微脉冲激光雷达及其应用研究进展

微脉冲激光雷达(MPL)对云和气溶胶的光学属性的空间分布提供连续自动的观测，该系统结构紧凑，发射能量对人眼安全，其可靠性已在国内外很多大型试验中得到了验证。文章介绍了微脉冲激光雷达的系统结构、工作原理以及较之传统激光雷达的优越性，给出了气溶胶光学属性的反演方法(斜率法、近端解法、远端解法和迭代求解法)并指出了其优缺点，对MPL在边界层、气溶胶观测等方面的应用研究成果做了简介。     

变分伴随方法应用于大气化学初值和参数反演研究

将结合正则化思想的变分伴随方法应用于大气平流层中臭氧破坏催化反应过程的浓度初始值和反应速率参数的反演问题,推导了在整体资料和末端时刻局部资料反演的伴随模式和泛函梯度,并进行了一组理想数值试验.试验结果表明了变分伴随方法运用于大气化学过程的反演研究的有效性,特别是局部资料联合反演中可以运用正则化思想克服反演的不适定性.     

基于贝叶斯方案的雷达反射率反演水汽及其同化试验

雷达资料是目前为数不多有能力为高分辨率预报模式提供高分辨率信息资料的资料之一。为充分利用该资料所包含的中小尺度信息,文中基于雷达反射率,利用贝叶斯方法反演出大气相对湿度;将质控后的资料引入3Dvar系统进行同化分析,为高分辨率模式提供初值场。以台风“妮妲”登陆为例,通过一维反演及三维变分系统分析,有效地订正了实况有回波而模式预报无回波区域的大气湿度趋于合理,增加背景场的湿度,减小模拟回波比观测偏强的区域的大气湿度;同化大气湿度后模式在前6小时报出的台风外围回波分布、演变更合理,改进了降水雨带的分布与强度。1个月的批量试验反映1D+3Dvar同化雷达资料后,大气对流层中低层（850~400 hPa）增湿明显,其增湿影响程度可延续12小时以上。其逐时降水预报在前12小时的TS均比控制试验高,而大于5 mm以上降水预报偏差则与控制试验的大略一致或更接近1。      

双偏振雷达在江苏“7.6”降雹过程中的应用分析

针对2019年7月6日发生在江苏徐州、宿迁、淮安、南京以及常州一线的一次大范围冰雹天气过程,利用再分析资料分析天气背景、不稳定机制和抬升条件。通过徐州和南京S波段双偏振雷达偏振参量及宿迁和淮安的双多普勒天气雷达风场反演技术对冰雹云的热动力结构和微物理特征开展了详细的分析。结果表明:此次大范围冰雹天气发生在高空冷涡南落、横槽南摆,低层暖湿气流北抬,上下层强烈不稳定的环流背景下,地面低压缓慢东移南压,提供了辐合抬升条件。此次降雹天气过程中,雷达回波图上显示有典型的冰雹云特征——三体散射长钉、回波穹隆结构、强度超过50 dBZ,中层径向辐合,风暴顶辐散等特征。双偏振雷达各偏振参量也表现出冰雹云的特点,出现冰雹的地区展现水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相关系数CC小的特征,ZDR值为-1.0～0.5 dB,CC值小于0.85;超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等双偏振参量特征在强对流短时临近预报和冰雹识别方面具有很强的应用潜力。双雷达风场反演表明此次过程降雹集中时段,冰雹云的穹隆空间结构,降雹时刻存在的明显下沉气流。     

基于TM数据的太湖叶绿素A浓度定量反演

利用TM(ETM)数据与准实时地面采样数据,建立太湖叶绿素浓度反演模型。结果表明,TM3/(TM1+TM4)与叶绿素A浓度的相关性最好,并以此建立了太湖叶绿素A浓度线性反演模型,但反演精度并不高,因此,建立了一个两层BP神经网络模型反演太湖的叶绿素A浓度,结果表明,神经网络模型的反演精度远高于线性反演模型,16个测试样本表明,神经网络模型反演的相对误差小于30%的有15个点,占总测试样本93.75%,而线性反演模型反演相对误差在30%以下的仅有3个点,这表明对于太湖这样一个光谱特征复杂的二类水体,可以利用神经网络模型反演水质参数。     

