基于TRMM卫星对一次华南飑线的闪电活动及其与降水结构的关系研究

利用热带测雨计划任务卫星（TRMM）的测雨雷达(PR)、 闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)资料, 研究了2005年5月6日发生在我国华南的一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构之间的关系。结果表明, 该飑线系统中对流降水面积仅为层云的一半, 但是总降水率却远大于层云的总降水率。绝大多数闪电发生在对流区, 有少数闪电出现在层云区域。在6 km高度上, 闪电发生附近的最大雷达反射率因子主要集中在35～50 dBZ区间, 峰值频数在40～45 dBZ, 35 dBZ以下较少。研究还表明, 对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。对闪电与微波亮温的研究表明, 大多数闪电发生在低亮温区域, 特别是低于200 K亮温区, 而在240～260 K的区域也可观测到少量闪电, 这一般对应于飑线的层云区域。结合2003年4月17日黄淮地区的另一次强飑线系统的进一步研究发现, 在单体尺度上, 总闪电频数和冰相降水含量之间表现出非常密切而稳定的关系, 相关系数达0.92。总闪电频数和冰相降水含量之间的稳定关系在中尺度数值模式中闪电资料的同化和飑线系统的闪电参数化研究中均有较大的应用潜力。     

南京对流降水和闪电的TRMM资料分析

用热带降雨测量卫星的测雨雷达2A25产品、微波成像仪1B11产品和闪电成像仪观测资料分析了2007—2008年南京及周边地区五个对流降水云系的降水结构、微波亮温和闪电特性。结果表明,当对流降水云系处于发展阶段时,对流降水是降水量的主要贡献者;而当对流降水云系处于成熟或者逐渐消亡阶段时,对流降水就逐渐向层云降水转变,此时降水量主要由层云降水产生。两种类型降水在降水强度、雨顶高度存在显著区别。微波亮温与近地面2 km处的降水强度呈负相关,基本能反映出近地面的降水强度,尤其是在对流系统的成熟和消散阶段。37.0 GHz亮温最能指示近地表的降水强度。近地面2 km处的降水强度均随闪电次数的增加而增强。     

GPCP与中国台站观测降水的气候特征比较

文中利用GPCP降水资料和中国大陆740个台站雨量计降水观测结果,分析研究了1980—2000年中国大陆范围内两者的异同。平均降水率分布结果表明:在中国台站雨量计分布密集地区(100°E以东)两者的多年年平均、季平均和月平均降水率分布具有很好的一致性,即均能表现自春季至冬季中国大陆降水分布自东南向西北伸展,然后向东南后退的气候变化特点。对长江中下游、华北、东北、西南的降水距平随时间的变化分析表明,两者的月距平随时间变化也具有很好的相似性,相关系数均超过0.8。差异分析还表明,由于中国降水季节性变化和台站雨量计密度不均匀,造成春秋冬三季节GPCP和台站雨量计之间的差异较小,而夏季差异较大。总体上GPCP有过高估计降水率的趋势。在GPCP逐月降水资料既能很好地反映出100°E以东中国大陆降水的气候分布,又能很好地表示出上述地区降水量异常变化的基础上,我们利用GPCP降水资料对青藏高原和中国大陆西北地区西部降水分布及变化进行了分析。结果表明20世纪80年代前期青藏高原西部降水偏多,而90年代后降水量减少;中国西北地区降水总体偏少,但没有明显的变化趋势。     

用TRMM资料研究江淮、华南降水的微波特性

热带测雨卫星TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 于1997年11月发射成功, 其首次携带了空载雷达, 有关资料已在网上对公众发布。利用热带测雨卫星上的微波成像仪TMI (TRMM Microw ave Imager) 资料以及其和测雨雷达TRMM/PR (Precipitation Radar) 资料联合反演的地面瞬时降水产品, 采用散射指数 (Is) 法从理论上探讨了我国江淮、华南降水尤其是暴雨的微波特性, 其中I_s表达式通过江淮、华南晴空TMI资料统计回归得到。以联合反演的地面瞬时降水产品为真值, 用面积相当法对14个降水个例求I_s降水阈值, 研究了阈值和降水面积以及85.5 GHz垂直通道最低亮温的关系, 并寻求了I_s和降水的相关特征。研究表明:I_s降水阈值随降水面积的增大或85.5 GHz垂直通道最低亮温的降低有增高的趋势; I_s与强对流性降水瞬时雨强对应很好, I_s≥60 K是一个好的暴雨指标。最后进行了初步的雨强反演试验研究, 由于TMI资料分辨率的提高以及时空配合较好的真值, 反演的地面瞬时降水与真值相关效果大大提高。     

