利用星载测雨雷达探测结果对夏季中国南方对流和层云降水气候特征的分析

本文利用热带测雨卫星(TRMM)上搭载的测雨雷达(PR)十年的探测结果, 对夏季中国南方对流降水和层云降水的气候特征进行了分析。研究结果表明:夏季中国南方层云降水频次较对流降水频次高出两倍以上, 而对流降水强度至少是层云降水强度的4倍; 就整个中国南方而言, 这两种类型的降水对总降水量贡献相当。日变化分析表明夏季中国南方大部分地区的对流降水主要出现在午后, 层云降水出现时间并不集中, 但这两类降水的频次日变化均显示了明显的地域性特征; 对降水廓线日变化的分析结果表明, 对流降水和层云降水廓线的日变化主要表现在“雨顶”高度的日变化, 即对流降水云的厚度有明显的日变化变化特征, 不同地区的降水廓线存在明显的差异。降水率剖面分析结果显示了对流降水的“雨顶” 高度日变化较层云降水剧烈, 降水率的日变化则相反, 且层云降水率的地域性特征更强。     

基于星载测雨雷达探测的亚洲对流和层云降水季尺度特征分析

利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达10年探测结果,就季尺度亚洲对流降水和层云降水的降水频次和强度及降水垂直结构的特点进行了研究.结果表明春、秋、冬三季东亚季平均降水环西太平洋副热带高压呈带状分布,雨强一般不超过10 mm/d;夏季,沿孟加拉湾、中国西南、中国东部至日本的大片雨区中出现了大于12 mm/d强降水;亚洲陆面对流和层云降水强度均弱于洋面.亚洲山地强迫不但可引起迎风坡上千公里长度的高降水频次和强降水带,而且导致其下风方向降水频次减少.季尺度降水频次分析表明,亚洲大部分地区对流降水频次小于3%;而层云降水频次一般大于3%,最高可超过10%;副热带高压南侧及西南侧的热带地区对流和层云降水频次均高于副热带高压北侧及西北侧的中纬度地区;降水频次的区域分布还表明,春季中南半岛至中国华南及南海南部对流活动多于同期的印度次大陆.季平均对流和层云降水廓线的季节变化主要表现为"雨顶"高度的季节变化,即降水云的厚度变化;两类降水平均廓线季节变化的区域性差异表明,热带外地区较热带地区显著、陆面较同纬度洋面显著、孟加拉湾比南海显著,而南海和西太平洋暖池无明显的季节变化.此外,降水结构的剖面分析还表明对流降水存在4层结构、层云降水存在3层结构.     

东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析

为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。     

利用TRMM PR和IGRA探测分析的拉萨降水云内大气温湿廓线特征

利用热带测雨卫星测雨雷达(TRMM PR)降水回波反射率因子廓线(降水率廓线)与全球探空大气温湿廓线(IGRA)的多年融合资料,研究了青藏高原拉萨站夏季降水结构及相应的大气温湿结构特征。结果表明,该站降水回波反射率因子分布在17~45 dBz,大部分小于26 dBz;回波顶高度达17 km,呈现“瘦高”外形;相应的大气低层湿润,降水云内大气并非饱和,但温度露点差比全部状态时的值小。深厚降水系统的回波外形也呈现“瘦高”,按照降水率随高度的非线性变化,其垂直结构可分为三层,而浅薄降水系统的垂直结构呈现一层,即平均降水率斜率随高度呈对数线性变化,最大平均降水率(0.7 mm·h^-1)出现在地面。深厚降水与浅薄降水云体内400 hPa高度(7.5 km)上下的露点温度递减的速率不同。降水云体内的零度层高度大约6.3 km,但PR没有探测到零度层亮带。统计结果还表明拉萨探空站及附近的大气可降水量为20.89 mm·d^-1,降水转化率为27.0%,深厚降水系统的降水转化率是浅薄降水系统的2.9倍,深厚降水系统和浅薄降水系统的CAPE值分别为1941.7 J·kg^-1和1451.8 J·kg^-1。本研究结果为模式模拟青藏高原降水云内的温湿结构提供了观测依据。     