超强台风韦帕（0713）螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达研究

超强台风＂韦帕＂（Wipha）是2007年登陆中国大陆最强的台风,在浙江省造成了特大暴雨。利用宁波和舟山双多普勒天气雷达同步观测资料,对＂韦帕＂的两条螺旋雨带进行了双雷达三维风场反演;并综合利用组网雷达拼图数据等资料,对螺旋雨带的三维精细结构进行了分析。研究表明：（1）两条螺旋雨带的三维结构有很多相似之处。螺旋雨带内部低层有多个强回波区,水平速度大值区主要分布在强回波带上;强回波带的低层有较强的上升气流,最强上升气流超过4 m/s。在螺旋雨带中存在多个辐合辐散对、上升下沉气流对,这对于螺旋雨带的维持和进一步发展具有重要作用。在沿着台风中心的垂直剖面内,螺旋雨带内部的强回波区向雨带外侧倾斜。雨带外侧2 km高度以下的低层有较强的内流,最大值为5 m/s;雨带内侧有较强的外流,2 km高度以上均受外流控制;内流和外流在雨带中部低层汇合抬升。切向速度的强中心出现在3 km高度,速度值随高度增加而逐渐减小。（2）两个时段的螺旋雨带也存在差异。前一个时段的螺旋雨带对流发展更旺盛,45 dBZ的回波高度为4.8 km,而后一个时段的螺旋雨带45 dBZ的回波高度仅3.2 km。垂直剖面内,前一个时刻螺旋雨带低层辐合更强,最强辐合值超过-15×10^-4s^-1,正是由于低层的强辐合和充足的水汽供应,才使得雨带内部中低层的回波发展旺盛。     

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程,以NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用WRF(weather research and forecasting)模式及其三维变分同化系统,对雷达径向风和E-VAP(extended velocity azimuth processing)反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验,结果表明:直接同化雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,且在风场作用下水汽分布得到改善;反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息,但效果不如直接同化明显;无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报,但直接同化好于反演同化,且间隔5～6 min比30 min的直接同化模拟效果好.     

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。     

An improved method for doppler wind and thermodynamic retrievals

A variational method is developed to retrieve winds in the first step and then thermodynamic fields in the second step from Doppler radar observations. In the first step, wind fields are retrieved at two time levels: the beginning and ending times of the data assimilation period, simultaneously from two successive volume scans by using the weak form constraints provided by the mass continuity and vorticity equations.As the retrieved wind fields are expressed by Legendre polynomial expansions at the beginning and ending times, the time tendency term in the vorticity equation can be conveniently formulated, and the retrieved winds can be compared with the radar observed radial winds in the cost function at the precise time and position of each radar beam. In the second step, the perturbation pressure and temperature fields at the middle time are then derived from the retrieved wind fields and the velocity time tendency by using the weak form constraints provided by the three momentum equations. The merits of the new method are demonstrated by numerical experiments with simulated radar observations and compared with the traditional least squares methods which consider neither the precise observation times and positions nor the velocity time tendency. The new method is also applied to real radar data for a heavy rainfall event during the 2001 Meiyu season in China.     

一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析

利用石家庄SA多普勒天气雷达和饶阳X波段双偏振雷达探测资料，结合常规综合观测资料，对2018年6月13日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析，重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的三维风速（流场），并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示，高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖，槽后冷空气沿偏北气流南下，形成上干冷、下暖湿的不稳定层结，在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气；双多普勒雷达反演风场表明，雹云的中层强回波中心呈明显的“S”形水平流场和悬挂回波配置特征，构成了具有成雹的“0线”结构；不仅佐证了雹云降雹“0线”结构的存在，而且证明其呈现形式具有多样性。