中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征

利用热带测雨卫星的测雨雷达、闪电成像仪和微波辐射计8个暖季的轨道观测资料,研究了中国东部及邻近海域不同类型降水系统的地理分布规律和日变化特征及其闪电活动、雷达回波顶高和微波亮温的特征,并进一步分析了闪电与雷达回波顶高、微波亮温和冰相降水含景之间的关系.结果表明,两个地区的降水系统绝大部分都是无冰散射系统(占85%以上),非中尺度冰散射系统占10%左右,中尺度冰散射系统仅占约1.5%.中国大陆东部降水系统的日变化特征明显,而东海地区日变化幅度很小.中国大陆东部和东海地区分别约有93%和97%的降水系统没有闪电记录,并且前者闪电发生概率高于后者.中尺度冰散射雷暴不但闪电频数最高,而且贡献了总闪电的一半以上.随着降水类型强度的增强,20 dBz最大高度明显增高,最小85 GHz和37 GHz极化修正亮温则逐渐降低.对于同样的20 dBz最大高度和最小85 GHz极化修正亮温,中国大陆东部降水系统发生闪电的概率均高于东海地区.降水系统尺度上的闪电频数与最小85 GHz极化修正亮温的关系在稳定性和相关性方面要好于其与20 dBz最大高度的关系,而闪电频数与7-11 km的总冰相降水含量之间的相关性又比其与最小85 GHz极化修正亮温有了较大的提高.进一步研究表明,单体尺度上的闪电频数和7-11 km总冰相降水含量之间也表现出了非常密切的关系,在两个研究地区的相关系数都超过了0.7.     

甘肃一次冰雹过程降水及闪电活动特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的测雨雷达(PR)、微波辐射计(TMI)和闪电成像仪(LIS)资料分析2012年8月25日甘肃省一次较强冰雹过程。结果表明,本次过程受3个分散的β中尺度对流系统影响,对流云像素点约为层云的1/2,对流云平均降水率是层云的8.2倍。冰雹云回波顶高度近13 km,回波强度大于55 dBZ的最大高度为7.5 km左右,降水率大于45 mm·h^-1的云层厚度约7 km。降水廓线反映出降水率垂直分布不均匀,对流降水中50、10 mm·h^-1的降水率随着高度的升高先增加后减小,在9 km左右减小明显。此次冰雹过程的闪电发生临近处6 km雷达反射率高于40 dBZ,85 GHz极化修正亮温低于210 K。     

热带测雨卫星对淮河一次暴雨降水结构与闪电活动的研究

文中利用热带测雨卫星 (TRMM )搭载的测雨雷达 (PR)、闪电成像仪 (LIS)、GOES卫星红外通道辐射亮温(TBB)对 2 0 0 3年淮河汛期一锋面气旋系统的两个时次的探测结果 ,分析研究了降水结构及闪电活动 ,并与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水的结构和闪电活动进行了比较。GOES的TBB、降水系统中的对流降水与层云降水比例、闪电活动频数随时间的变化均能表征锋面气旋系统的发展。TRMMPR探测结果表明 :冷锋降水狭窄细长 ,且均为强对流降水 (特别在冷锋加强时 ) ;暖锋宽广 ,且为大片层云降水 ,但其中存在面积不等的强对流降水云团 ;与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水垂直结构的比较表明 ,锋面气旋降水的最大降水率出现在近地面 ,而中尺度强降水的最大降水率出现在低空 (3.0～ 3.5km) ,表明两者之间的降水微物理过程存在差别。TRMMLIS探测结果表明 :闪电活动均发生在冷锋的强对流降水云团中 ,暖锋中虽有强对流降水 ,但无闪电活动 ;闪电活动频数高所对应的降水廓线中、上部存在大量的冰相粒子。     

TRMM卫星微波成像仪分级产品及其反演降水算法

文章叙述了获取定量降水信息的意义，简要介绍了对热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)的仪器、美国国家宇航局提供的微波成像仪TMI(TRMM Microwave Imager)分级产品。对比了物理方法和经验方法反演降水的特点，并对一些经验方法以及倾斜对流系统对反演降水的影响、动态聚类分析、神经网络反演方法的研究成果进行了介绍。     

反演寿县TMI微波频率的地表比辐射率(英)

利用一个微波辐射传输模式,晴天下的大气探测廓线,地面的部分观测资料以及卫星观测的亮温,计算了淮河流域能量和水循环实验(HUBEX)中,寿县地区的热带降雨观测卫星微波成像仪(TRMM/TMI)微波频率的地表比辐射率。通过比较所计算的微波地表比辐射率随地表状况的改变,发现地表微波比辐射率随地表状况的变化存在敏感性,并且其变化是合理的。本文中,地表肤温设定等于地表空气温度,并且仅计算了寿县的地表比辐射率,在HUBEX区域上的地表比辐射率的计算需要更多的观测资料。     