青藏高原及其下游地区降水厚度季、日变化的气候特征分析

利用10年的TRMM卫星降水雷达观测资料, 首次对青藏高原及其下游平原及海洋地区降水厚度的地区差异进行了对比分析, 并对青藏高原及其周边地区对流和层云降水厚度的水平分布及其日变化和季节变化进行了统计分析, 结果表明: (1) 青藏高原地区对流和层云降水厚度都要比下游平原地区更为浅薄, 东部海洋地区对流降水厚度比平原地区小, 而层云降水厚度与平原地区相当。青藏高原及其下游平原地区对流降水厚度的日变化特征非常明显, 海洋地区对流降水厚度日夜差异则不大。层云降水厚度在各地区的日变化特征都不明显。青藏高原、下游平原及海洋地区对流和层云降水厚度的季节变化都非常明显, 从冬至夏, 对流和层云降水逐渐变得深厚, 而从夏入冬, 对流和层云降水则逐渐变得浅薄。(2) 青藏高原及其周边地区对流和层云平均降水厚度的分布形式和降水量分布具有较好的对应关系, 降水量大的地区其降水厚度一般较为深厚, 降水少的地区则降水厚度比较浅薄。对流和层云降水厚度存在明显差异, 对流降水一般要比层云降水深厚。青藏高原及其周边地区降水厚度水平分布的日夜差距不大, 但季节变化非常明显, 且与气候系统的季节变化紧密相关。     

星载测雨雷达探测的夏季亚洲对流与层云降水雨顶高度气候特征

利用热带测雨卫星测雨雷达的10年探测结果,对夏季亚洲对流降水与层云降水雨顶高度分布、雨顶高度与地表降水强度的关系、雨顶高度日变化特征进行了研究。结果表明,青藏高原和中国东部平原的多数(70%以上)对流降水雨顶高度分布在8—12和5—10km,其他地区分布在5—9km;陆面对流降水雨顶平均高度高于洋面。洋面和陆面层云降水雨顶高度没有明显差异,多在5—8km。夏季亚洲浅对流降水比例少,而深厚对流主要出现在中国东部平原、西南、印度次大陆西部至伊朗高原东部地区,比例约40%。洋面和陆面的弱对流降水的雨顶平均高度在7—8km,弱层云降水相应的雨顶平均高度多小于7.5km;陆面约90%的强对流降水雨顶平均高度在9km以上,而强层云降水雨顶的平均高度通常不超过8.5km。夏季亚洲对流降水和层云降水的雨顶平均高度均随着地面平均降水率的增大而升高,两者遵从二次函数关系。对流降水及层云降水频次、强度和雨顶高度的日变化峰值分析表明,陆面这些参量的日变化强于洋面,并且三者的日变化基本同步。     

基于CloudSat、FY-2E资料的中国海域及周边地区深对流和穿透性对流特征

深对流在地-气系统的物质和能量交换中起着至关重要的作用,伴随而来的暴雨、雷电、冰雹等天气会对人类社会产生影响。利用CloudSat/CALIPSO和FY-2E卫星观测数据,研究了中国海域及周边地区非穿透性对流（DCwo）及穿透性对流（CO）的海-陆分布、云顶红外亮温和云团特征（包括对流系统（CS）和对流单体（CC）的面积、活跃性对流比、偏心率、最低亮温、平均亮温梯度）。结果发现:穿透性对流比非穿透性对流的云顶红外亮温更低,垂直高度上的雷达反射率更高;从发生次数来看,非穿透性对流/穿透性对流在海洋比陆地多,低纬度比高纬度多,夏季比其他季节多,冬季海陆差异最大;从云顶亮温的分布来看,海洋比陆地、穿透性对流比非穿透性对流集中分布区间的亮温值更低,穿透性对流的分布区间比非穿透性对流集中;从云团特征来看,对流系统/对流单体的发生频率随面积的增大而降低,穿透性对流比非穿透性对流、海洋比陆地更容易出现较大面积的对流系统/对流单体,海洋穿透性对流的活跃性对流比相对较高;偏心率在0.5以上的发生频率较高,对流系统形状更偏向于圆形,在海洋上更加明显;穿透性对流在海陆上的最低亮温集中分布区间为190-195 K,比非穿透性对流的分布更集中,平均亮温梯度在0.1 K/km以下的发生频率较高。      

