降雨强度对激光雷达测风精度的影响研究

多普勒激光雷达在大气、环境以及风能等领域得到越来越广泛的应用,但对于复杂天气下多普勒激光雷达的适用性仍然有待深入研究。为此本研究采用2020年8—10月期间位于福建三沙的地基多普勒激光雷达与边界层高塔所搭载的超声风温仪观测的风场数据进行对比,发现多普勒激光雷达在水平风速、风向方面具有稳定的高精度探测性能,与超声风温仪之间相关系数达到了0.948和0.984。相比之下,激光雷达垂直风速的探测误差较大,与超声风温仪之间相关系数仅有0.353。研究发现,降雨强度与激光雷达垂直风速误差呈正相关关系,强降雨下垂直风速偏差最大可达到9 m/s。     

Formation of horizontal convective rolls in urban areas

The formation of horizontal convective rolls (HCRs) in urban areas is investigated in this paper using observations and fine-scale numerical simulations. Cloud streets organized parallel to the mean boundary-layer wind (a manifestation of HCRs) are seen in the Fengyun-2C satellite imagery around local noon in Beijing. Observed vertical velocity and horizontal wind fields from an urban wind profiler suggest that the time scale for alternating updraft and downdraft in the boundary layer is about 30 min, and the length of the updraft/downdraft is about 9 km. Numerical simulations show that most HCRs occur in the urban areas with − z_i / L < 25 (z_i: the boundary-layer depth, L: the Monin–Obukhov length). Sensitivity tests reveal that HCRs are common in urban boundary layers, while rural areas are more conducive to forming cellular convection; the aspect ratio of HCRs in urban areas is smaller than the typical value over natural landscapes.     

测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s-1,然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s-1,风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

利用双多普勒雷达分析对流云垂直运动结构试验

对流云是我国南方地区主要的降水云系, 含有丰富的云水资源, 是南方人工增雨作业的主要对象。为了研究江淮地区对流云发生发展规律, 利用双多普勒雷达反演技术分析了发生在2004年7月31日的一块对流云不同发展阶段的垂直运动结构。对流云在发展阶段以上升气流为主, 底层辐合明显, 结构紧密; 成熟阶段的上升与下沉气流势力相当, 且比发展阶段强盛, 强回波位置下移, 结构较发展阶段松散; 减弱阶段上升和下沉速度均减小, 水平辐散增强。结果表明:反演的不同阶段对流云垂直运动结构合理, 可以利用双多普勒雷达反演技术进行对流云三维运动结构研究。     

风廓线雷达在高空风场分析中的应用

利用大连风廓线雷达高时空分辨率风场观测资料,统计2011年雷达站上空各层水平及垂直风速的分布特征.通过分析发现:最大水平风速通常出现在12 km上下,受高空急流的影响,各季节高空最大水平风速出现高度不同,4 km以下高空水平风速随高度的变化各月份存在一定差异,4 km以上至最大风速层,水平风速随高度的升高而增大,最大风速层以上至雷达测量的上限水平风速随高度增加先减小后增大;高空垂直风速在夏季较为明显,秋季次之,冬春季节最小;6月是全年月均垂直风速最大的月份,在500～1300 m高度层存在一个上升气流中心,平均风速大于0.6 m/s,2月各高度平均垂直风速全年最小.     

“2013·7·21”杭州湾北岸短时大暴雨的中尺度分析

利用FY 2E卫星的TBB资料、多普勒雷达资料、中尺度自动站资料以及基于WRF模式的5 km全程同化数据,对2013年7月21日杭州湾北岸短时大暴雨天气进行了中尺度分析,结果表明：此次对流性暴雨发生与近地面西南偏西气流和东南偏东气流的辐合作用密切相关,湖州东部地区由局地热对流引起的偏西气流出流增强了嘉兴西部地区的偏西气流强度,从而触发两股气流间的辐合扰动并产生对流运动,当对流运动发展到一定程度时,在对流层低层出现了下沉气流,其中一部分气流向东契入近地面的偏东气流内,致使此处的辐合抬升运动加强,从而在对流层中层形成了新的垂直上升运动。此外,在对流性暴雨发生前0～3 km的环境风垂直切变较小,导致这次短时大暴雨过程中强对流单体的维持时间较短。暴雨区附近的近地面存在较为浅薄的中性或稳定层结,其上相对位温垂直递减明显,大气层结极不稳定。     

Coherence and Scale of Vertical Velocity in the Convective Boundary Layer from a Doppler Lidar

