台风“碧利斯”的雷达反演及改进

利用两步变分反演方法,研究2006年第4号台风“碧利斯”,对照单部雷达资料和两部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好的反演出台风的风场结构特征,而两部雷达资料在第一步反演背景场时,可以看出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场就能看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与两部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与两部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均在0.8或以上,2-7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

4DVAR同化反演多普勒雷达资料在一次强降水中的应用

利用秦皇岛多普勒天气雷达资料,应用干模式的4DVAR系统反演发生在河北省昌黎县的一次强降水过程的二维风场,得到较为真实的中小尺度天气系统状况。强降水发生在"人"字形切变线的暖式切变线的前侧,当暖式切变线附近出现中-γ尺度闭合气旋性环流时,降水进一步增强。由于采用干模式的变分方法,每4 min就可完成一次风场的反演,其业务化前景非常乐观。     

双线偏振多普勒天气雷达遥测降水强度和液态含水量的方法和精度研究

利用雨滴谱的Г分布和散射计算模式,研究了C波段双线偏振多普勒天气雷达遥测降水强度、液态含水量和识别降水粒子相态的方法,给出了利用反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP反演降水强度和液态含水量的三种公式以及这三个物理量的关系公式,并从雨滴谱的变化和雷达测量误差两方面比较了几种方法的测雨精度.结果表明:雨滴谱在很大范围变化时,利用ZDR和KDP可以很好地反演出降水强度和液态含水量,它受滴谱分布的影响不大,它的探测精度优于(ZH,ZDR)方法.单参数KDP方法优于传统的Z-R关系方法.同时给出的ZH与ZDR和KDP关系公式也基本不受雨滴谱变化的影响,它可以用于降水粒子相态的识别.双参数方法的测量误差主要来源于雷达测量ZDR和KDP的误差,特别是KDP的误差,改善KDP的测量误差是发挥双线偏振多普勒雷达探测降水强度或液态含水量潜力的关键.     

基于多普勒天气雷达观测的湖南超级单体风暴特征

运用三部S波段多普勒天气雷达资料对湖南10次强对流事件中的22个超级单体进行详细分析,结果表明：湖南超级单体有的是孤立风暴发展而成,有的是多单体风暴发展而成,有的是中尺度对流系统内的风暴发展而成;超级单体中包含有低顶超级单体和微型超级单体;超级单体维持时间多数超过1 h,最短时间为24 min;超级单体风暴过程最大反射率因子强度均超过63 dBZ,54.5%的超级单体风暴最大反射率因子强度在70 dBZ以上;超级单体风暴中气旋最大旋转速度为24 m·s^-1,最大垂直涡度为5.3×10^-2s^-1;超级单体低层强度回波特征主要表现为钩状回波、入流缺口、风暴主体向着低层入流方向伸出的一个突出物,垂直结构特征表现为有界弱回波或弱回波区;超级单体产生的主要强对流天气有冰雹、大风、龙卷及暴雨,其中产生冰雹、大风的几率最大。对发展成为超级单体的风暴主要生成时间及源地、风暴的多发性和重复性以及环境风与超级单体不同阶段移向移速的关系的探讨,对超级单体的预报有极好的指示作用。     

一次台风前部龙卷的多普勒天气雷达分析

通过分析2004年8月25日发生在浙江省宁波市的一次台风前部龙卷发生发展的环境特征, 发现该龙卷发生在台风前部风切变区里, 尽管当时涡度、散度等物理量对于深对流发展不是非常有利, 但下湿中干、强的垂直风切变及地形条件等还是有利于局地弱龙卷的产生; 在宁波新一代天气雷达产品上表现为强的钩状回波, 速度场上有相邻的正负速度中心及强的组合切变值等。通过多个反射率产品、剖面产品等综合分析了该风暴的三维结构, 初步了解此类弱龙卷的发生机理, 为以后的预报提供一些经验。     

风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。     

Application of Radar Reflectivity Factor in Initializing Cloud-Resolving Mesoscale Model. Part Ⅱ: Numerical Simulation Experiments