热带测雨卫星测雨雷达探测的亚洲夏季积雨云云砧

热带测雨卫星(TRMM)测雨雷达探测产品资料中"其他"类型降水一直被忽略,它具有什么物理含义也无从知晓。文中利用个例分析和统计分析方法,对10年夏季亚洲"其他"类型降水进行了研究。个例分析结果表明"其他"类型降水的平均廓线表现了积雨云云砧特征,其廓线峰值(约0.6—1.0 mm/h)高度位于8—10 km,且云砧顶部具有0.8以上的可见光平均反射率和低于215 K远红外平均亮温;根据个例中积雨云云砧廓线特点,文中定义5 km以上各层累计降水率大于1 mm/h为云砧廓线,对亚洲夏季积雨云云砧样本进行了统计,结果表明该地区夏季云砧样本占"其他"类型降水样本总数的近70%;统计结果还表明夏季亚洲积雨云云砧出现频次为0.1%—0.4%,它至少超过对流降水频次的十分之一,亚洲云砧出现频次的特点是陆面高于洋面;云砧的结构特点表明云砧平均厚度3—4 km,其底部高度约6 km,顶部高度在10—12 km;云砧的平均可见光反射率在0.8—0.9,远红外平均亮温低于220 K。     

星载测雨雷达探测的中国南部雨季对流性暴雨频次分析

利用星载测雨雷达1998-2007年10年观测结果,对雨季我国南部(35°N以南地区)对流性暴雨、大暴雨、特大暴雨频次及其占局地总降水比例进行了研究.结果表明,暴雨主要分布于两广至云贵高原东部,其频次大于1.2%,最大可超过1.8%;大暴雨主要出现在广东西部至云贵高原东南、福建与江西交界附近、大别山西南侧、江淮至黄淮东...     

基于测雨雷达资料的青藏高原东坡夏季降水的分析

本文基于2000～2014年共计15年夏季（6～8月）的TRMM卫星PR（测雨雷达）探测结果2A25资料,对高原东坡及临近区域降水的水平、垂直分布特征,以及日变化特征进行了分析,结果揭示了高原对降水的影响。由降水样本数占PR总观测样本数的比例可知,降水频次表现为高原低、东部盆地高的特点,平均降水强度也类似。层云降水频次高于对流降水,但平均降水率低于对流降水。降水的垂直分布表明,下垫面高度超过3km时,降水率廓线峰值出现在5～6km,而其它地区峰值出现在3～4km高度。该区域的降水以夜雨为主;高原上的对流类型降水主要发生在白天,盆地和丘陵地区降水主要发生在夜间。     

青藏高原闪电和降水气候特征及时空对应关系

基于1998—2013年的TRMM (tropical rainfall measuring mission) 数据,分析青藏高原闪电活动与降水气候特征及时空对应关系,结果表明:青藏高原 (简称高原) 的闪电活动中心在高原中部和东北部,中部最大闪电密度达到6.2 fl·km-2·a-1;但高原降水最活跃的区域是东南部,年降水量超过800 mm。闪电活动和降水随月份均呈现出先西进再东退的特征,但高原东北部强闪电活动区位置几乎不变化。在固定区域闪电和降水月变化具有一致性,活跃期出现在5—9月,呈单峰结构,除西部和东南部外,闪电与降水峰值月份吻合。结合TRMM降水特征 (简称PFs) 资料研究单个闪电表征降水量 (rainyield per flash,RPF) 的空间分布特征表明,闪电活动可以作为高原深对流的指示因子,而RPF可以有效表征深对流系统在整个降水系统中的比例。高原中西部和东北部深对流系统在整个降水系统中的比例最大,而在高原东南部最小,高原东南部的降水更多由暖云降水系统贡献。     

TRMM测雨雷达对1998年东亚降水季节性特征的研究

利用热带测雨计划卫星上的测雨雷达得到的降水资料,对1998年东亚降水,特别是中国大陆东部、东海和南海的降水,进行了分析研究,并对比了热带降水研究结果。年统计结果表明,东亚地区层状云降水出现概率极高(比面积达83.7％),对流云降水的比面积仅占13.6％,然而两者对总降水量的贡献相当。结果还表明,暖对流云降水出现的比例和对总降水量的贡献很小。在季节尺度,对流云和层状云降水的比与两者的面积比成比例关系。除夏季外,测雨雷达降水量与GPCP降水量可比性好。研究结果还指出:在中纬度陆地和海洋上对流云和层状云的比降水量和比面积呈相反方向作季节性南北移动,这一活动与东亚季风变化一致;该地区降水的季节性变化还表现为降水垂直廓线的变化。除冬季外,南海地区降水垂直结构呈热带特征。CRAD分析表明,对流云降水的地面雨强变化大,尤其在陆地上,而层状云多表现为地面弱降水。     

