风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

风廓线雷达资料在北京秋季雾霾天气过程分析中的应用

利用L波段风廓线雷达资料,对北京2014年10月7-10日持续性雾霾天气过程的机理进行了研究,结果表明:低空偏南气流对雾霾的维持和发展有明显影响,当偏南风速大于8m/s时对大气扩散能力有一定改善作用,会抑制PM2.5浓度的持续增加;中低空弱冷空气扰动的下传高度决定了对污染物浓度的影响,当扰动不能到达近地层时,对污染物浓度影响较为微弱;雾霾维持阶段,近地层信噪比强度一般为10~35dB,可反映雾霾层的厚度;折射率结构常数可用于判断大气边界层高度变化情况,在热力湍流和污染物粒子散射作用下,白天边界层折射率结构常数可比夜间增大约3个量级。     

风廓线雷达探测大气返回信号谱的仿真模拟

利用2008年1—9月北京延庆地区对流层CFL-08风廓线雷达和2009年7—12月广东东莞地区边界层CFL-03风廓线雷达晴空大气探测资料,对大气返回信号功率谱密度分布及雷达系统噪声幅度统计特征进行分析。基于大气返回信号的谱分布符合高斯分布的统计结果,采用高斯模型对大气返回信号谱进行模拟;雷达系统噪声是白噪声,其谱线幅度的统计特征呈高斯分布,在此基础上,通过生成高斯分布随机函数对雷达探测输出信号进行信号谱分布的仿真模拟,并采用雷达探测信号的谱参数对仿真模拟进行检验,效果较好。该文应用仿真模拟的数据,对风廓线雷达信息处理方法及其处理精度进行了初步试验和分析。     

风廓线雷达大气风场观测误差分析

依据风廓线雷达工作原理和风的计算公式,分析影响大气风场观测误差的主要因素,重点分析了雷达回波SNR对风的观测精度影响和GPS探空对比试验。结果表明:①风速观测精度主要取决于波束倾角、雷达技术参数和大气折射率结构常数C2n的垂直分布;风速及风速观测精度越大,风向观测精度越大。②在同种观测模式下,波束倾角与C2n越大,风场观测精度越高。③同一观测模式的SNR越大,风速观测误差越小;不同模式间的大气风场观测精度相差较大。④对比试验的风速风向相关性较好,但相对偏差较大,尤其低空更为明显。     

临安一次梅雨锋暴雨过程的风廓线雷达探测资料分析

利用临安CFL-03型边界层风廓线雷达探测资料对2017年6月23—24日的一次梅雨锋暴雨过程进行了详细分析,结果表明风廓线雷达能够揭示江淮梅雨系统中的中尺度切变线特征,低空切变线是这次暴雨过程的降水主要集中在降水前段和后段的主要原因,高空西风急流使降水得以维持发展。由功率谱数据估算的回波强度反映了此次暴雨过程的发展变化细节,降水集中区的降水云体发展深厚,达到5 km以上。垂直速度和大气折射率结构常数(C_n~2)与降水的变化趋势一致,10 mm的降水量对应的垂直速度接近7 m/s,C_n~2对数值接近-11。由于与降水的良好对应关系,风廓线雷达产品可以应用于强降水灾害天气的监测业务。     

风廓线雷达简介

风廓线雷达包括边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达、可移动风廓线雷达等系列产品 ,在气象、军事、航空、航天及全球变化研究等方面具有广泛的用途。其中边界层风廓线雷达在大气边界层空气质量、中尺度天气预报、垂直风切变、湍流、尾涡流研究等方面发挥着很好的作用 ,特别是在对飞行有严重影响的低空风切变、下击暴流的研究方面 ,目前还没有其它可替代的探测产品。边界层风廓线雷达是多普勒雷达的一个分支 ,它能可靠地提供从近地面到高空约 3公里高度处连续的实时水平风分量、垂直风分量、水平风分量垂直剖面图以及从近地面到高空约 1 5公…     

一次降雨过程风廓线雷达特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据和自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究了降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450-950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气的监测。     