Microphysics elements and vertical velocity retrieved were incorporated using the nudging method into the initial data assimilation of GRAPES (Global/Regional Assimilation and Prediction System) model.Simulation experiments indicated that nudging technique was effective in forcing the model forecast gradually consistent to the observations, yielding the thermodynamically and dynamically balanced analysis field. As viewed from the simulation results, water vapor is vital to precipitation, and it is a governing factor for the amount and duration of precipitation. The initial cloud water, rain water, and vertical velocity determine the strength distribution of convection and precipitation at the beginning time of forecast; the horizontal wind field steers the motion of the mesoscale weather system embedded in and impacts the position of precipitation zone to a large extent. The simulation experiments show that the influence of the initial retrieval data on prediction weakens with the increase of forecast time, and within the first hour of forecast, the retrieval data have an important impact on the evolution of the weather system, but its influence becomes trivial after the first three hours. Changing the nudging coefficient and the integral time-spacing of numerical model will bring some influences to the results. Herein only one radar reflectivity was used, the radar observations did not cover the whole model domain, and some empirical parameters were used in the retrieval method, therefore some differences still lie between simulation and observation to a certain extent, and further studies on several aspects are expected.     

基于极坐标投影的多谱勒雷达数据栅格化技术

通过研究球面距离算法、极坐标投影原理及新一代多谱勒天气雷达产品的数据存储格式,实现精度较高的雷达数据栅格化,为雷达回波追踪、降水算法优化、短时临近预报等相关的应用与研究提供经过仰角订正、球面距离订正后的更准确更通用的产品数据.     

一次强对流天气过程中尺度对流系统特征分析

利用NCEP／NCAR再分析资料、FY2C云图及广州新一代多普勒天气雷达产品,对2007年6月9～10日发生在广东省的一次强对流天气过程中的中尺度对流系统（MCS）进行了分析,主要结论有：1）对流层中高层辐散低层辐合,以及“上千下湿”相配置的垂直环流结构特征,和不稳定的大气层结为此次暴雨的形成提供了所需的动力条件和水汽条件;2）MCS云系生成、发展于南支槽和西南低涡东南侧的暖湿气流所形成的云系中;3）在雷达回波图上,MβCS回波的发展具有明显的右移风暴移动特点和“列车效应”,且发展成熟阶段的回波呈显著的“弓形”和“人字形”水平回波演变结构。     

Observational and Numerical Study on the Influence of Large-Scale Flow Direction and Coastline Shape on Sea-Breeze Evolution

In this study radar, surface observations and numericalsimulations are used to examine the inland penetrationand intensity of the sea breeze during various large-scaleflow regimes along the curved coastline of the Carolinas,U.S.A. The results clearly indicate that the flow directionrelative to the curved coastline has a significant effecton the sea-breeze evolution.Overall, during northerly flow regimes alongthe curved North Carolina coast, observationsand numerical simulations show that the sea-breezefront has a tendency to remain close to the south-facingcoast. During these same flow regimes the frontmoves further inland relative to the east-facingcoast. The sea-breeze front during westerly flowcases progressed further inland relative to the southcoast and less so from the east-facing coastline.South-westerly flow allows the sea breeze to moveinland from both coastlines but the coastal shapeinfluence makes the inland penetration less fromthe easterly facing beaches. During periods of lightonshore flow (south-east), the sea breeze movesconsiderable distances inland but is not discernableuntil later in the afternoon. The simulations indicatedthat the sea-breeze intensity is greatest (least) when thelarge-scale flow direction has an offshore (onshore)component. Model results indicate the existence of astrong front well inland in the late afternoon duringlight onshore flow. Also noted was that the simulatedsea-breeze front develops earlier in the afternoon duringoffshore regimes and later in the day as the large-scaleflow becomes more onshore. It is concluded that thecoastline shape and coast-relative flow direction areimportant factors in determining how the sea-breezecirculation evolves spatially.