中国东部夏季暴雨的年代际跃变及其大尺度环流背景

本文利用1960~2011年中国东部地面测站的逐日降水资料和JRA-55再分析资料探讨了夏季暴雨分布的年代际跃变及其相关联的大尺度环流异常特征。基于暴雨频数和占比(夏季暴雨占比是指5~8月暴雨降水量对总降水量的贡献百分比)的分析结果表明:中国东部夏季暴雨分布在20世纪70年代末和90年代初经历两次反相的经向"三极子"跃变。中国东部夏季暴雨的年代际演变过程可分为三个时段:1960~1979年为华南和华北暴雨偏多、江淮流域暴雨偏少的经向"三极子"分布;1980~1991年为南方和华北暴雨偏少、江淮流域暴雨偏多的经向三极子"分布;1992~2011年为南方暴雨显著偏多、华北暴雨持续偏少,逐渐形成经向"偶极子"分布,并导致近十多年我国夏季"南涝北旱"的整体格局。1970年代末(1990年代初)跃变相关联的大尺度环流异常配置:东亚夏季风的减弱(增强),西太平洋副高的增强西伸但南撤(北抬),南亚高压的减弱南缩(增强东扩),以及蒙古高原中低层的气旋式(反气旋式)环流异常。与此同时,低层局地环流也发生调整:华北和黄淮地区以及华南和江南地区均为反气旋式(气旋式)环流异常,而江淮流域和四川盆地受控于风场切变式辐合(辐散)异常;涡度场发生相应变化,南北方大部分地区的负(正)涡度异常不(有)利于低涡的发展,而江淮流域和四川盆地的正(负)涡度异常有(不)利于低涡的发展,进而引发江南和华南暴雨减少(增加)、江淮流域和四川盆地暴雨增加(减少)、黄淮和华北暴雨减少(增加)的经向"三极子"跃变。     

Morphological Characteristics of Precipitation Areas over the Tibetan Plateau Measured by TRMM PR

The multidimensional morphological characteristics(including scale, horizontal shape and 3 D morphology) of precipitation areas over the Tibetan Plateau in summer were studied using 15 years(1998–2012) of observational data from the precipitation radar onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission satellite. As the scale of the precipitation area increased from 20 to 150 km, the near-surface rain rate(RRav) of the precipitation area increased by up to 78%(from ~1.12 to ~2 mm h~(-1)). Linear precipitation areas had the lowest median RRav(~1 mm h~(-1) over the eastern Tibetan Plateau),whereas square-shaped precipitation areas had the highest median RRav(~1.58 mm h~(-1) over the eastern Tibetan Plateau).The 3D morphology was defined as the ratio of the average vertical scale to the average horizontal scale, where a large value corresponds to thin and tall, and a small value corresponds to plump and short. Thin-and-tall precipitation areas and plump-and-short precipitation areas had a greater median RRav, whereas the precipitation areas with a moderate 3D morphology had the lowest median RRav. The vertical structure of the precipitation-area reflectivity was sensitive to both size and 3D morphology, but was not sensitive to the horizontal shape. The relationship between RRav and the morphological characteristics was most significant over the southern slopes of the Tanggula Mountains and the Tibetan Plateau east of 100°E. The morphological characteristics of precipitation areas are therefore closely related to the intensity of precipitation and could potentially be used to forecast precipitation and verify numerical models.     

用PR资料分析热带气旋卡特里娜降水特征

利用TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 卫星降水雷达 (Precipitation Radar,PR) 资料对2005年8月发生在墨西哥湾的热带气旋卡特里娜 (Katrina) 初生、发展和变性3个阶段的层状云和对流云的近地面降水和降水垂直廓线进行分析。结果表明：在热带气旋的整个生命期,对流性降水个数约是层状云降水个数的四分之一;随着气旋的发展,对流性和层状云降水的平均强度逐渐增强, 在登陆前有所减弱,登陆后对流性降水和总平均降水均增强,层状云降水稍有减弱;大部分降水廓线都随高度升高均呈现先略增大 (到4 km高度)、再减小的趋势,在6~7 km处由于冻结层的存在使得降水达到最小值。     

Validation of Daily Precipitation from Two High-Resolution Satellite Precipitation Datasets over the Tibetan Plateau and the Regions to Its East