小波变换在风廓线雷达探测大气边界层高度中的应用研究

大气边界层的高度是污染物扩散模式、气候模式、大气模式的一个重要输入参数,边界层高度的变化对数值预报中的物理过程,天气预报的诊断分析,城市污染物的监控也有相当重要的作用。然而,边界层高度的连续监测缺乏有力的手段,风廓线雷达凭借其高时间分辨率和空间分辨率,加上其能够连续探测等优点,可以成为连续监测边界层高度的有效工具。利用协方差小波变换对风廓线雷达距离订正后信噪比数据进行分析,来确定边界层的高度,并与无线探空仪确定的边界层高度进行比较,通过分析得到:(1) 协方差小波变换应用于边界层高度的确定时,尺度因子a和平移因子b的选取很关键,不同的a和b值得到的结果可能差异很大,在计算过程中要仔细选择合适的值;(2) 质量控制对正确判断边界层高度至关重要,好的质量控制方法可以起到剔除突变点的作用,使确定的边界层高度更符合实际情况;(3) 在晴空条件下,如果边界层湍流不均匀及杂波影响较大时,梯度法将不适用,它容易受到大气湍流不稳定以及其他因素引起的信噪比突变而产生较大误差,而协方差小波变换法作为梯度法的改进,能够较好地确定边界层的高度;(4) 通过质量控制,小波变换法和探空仪确定的高度很一致,两者的相关系数达到0.87。      

一次降雨过程风廓线雷达回波特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据与自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450—950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气监测提供参考。     

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。     

Profile and Character of Atmospheric Structure Constant of Refractive Index Cn2

Random fluctuations of turbulence bring random fluctuations of the refractive index, making the atmosphere a random fluctuation medium that destroys the coherence of light-waves. Research in atmospheric turbulence is actually the investigation of the atmospheric refractive index. The atmospheric structure constant of refractive index, Cn2, is an important parameter denoting atmospheric turbulence. In this paper, Cn2 is measured during the day and at night and in all four seasons using a high sensitivity micro-thermal meter QHTP-2. The vertical profile of Cn2 in Hefei (0–30 km) is investigated by the analysis of experimental data. The average profile of Cn2 in Hefei exhibits conspicuous day and night differences with increased altitude. The distribution of log(Cn2) is nearly normal and has conspicuous seasonal differences.     

基于风廓线雷达资料的暴雪天气过程分析

利用常规观测资料和风廓线雷达产品对平顶山市2014年2月5—6日的暴雪天气过程进行诊断分析,结果表明:欧亚地区"两槽一脊"的环流背景下,700 h Pa西南急流、850 h Pa切变线和地面中尺度辐合线是这次暴雪的影响系统。风廓线雷达水平风资料可以清楚地展示暴雪过程风场"天南地北"的垂直结构及其变化特点。2500 m以上出现西南急流,同时720 m以下出现东北风,降雪开始。2500 m以上西南急流最大风速达到20m·s~(-1),近地面出现12 m·s~(-1)的东北风,降雪开始加大;近地面东北风减弱,降雪减弱;西南急流消失,近地面层出现偏北风,降雪停止。垂直速度的大小与降雪的强弱一致,降雪越强,速度越大;垂直速度小于0.5 m·s~(-1),降雪停止。大气折射率常数C2n在-144~-120 d B且接地,为降雪时段。降雪越强,C2n越大;C2n小于-144 d B时,降雪停止。垂直速度、折射率结构常数等指标的变化能够反映降雪的开始、发展和结束及降雪的强度,为精细化预报提供参考。     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

风廓线雷达资料在重庆暴雨过程中应用分析

本文首先利用2013年沙坪坝探空站资料与沙坪坝风廓线雷达资料进行对比分析,计算出逐月不同高度上两种资料中风速、风向均方根偏差,验证风廓线雷达资料的可用性。计算结果表明,风廓线雷达资料与探空资料风速、风向的均方根偏差在500hPa以下层次较小,资料具有较高的可用性。但随着高度继续增加,两者风速、风向偏差均增大,资料可用性降低。在此基础上,选取2013年6月8～9日重庆一次暴雨天气过程,对比分析中低层影响系统在探空观测和风廓线雷达观测中的演变,结果表明,降水过程前后,探空资料可显示有低槽、切变线、冷锋过境,但受时间分辨率限制,无法揭示具体过境时间和演变细节。而风廓线雷达资料能更为细致的显示低槽、切变线、锋面具体过境时间以及西南气流强度变化,为降水预报提供更多可参考信息。     

