云分析方法对浙江省一次强对流天气数值模拟的应用初探

基于云分析方法,利用WRF-ARW模式设计一套快速更新循环同化方案,对2019年3月21至22日发生在浙江省的一次强对流天气过程进行模拟研究。通过设计两组对比试验,对云分析同化雷达反射率效果进行诊断分析。在控制试验中,模拟降水落区和降水量与实况差别较大,而采用云分析方法同化雷达反射率（CA-DA）的模拟试验中,降水模拟效果相对较好,雨带明显东移,强度与实况接近。初步结果表明,利用云分析同化雷达反射率因子可以改进模式初始场的风、温度、水汽场以及水凝物等信息,进而缩短模式spin-up时间,提高降水落区及强度的预报。     

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。     

LAPS在冰雹云模拟中的应用

LAPS是中国气象局武汉暴雨研究所引进的中尺度分析系统,能融合区域内多种非常规观测资料,提供高分辨率中尺度分析场。该文对探空资料和LAPS分析场两种初始场的大气层结和环境风场信息进行了比较,并应用探空资料和不同时次的降雹点的LAPS分析场作为三维对流云模式的初始场对2008年7月27日、28日湖北西部山区冰雹天气过程进行数值模拟,并将模拟结果与观测实况进行了对比分析,最后对27日降雹过程应用临近降雹时次的LAPS分析场作为云模式初始场模拟的回波、风场和垂直速度等特征进行了分析,以探讨LAPS用于云数值模式的适用性、优越性以及冰雹云发生发展特点。结果表明: LAPS输出场用于云模式初始场进行冰雹云数值模拟具有时空上的优势,能更好地模拟出午后局地降雹,可以弥补探空资料作为云模式初始场的不足,应用临近时次的LAPS分析场作为云模式初始场的数值模拟能体现出冰雹云发展过程中多次增强等细节,有利于人工防雹作业预警和催化方案的确定。     

一次冰雹过程及雹云物理结构的数值模拟研究

利用常规高空、地面观测资料和多普勒雷达资料,采用中尺度数值模式(WRF),对发生在浙江省的一次冰雹天气过程进行了综合分析和数值模拟,从气流、温度结构以及雹云中的各类微观物理量的时空变化分析了此次冰雹过程的宏微观演变特征及形成机制。结果表明,该次强对流天气是在大尺度动力不稳定、热力不稳定的环境场和上干下湿的不稳定层结下发生发展的,边界层中尺度辐合线作为抬升触发机制释放不稳定能量。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况基本符合;模拟的水汽辐合区、能量锋区以及雷达反射率因子高值区接近辐合线。模拟的雹云属多单体风暴,具有明显的合并发展特征;霰(雹胚)通过雪晶的碰冻过程及过冷雨滴冻结产生,后碰并增长转化形成冰雹,冰雹通过碰冻过冷水滴和碰撞收集冰雪晶快速增长,最终降落至地面。其中,雹云内的过冷雨水累积带对霰及雹的产生及增长至关重要。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

阿克苏地区冰雹云特征的研究

通过普查阿克苏地区8县1市、10个气象站和120个防雹作业点1991～2000年4～9月在地区人工防雹作业阶段的降水、降雹情况及对应的雷达回波生消演变情况,对地区冰雹云天气发生背景、雹云路径及雷达回波、降雹情况等进行分析,摸清阿克苏地区冰雹云的活动规律和结构特征,改进地区人工防雹的作业模式,提高全地区人工防雹作业效益.     

云分析系统在台风莫拉菲数值模拟中的应用

借鉴美国CAPS开发的中尺度ARPS模式的资料分析系统ADAS,设计了基于GRAPES_Meso的云分析系统,实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合融合应用。通过对登陆台风莫拉菲 (0906) 数值模拟检验云分析系统的性能。结果表明:云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出合理的三维云覆盖状况;在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,进而反演出云水、云冰、雨水、雪、霰等云微物理量,并显著改善模式初始湿度场;在台风登陆过程的模拟中,虽然对台风路径的预报有所偏差,但对比控制试验,在台风登陆地点、台风强度、路径的预报中云分析发挥了正作用;通过对云分析后初始场反演的雷达回波进行检验,验证了云分析的可行性与正确性,对整体的降水预报效果也有明显改善。     

GRAPES-Meso云分析系统的设计与试验

研究应用LAPS(Local Analysis and Prediction System)云分析方案,基于美国"风暴分析预报中心"开发的中尺度模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),开发了GRAPES-Meso(Mesoscale of the Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域中尺度数值预报模式的云分析系统,首次实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合同化应用。详尽分析了地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率多种观测资料对GRAPES模式初始三维云覆盖、多相混合比等云微物理因子以及初始场的调整。通过对2009年6月28日至7月4日湖南省一次强降水过程的模拟试验检验云分析系统的性能,对比分析表明:(1)云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出三维云覆盖状况;(2)在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,能够反演出云水、雨水、云冰等微粒,并显著改善模式初始湿度场;(3)云分析系统能够显著缩短模式的热启动时间,明显增大了开始几小时的降水量预报,对24小时的降水预报效果也有显著改善。     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。     

