非球形冰晶粒子毫米波IWC-Z关系的研究

冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。     

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.     

基于变分技术的天气雷达速度退模糊算法的改进研究

为有效地识别和提取多普勒天气雷达风场信息,对Gao和Droegemeier提出的基于变分技术的多普勒雷达径向速度数据退模糊方法进行了改进。原方法中将背景风场、方位和径向速度距离梯度信息同时作为约束条件,对Nyquist数进行校正。但是该方法在迭代过程中使用了大量的数值分析和偏微分方程计算,造成径向速度场过度平滑和数据失真。针对这个问题,改进算法在得到径向速度分析场后,结合原始径向速度观测场,通过图像变化检测法,自动识别存在速度模糊的区域及计算需要校正的Nyquist数,对观测场的模糊区域进行校正。利用强对流天气和台风过程的雷达体扫数据验证了改进算法的可行性,并与原始算法及业务应用的WSR-88D算法对比。结果表明:改进算法有效地解决了原始算法中的不足,恢复真实的风场结构和分布特征,改善了退速度模糊的质量,从而得到更为合理的径向速度观测场;并且该算法退模糊效果优于WSR-88D算法,有助于为科研和业务应用服务。     

湖南资水流域切变线天气形势下中β尺度对流系统的数值模拟研究

本文对湖南资水流域700hPa层呈现相似切变线天气形势的两次天气过程进行了研究,其中一次是2001年6月19日08BST出现大暴雨,另一次是2001年8月13日08 BST至14日08 BST仅出现小雨,文中对这两个个例进行中尺度数值模拟,对比分析了这两个个例演变过程的差异,并对6月19日中β尺度对流系统在暴雨强盛期的动力结构特征和热力结构特征作了详细分析。研究结果表明6月19日在演变过程中生产的中β尺度对流系统引发了这次暴雨,而8月13日虽然有类似于6月19日的切变线,但是没有形成中β尺度对流系统,也就没有引发暴雨。由此表明,相似的700hPa形势可以有根本不一样的演变,而暴雨的发生与中β尺度对流系统的生产和发展有十分密切的关系。     

2013年芦山MS7.0地震前后甲烷排放时空演化分析

为研究地震活动与大气甲烷浓度时空演变之间的关系,以芦山M_S7.0地震为例,基于极轨卫星AQUA上搭载的卫星大气红外探测器(AIRS)获取的甲烷数据产品,通过背景值差值法对该地震前后甲烷柱浓度信息、垂直浓度廓线信息及长时间序列变化信息进行提取,挖掘芦山地震前后甲烷异常排放的时空演化特征.结果表明:2013年1—4月芦山震中区存在明显的甲烷浓度升高;甲烷浓度时空演化趋势为初始排放→激增扩散→聚敛加强→相对减弱→震后排放→回复平静;震前震中区甲烷柱浓度为该地区2008年1月—2016年8月异常最显著的时段.因此认为芦山M_S7.0地震前甲烷排放浓度升高现象或为该地震的前兆信息.      

冀南平原“7·27”局地大暴雨中尺度特征分析

利用FY-4A气象卫星及天气雷达遥感产品,并借助地面及探空资料,对2019年7月27日冀南平原一次局地大暴雨过程进行中尺度时空演化特征分析。结果表明,本次过程是在副热带高压外围,受高空槽以及低层切变线影响生成的局地大暴雨天气。降水系统内的对流组织主要经历了“新生发展—合并加强—降水维持—移出消散”的演化过程。本次冀南平原地区大暴雨的成因主要包括：两个初期发展的对流系统的合并加强,前期外围对流活动提供了充沛的水汽环境,强对流系统形成了低层旋转辐合、高层辐散的中尺度垂直环流结构,中低层辐合中心空间位置基本一致,有利于水汽供应并维持云中液滴的高效增长。研究结果对冀南平原局地强降水的临近预报预警提供了科学依据。     

An improved velocity volume processing method

Velocity volume processing （VVP） retrieval of single Doppler radar is an effective method which can be used to obtain many wind parameters. However, due to the problem of an ill-conditioned matrix arising from the coefficients of equations not being easily resolved, the VVP method has not been applied adequately and effectively in operation. In this paper, an improved scheme, SVVP （step velocity volume processing）, based on the original method, is proposed. The improved algorithm retrieves each group of components of the wind field through a stepwise procedure, which overcomes the problem of an ill-conditioned matrix, which currently limits the application of the VVP method. Variables in a six-parameter model can be retrieved even if the analysis volume is very small. In addition, the source and order of errors which exist in the traditional method are analyzed. The improved method is applied to real cases, which show that it is robust and has the capability to obtain the wind field structure of the local convective system. It is very helpful for studying severe storms.     

AMDAR资料的风温信息在机场终端区强对流天气分析中的应用

强对流天气引起风矢量和温度等气象要素突变,影响飞机正常起降和飞行。高时空分辨率的飞机气象资料中继AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)是天气预报重要的资料源之一,可为机场终端区的强对流天气短临预报提供高时间密度的垂直探测信息。通过白云机场终端区的AMDAR资料,提取三维风矢和温度廓线,制作了风切变和湍流的预警分析图。以2011年4月17日一次广东省的强对流天气过程为例,将AMDAR资料结合雷达、卫星、探空等多源资料进行了分析。研究表明,在AMDAR资料的风矢-时间高度剖面上形成三维预警指示,对机场的强对流预报有指导意义;当1 km以下发生强风切变,对飞机起降威胁严重,AMDAR资料水平风的垂直分布印证了多普勒天气雷达强辐散区的回波特征;高时空分辨率的AMDAR风速和温度扰动,可揭示大气中的风切变及湍流运动。AMDAR资料为保障飞机的安全起降提供了一种实时、密集的垂直观测信息,有助于研发临近预报预警产品,弥补探空资料的不足。     

基于卷积神经网络的飑线识别算法

为了探究深度学习用于飑线识别的可行性,基于2008-2020年河南省郑州和驻马店雷达数据,采用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)算法构建飑线识别模型,引用临界成功指数、公平风险评分、命中率和误判率定量评价模型的识别效果,对比不同样本组成比例和网络结构对飑线识别效果的影响.结...     

V 3θ图在一次特大暴雨预报中的应用

利用MICAPS 3版中自带的分析软件,分析了2009年7月17日夜间山东半岛一次副高边缘特大暴雨。结果表明,V-3θ图可以明显表示出本次特大暴雨的征兆。对流层顶层的超低温、对流层中层有冷空气侵入引发剧烈对流、低层水汽充沛是引发特大暴雨的原因。分析上游台站的V-3θ图可以判断水汽的来向和输送强度。海陆不同的下垫面分布是形成大暴雨的重要条件。分析V-3θ图的上述特征可以提前12h作出大暴雨以上的降水预报。