基于风廓线雷达的对流边界层高度的确定

大气边界层高度对于天气、气候和大气污染研究是一个至关重要的参量。对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部的夹卷过程造成温度和湿度垂直梯度增强,导致这一层的折射率结构常数C■变高。C■的这种垂直分布特征经常被用来定位出CBL高度Z_i。本文利用2010年7—8月天津大港的风廓线雷达数据推断出CBL高度Z_i,对于多重C■峰值或不明确的C■峰值,本文改进了对Z_i的测定,分别讨论了C■最大后向散射法与C■和垂直速度方差(σ■)相结合的新方法的适用性。研究显示:(1)C■廓线具有单峰时,最大后向散射强度法能正确估计CBL高度,这种情况往往对应的是晴天。CBL上存在的残留层或云层引起的温湿起伏变化导致C■廓线具有双峰甚至多峰时,最大后向散射强度法可能会错误估计CBL高度;(2)C■和σ■结合的方法不仅与晴天时C■最大后向散射法有较好的一致性,而且可以将CBL造成的C■峰值从云层造成的C■峰值中区分出来,从而正确估计CBL高度;(3)一般而言,对流边界层中存在有明显的、破碎或者分散不明显的云时,C■和σ■结合的方法都能较好地识别出CBL对应的C■峰值。但由于边界层中的情况极为复杂,C■和σ■结合法也会因不同的原因而错误估计CBL高度。     

基于数据产品的风廓线雷达故障识别

风廓线雷达是一种以大气湍流为主要探测对象的晴空测风设备,近年来普遍使用。其资料的应用广泛,对数据产品的可用性要求越来越高。本文以1456D/F型两种布网风廓线雷达为研究对象,收集了22个产品异常个例,并对其进行了分类,分析了数据产品产生异常的原因;基于数据产品异常,总结出识别与分析风廓线雷达故障的经验方法及排查流程。有利于提高省级、台站业务人员识别风廓线雷达异常数据产品的能力,有效保障数据的正常采集与上传,从而为预报服务提供更准确的探测数据。     

风廓线雷达资料在暴雨天气过程特征分析中的应用

为了研究风廓线雷达在暴雨天气过程预报中的作用,对2008年6月1日至6月2日云南大理发生的一次暴雨过程进行研究。结果表明,降水前三维风的脉动变化较大,水平风在垂直方向上存在风速切变,最大探测高度明显升高;降水期间可以对降水性质进行判断;降水期间功率谱密度出现双峰谱,能测出垂直气流速度及下降粒子速度,通过这样的分析,便于开展更深层次的降水物理过程研究。     

新一代雷达风廓线与探空风廓线资料相关分析

利用南昌新一代多普勒天气雷达获取的2002～2005年37次（共计614组样本）完整风廓线资料,与同期探空风廓线进行相关分析。结果表明：探空风廓线与雷达风廓线之间具有比较好的相关性。风向相关系数R≥0．6次数占总数78％,其中R≥0．8次数占总数60％。风速相关系数R≥0．6次数占总数81％,其中R≥0．8次数占总数57％。随着高度增加,探空风向与雷达风向的相关度明显降低,风速的相关变化不大。     

大气折射率湍流结构系数C2n的观测试验

以美国NOAA波传播实验室估算大气折射率湍流结构系数的模式为基础，经过数值试验和观测对比调试，给出了一个得到我国雷达测值验证的实用的C2_n估算模式。     

风廓线雷达估算大气返回信号功率方法研究

基于风廓线雷达大气返回信号功率谱中噪声电平的估算方法,统计分析了北京延庆对流层风廓线雷达（CFL-08）2006年10～12月的探测数据。对该频段风廓线雷达环境噪声的空间和时间变化进行了分析,观测期间环境噪声在5km以下随高度递减,10月的平均环境噪声大于11月、12月的平均分布。给出目前风廓线雷达用信噪比估算大气返回信号功率的两种方法,并对两种方法进行了环境噪声的剔除,经过修正后的大气返回信号功率输出结果趋于一致。