一次冰雹云过程及其冰雹形成机制的模拟研究

利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料,从天气形势和雷达回波演变特征等方面对2011年6月24日发生在洛阳嵩县的一次冰雹过程进行了分析,并利用三维弹性冰雹云催化模式对该冰雹云进行了模拟研究,分析其冰雹形成的物理机制。结果表明:本次过程在天气形势上属于下滑冷槽型。多普勒天气雷达资料上表现为单个单体的强对流风暴,最大反射率≥65 dBz,回波顶高达到14 km,降雹前垂直积分液态含水量具有明显的跃增;径向速度场上出现了大范围明显的逆风区。三维冰雹云模式对该冰雹云具有较好的模拟能力,模式模拟的最强回波与实况一致,雹云中含水量中心与强上升气流有很好的配置,在云的发展阶段,主含水量中心是强上升气流的指示。冰雹的雹胚主要来自冻滴和霰,在冰雹形成期间,冻结形成的冻滴和转化产生的霰数量上相差不大,但是冻滴向雹的转化比例却是霰的6倍,即在地面强降雹之前,雹云中的雹胚主要来源于冻滴;而冰雹的增长在前期主要靠收集过冷雨水,后期主要靠收集过冷云水;适量的冰晶、雪和丰富的过冷水的存在对雹的形成和增长极为有利。     

夏季雷暴云雷达回波特征分析

根据南昌713雷达2000年6－7月取获的雷暴云回波资料，结合雷电灾害实况，对夏季雷暴云回波特征、天气形势及大气稳定度进行初步分析。结果表明，强雷暴云回波特征为：最大顶高达17－18km，最大强度达55dBz；大多数强雷暴云回波的强度为40－45dBz，主要产生在水平尺度大于30km的雷暴团和雷暴短带上，强雷电与强降水、雷雨大风、冰雹等强对流天气一样，与地形有关，而且均来自强烈发展的雷暴。     

Comparison of Precipitation Observations from a Prototype Space-based Cloud Radar and Ground-based Radars

A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars.     

用雷达反射率作对流性降水和层状云降水自动分类

为提高雷达定量测量降水的精度,利用武汉CINRAD/SA雷达反射率数据,研究提出了对流性降水和层状云降水自动分类算法(ACSS)。该算法在二维反射率结构场初步分类降水的基础上,识别亮带并从体扫描数据中提取降水的三维结构特征,然后对初步分类结果进行订正。试验表明,ACSS能较准确地实现对流性降水和层状云降水的自动分类,相对于只根据二维结构分类降水性能上有较大提高,主要表现在能正确识别出亮带特征明显的强层状云和对流核外沿的对流弱回波区。     

双多普勒雷达观测在一次雹云结构中的应用北大核心

利用常州站和泰州站双多普勒天气雷达探测数据,结合常规观测资料和ERA5再分析资料,综合分析了2019年7月6日一次强对流天气过程的天气形势、雷达回波强度演变特征和双多普勒雷达反演的三维流场信息。重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点流场,并结合回波特征分析雹云的结构。结果表明:强对流天气过程中,江苏受高空冷涡影响,在高空冷槽、高空急流、低层切变线和地面辐合线的配置条件下,形成了上干冷、下暖湿的层结不稳定结构。本次过程中,雹云不仅具有典型的强对流单体雷达回波特征,在中层强回波中心处,还有明显的“S”型水平流场结构。雹云的低层,是明显的辐合与旋转配置的水平流场。深厚的零线结构是成雹的典型特征。     

弱冰雹云雷达回波结构特征分析

综合多种观测资料,对黑龙江省2005年初春产生的历史上少见的大范围冰雹天气进行了分析.讨论了雷达反射率因子与径向速度场的特征,着重分析回波演变过程中结构的变化.初春较低的温度,使得对流发展高度较低、强度较弱,不能使用通常的标准进行强天气判断.由于回波强度较弱,冰雹天气未出现典型特征回波,但径向速度特征表现的较为明显,在春季中尺度辐合辐散特征仍是较明显.对初春与其他季节产生冰雹的不同变化特征进行了分析和研究,对深入认识不同季节产生冰雹的雷达回波特征具有重要意义.     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征,提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数,它们分别是:组合反射率及其水平梯度,反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图,用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区,统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征;最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数,利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验,并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较,结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云;由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征,它容易把对流核的外围识别成层状云,把厚实的层状云识别成对流云,而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

基于遥感探测的不同类型降水云识别方法

降水云类型监测的手段主要有地基的新一代多普勒天气雷达和空基的气象卫星,该文介绍了利用雷达和卫星对不同类型降水云监测的原理和方法,对国内外使用神经网络法、阈值法、小波分析等方法进行不同类型降水(对流性降水、层状云降水和混合云降水)云系/云团识别的研究结果和进展进行了简要综述,主要介绍阈值法,并对两种监测手段存在的问题进行了阐述。