We utilized a Doppler lidar to measure integral scale and coherence of vertical velocity w in the daytime convective boundary layer (CBL). The high resolution 2 μm wavelength Doppler lidar developed by the NOAA Environmental Technology Laboratory was used to detect the mean radial velocity of aerosol particles. It operated continuously in the zenith-pointing mode for several days in the summer 1996 during the “Lidars in Flat Terrain” experiment over level farmland in central Illinois. We calculated profiles of w integral scales in both the alongwind and vertical directions from about 390 m height to the CBL top. In the middle of the mixed layer we found, from the ratio of the w integral scale in the vertical to that in the horizontal direction, that the w eddies are squashed by a factor of about 0.65 as compared to what would be the case for isotropic turbulence. Furthermore, there is a significant decrease of the vertical integral scale with height. The integral scale profiles and vertical coherence show that vertical velocity fluctuations in the CBL have a predictable anisotropic structure. We found no significant tilt of the thermal structures with height in the middle part of the CBL.The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation.     

Inland penetration of the sea breeze over the suburban area of Tokyo

Observational results of the structure of the sea breeze over the urban and suburban areas of Tokyo for four summer days are presented.On two of these days, the inland penetration of the sea breeze front could be clearly traced. In one case, the sea breeze was first observed along the shores of Tokyo Bay around 0900 JST, and propagated in three hours through the Tokyo City area, the width of which is about 20 km. It then advanced inland at a rate of 16 km h^–1. Prior to the arrival of the sea breeze at the suburban site, the mixing height had remained at about 600 m for four hours. With the arrival of the sea breeze front, accompanied by an abrupt change in wind speed and direction, the mixing height increased sharply to 1700 m. It is suggested that this behavior and the structure of the front are intensified due to the urban effect, or the difference in the thermal characteristics between the urban and rural areas.On the days without a sea breeze front, the land breeze system during the early morning was less intense, allowing the sea breeze to develop simultaneously with the inland valley wind and easily form a large-scale local wind system during the morning hours. In both cases, the vertical motion accompanying the local wind system works as a feedback mechanism to control the local winds by modifying the thermal and pressure fields.     

多普勒激光雷达风场反演方法研究

采用三维变分同化反演(3DVAR)、 四维变分同化反演(4DVAR) 对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究, 利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据, 反演了海面10 m高度处的风场, 并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析, 结果表明: 3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演, 并能反映出风向的变化, 反演风场与浮标数据基本一致, 在风速较大的天气情况, 3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况; 4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场, 使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场; 反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系, 反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系, 反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明, 这两序列之间具有一定差别, 在风速较小的天气情况下使用时需要注意。     

次千米至次百米高分辨率模拟的热带气旋眼墙低层极端上升运动特征分析

观测发现热带气旋(TC)眼墙附近低层(3 km以下)存在着强烈的上升运动,严重威胁低空观测飞机的安全,由于对实际TC观测的样本非常有限,目前对极端上升运动(大于10 m/s)的了解不多。通过三个水平分辨率自次千米(333 m)至次百米(37 m)大涡数值试验模拟眼墙附近低层上升运动的分布特征。结果表明,TC眼墙附近的最强上升运动主要分布在眼墙处最大风速半径(RMW)内侧,并且主要出现在台风眼墙强对流的一侧。对比不同试验发现,在大涡试验中,随着模式水平分辨率的提高,模式可以模拟出更强的上升运动,且极端上升运动最大频数的分布高度随着水平分辨率的提高而降低。研究表明,与现有观测结果比较,当大涡试验水平分辨率到达111 m时,可以模拟出与实际观测比较相似的极端上升运动空间分布和强度。      

The structure of the convective atmospheric boundary layer as revealed by lidar and Doppler radars

Results on the structure of the convective atmospheric boundary layer based on the analyses of data from the instrumented NSSL-KTVY tower, airborne Doppler lidar, and ground-based Doppler radars are presented. The vertically averaged wind over the boundary layer was found to be insensitive to baroclinicity, supporting the hypothesis of Arya and Wyngaard (1975). The computed momentum flux profiles were affected by baroclinicity. Horizontal wind spectra from lidar, radar, and tower data compared well with each other both in shape and magnitude. A consistent peak found near 4 km in all the computed spectra might have been caused by horizontally symmetric cells with horizontal wavelength 4 times the boundary-layer height as shown in Kuettner (1971) for the case of weak wind shear.     

采用不同背景场的龙卷模拟结果对比分析

采用常规气象观测资料,对2014年5月21日17:40广州市黄埔区九龙镇一次西风带龙卷的环流背景场进行分析,并利用FNL和ERA5再分析资料作为背景场模拟该龙卷过程,研究了不同再分析场对模拟效果的影响,结果表明:对于雷达回波、垂直速度、水平风场及水成物,FNL资料作为初始场对西风带龙卷的模拟优于ERA5资料.FNL再分...     