Daily precipitation amounts and frequencies from the CMORPH (Climate Prediction Center Morphing Technique) and TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 3B42 precipitation products are validated against warm season in-situ precipitation observations from 2003 to 2008 over the Tibetan Plateau and the regions to its east. The results indicate that these two satellite datasets can better detect daily precipitation frequency than daily precipitation amount. The ability of CMORPH and TRMM 3B42 to accurately detect daily precipitation amount is dependent on the underlying terrain. Both datasets are more reliable over the relatively flat terrain of the northeastern Tibetan Plateau, the Sichuan basin, and the mid-lower reaches of the Yangtze River than over the complex terrain of the Tibetan Plateau. Both satellite products are able to detect the occurrence of daily rainfall events; however, their performance is worse in regions of complex topography, such as the Tibetan Plateau. Regional distributions of precipitation amount by precipitation intensity based on TRMM 3B42 are close to those based on rain gauge data. By contrast, similar distributions based on CMORPH differ substantially. CMORPH overestimates the amount of rain associated with the most intense precipitation events over the mid-lower reaches of the Yangtze River while underestimating the amount of rain associated with lighter precipitation events. CMORPH underestimates the amount of intense precipitation and overestimates the amount of lighter precipitation over the other analyzed regions. TRMM 3B42 underestimates the frequency of light precipitation over the Sichuan basin and the mid-lower reaches of the Yangtze River. CMORPH overestimates the frequencies of weak and intense precipitation over the mid-lower reaches of the Yangtze River, and underestimates the frequencies of moderate and heavy precipitation. CMORPH also overestimates the frequency of light precipitation and underestimates the frequency of intense precipitation over the other three regions. The TRMM 3B42 product provides better characterizations of the regional gamma distributions of daily precipitation amount than the CMORPH product, for which the cumulative distribution functions are biased toward lighter precipitation events.     

Precipitation Structures of a Thermal Convective System Happened in the Central Western Subtropical Pacific Anticyclone

In this paper, characteristics of precipitating clouds in a thermal convective system (TCS) occurred in the southeastern mainland of China at 15:00 BT (Beijing time) on August 2, 2003 in the central western subtropical Pacific anticyclone (WSPA) is studied by using TRMM tropical rainfallmeasuring mission PR (precipitution radar) and IR Infrared radiation measurements. The precipitating cloud structures in both horizontal and vertical, relationship among storm top, cloud top, and surface rain rate are particularly analyzed. Results show that a strong ascending air at 500 hPa and a strong convergence of moisture flux at 850 hPa in the central WSPA supply necessary conditions both in dynamics and moisture for the happening of the TCS precipitation. The TRMM PR observation shows that the horizontal scale of the most TCS precipitating clouds is about 30-40 km, their averaged vertical scale is above 10 km, and the maximum reaches 17.5 km. The maximum rain rate near surface of those TCS clouds is beyond 50 mm h-1. The mean rain profile of the TCS clouds shows that its maximum rain rate at 5 km altitude is 1 km lower than the estimated freezing level of the environment. Compared with the mesoscale convective system (MCS) of "98.7.20", both systems have the same altitude of the maximum rain rate displayed from both mean rain profiles, but the TCS is much deeper than the MCS. From the altitude of the maximum rain rate to near surface, profiles show that rain rate reducing in the TCS is faster than that in the MCS, which implies a strong droplet evaporation process occurring in the TCS. Relationship among cloud top, storm top, and surface rain rate analysis indicates a large variation of cloud top when storm top is lower. On the contrary, the higher the storm top, the more consistent both cloud top and storm top. And, the larger the surface rain rate, the higher and more consistent for both cloud top and storm top. At the end, results expose that area fractions of non-precipitating clouds and clear sky are 86% and 2%, respectively. The area fraction of precipitating clouds is only about 1/8 that of non-precipitating clouds.     

青藏高原、中国东部及北美副热带地区夏季降水系统发生频次的TRMM资料分析

利用1998—2011年夏季（6—8月）TRMM卫星资料分析青藏高原（TP）、中国东部（EC）及北美副热带西部（WNA）和东部（ENA）降水系统的发生频次,定义降水系统为TRMM测雨雷达观测到近地面有降水的相邻像元组成的个体,即RPF （Radar Precipitation Feature）,将RPF分为全体RPF、大面积RPF（面积＞1000 km2）和小面积RPF（面积不＜400 km2）3组,对比分析四个区域内各组的RPF个数发生频次和RPF像元个数发生频次,主要结果如下：（1）全体RPF的个数发生频次在青藏高原地区最高,北美东部地区最低;全体RPF的降水像元个数发生频次在中国东部最高,青藏高原最低。（2）四个区域内RPF发生频次的日变化主要为单峰结构,峰值出现在当地午后至傍晚,且大面积RPF的峰值时间晚于小面积RPF的;中国东部地区RPF降水像元个数发生频次则具有双峰结构。（3）RPF降水像元个数发生频次的分析结果与以往基于地面观测降水量的分析结果相似。