷暑

文中研究了副热带高压 (副高 )东西位置异常与中国东部地区夏季气温的关系。发现两者之间有很高的正相关 ,当西太平洋副高偏西时 ,大片的北方地区气温会降低 ;而当副高偏东时 ,该地区的气温将偏高。西太平洋副高东西位置的异常对应着亚洲太平洋地区的长波位置和强度的很大变化 ,从而影响到中国北方地区的气温。更重要的是 ,副高西端位移所产生的扰动还会以波列的形式向极地和北美方向传播 ,从而从更大的范围内影响西风带环流。对 2 0 0 2年夏季中国北方出现的持续高温天气进行了分析。该年夏季副高持续偏东。西风带大槽也处于偏东的位置。西部的大陆副高东移扩展 ,与槽后的高压脊打通 ,造成该地区的持续高温。副高的东西位置决定了季风气流 (也就是水汽的主要通道 )的北向转折的路径。当副高偏东时 ,向北折向的位置随之东移 ,东亚大陆的水汽供应变为负距平 ,特别是中国北方地区 ,变得十分干燥。引起中国北方高温的直接系统是大陆高压中的极强的下沉气流 ,副高的偏东位置为大陆副高的东进和加强提供了大尺度的背景条件