2008年1月末九江雨凇转大雪天气过程成因分析

对2008年1月25—29日九江市一次雨凇转大到暴雪天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明,在雨凇和降雪区域中层有暖层,低层有冷层,且存在对称不稳定层结。垂直风切变明显,有利于对称不稳定能量积累和上升气流的形成。高、低空急流辐散、辐合相互垂直,引发的较强上升运动是雨雪天气得以维持的重要条件。东西风向切变使冷、暖气流在雨雪区域上空交汇,形成水平气旋性辐合,产生垂直运动,且与垂直风切变相互作用,促动上、下层动量传递,使高、低空急流维持。雨凇转大到暴雪时,暖层气温降低,垂直风切变向上增强,对称不稳定能量增大,风向切变辐合加大,上升气流和水汽输送加大。     

一次局地暴雨过程的多普勒雷达特征分析

利用库尔勒多普勒天气雷达资料,对2008年5月发生在新疆巴州焉耆盆地的一次局地暴雨过程的回波特征进行分析。降水过程中,在库尔勒到焉耆盆地一带先后有两次飑线发展东移,是造成局地暴雨的中小尺度系统。径向速度所反映的在库尔勒到焉耆盆地一带低空存在明显的垂直风切变,雷达西南方向长时间维持西南气流,为暴雨提供了水汽辐合及垂直向上输送的动力条件。     

双基地激光测风雷达回波信号仿真研究

本文针对传统的体散射模型并未考虑大气不均匀性对信号传输的影响等问题,通过引入垂直非均匀的大气参数改进了模型,并利用其建立了体目标的双基地激光测风雷达方程,仿真了侧向散射回波信号,并与单基地雷达进行了对比分析。研究表明:水平方向上,双基地激光测风雷达的回波信号分布特征与单基地雷达差异较大,其回波信号等值线在近地面为卵形线,随着探测高度的增加,回波信号等值线逐渐变为以主、被动雷达为焦点的椭圆形,并最终趋近于圆形;垂直方向上,双基地激光测风雷达的回波信号随高度衰减剧烈,近地面的回波能量约为10^-10 J,4 km高度的回波能量约为10^-15J,在中低层大气(0~10 km),回波信号中气溶胶散射占比大,在高层大气(10 km以上),分子散射占比大。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

上海夏季海风锋及其触发对流的时空分布和环流背景分析

基于2011—2014年6—9月多普勒雷达、加密自动站和NCEP/NCAR再分析资料,对上海地区海风锋及其触发对流的时空分布和环流背景进行统计,得出主要结论:(1)近4 a来上海夏季海风锋登陆65次,其中海风锋触发对流19次。海风锋最早于09时登陆,平均持续时间为5.2 h。海风锋触发对流时段为13—15时,对流平均维持时间为2.5 h。海风锋触发对流多出现在市区、北部郊区和浦东新区,呈现强局地性;(2)根据海风锋登陆点将海风锋分成北支、南支和双支3种类型。海风锋类型与环境风向密切相关,环境风为东北风时形成南支海风锋,环境风为偏南风和西南风时形成北支海风锋,环境风为偏西风时形成双支海风锋。南支海风锋不易触发对流,这与其出现时上海的热力条件不如北支和双支海风锋出现时有关;(3)海风锋触发对流日的环流背景为:500 hPa副热带高压强盛,上海受副高控制;中低层西南风增温、增湿,促进层结不稳定;低层925 hPa为弱西风。海风锋触发对流日的大气可降水量和K指数显著大于无对流日,但与其它对流日无明显差异。      

Influence of Surface-Based Stable Layer Development on Asian Dust Behaviour Over Tokyo

The relationship between local meteorological fields and the behaviour of airborne Asian dust that arrived in the Tokyo metropolitan area on 1 April 2007 with the passage of a synoptic-scale cold front has been investigated through Doppler lidar observations, experiments using a regional atmospheric numerical model, and analyses of surface and upper-air meteorological observations. Results of the Doppler lidar observations showed that the Asian dust passed above the metropolitan area with strong south-westerly winds with speeds of 15–26 m s⁻¹. Meteorological fields reproduced by the numerical experiments showed the development of a surface-based stable layer in the metropolitan area caused by nocturnal radiational cooling near the ground surface and south-westerly warm air advection at upper levels. The blocking effect of the mountainous region located to the west of the metropolitan area induced an area of stagnant air inside the metropolitan area and promoted the stable layer development. Although strong downdrafts prevailed in the upper air, the airborne Asian dust did not spread to the ground when the stable layer was formed. These results strongly indicate that the developed stable layer prevented strong downdrafts from spreading to the ground, acting as an obstacle to the transport of the Asian dust particles from the upper air towards the ground. This is considered to be one of the main causes of the low appearance frequency of Asian dust phenomena near the ground in the Tokyo metropolitan area and eastern Japan.