反演寿县TMI微波频率的地表比辐射率

利用一个微波辐射传输模式，晴天下的大气探测廓线，地面的部分观测资料以及卫星观测的亮温，计算了淮河流域能量和水循环实验(HUBEx)中，寿县地区的热带降雨观测卫星微波成像仪(TRMM／TMI)微波频率的地表比辐射率。通过比较所计算的微波地表比辐射率随地表状况的改变，发现地表微波比辐射率随地表状况的变化存在敏感性，并且其变化是合理的。本中，地表肤温设定等于地表空气温度，并且仅计算了寿县的地表比辐射率，在HUBEx区域上的地表比辐射率的计算需要更多的观测资料。     

TRMM测雨雷达对1998年东亚降水季节性特征的研究

利用热带测雨计划卫星上的测雨雷达得到的降水资料,对1998年东亚降水,特别是中国大陆东部、东海和南海的降水,进行了分析研究,并对比了热带降水研究结果。年统计结果表明,东亚地区层状云降水出现概率极高(比面积达83.7％),对流云降水的比面积仅占13.6％,然而两者对总降水量的贡献相当。结果还表明,暖对流云降水出现的比例和对总降水量的贡献很小。在季节尺度,对流云和层状云降水的比与两者的面积比成比例关系。除夏季外,测雨雷达降水量与GPCP降水量可比性好。研究结果还指出:在中纬度陆地和海洋上对流云和层状云的比降水量和比面积呈相反方向作季节性南北移动,这一活动与东亚季风变化一致;该地区降水的季节性变化还表现为降水垂直廓线的变化。除冬季外,南海地区降水垂直结构呈热带特征。CRAD分析表明,对流云降水的地面雨强变化大,尤其在陆地上,而层状云多表现为地面弱降水。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

基于星载测雨雷达探测的亚洲对流和层云降水季尺度特征分析

利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达10年探测结果,就季尺度亚洲对流降水和层云降水的降水频次和强度及降水垂直结构的特点进行了研究.结果表明春、秋、冬三季东亚季平均降水环西太平洋副热带高压呈带状分布,雨强一般不超过10 mm/d;夏季,沿孟加拉湾、中国西南、中国东部至日本的大片雨区中出现了大于12 mm/d强降水;亚洲陆面对流和层云降水强度均弱于洋面.亚洲山地强迫不但可引起迎风坡上千公里长度的高降水频次和强降水带,而且导致其下风方向降水频次减少.季尺度降水频次分析表明,亚洲大部分地区对流降水频次小于3%;而层云降水频次一般大于3%,最高可超过10%;副热带高压南侧及西南侧的热带地区对流和层云降水频次均高于副热带高压北侧及西北侧的中纬度地区;降水频次的区域分布还表明,春季中南半岛至中国华南及南海南部对流活动多于同期的印度次大陆.季平均对流和层云降水廓线的季节变化主要表现为"雨顶"高度的季节变化,即降水云的厚度变化;两类降水平均廓线季节变化的区域性差异表明,热带外地区较热带地区显著、陆面较同纬度洋面显著、孟加拉湾比南海显著,而南海和西太平洋暖池无明显的季节变化.此外,降水结构的剖面分析还表明对流降水存在4层结构、层云降水存在3层结构.     

Tropical Precipitation Estimated by GPCP and TRMM PR Observations

In this study, tropical monthly mean precipitation estimated by the latest Global Precipitation Climatology Project （GPCP） version 2 dataset and Tropical Rainfall Measurement Mission Precipitation Radar （TRMM PR） are compared in temporal and spatial scales in order to comprehend tropical rainfall climatologically. Reasons for the rainfall differences derived from both datasets are discussed. Results show that GPCP and TRMM PR datasets present similar distribution patterns over the Tropics but with some differences in amplitude and location. Generally, the average difference over the ocean of about 0.5 mm d^-1 is larger than that of about 0.1 mm d^-1 over land. Results also show that GPCP tends to underestimate the monthly precipitation over the land region with sparse rain gauges in contrast to regions with a higher density of rain gauge stations. A Probability Distribution Function （PDF） analysis indicates that the GPCP rain rate at its maximum PDF is generally consistent with the TRMM PR rain rate as the latter is less than 8 mm d^-1. When the TRMM PR rain rate is greater than 8 mm d^-1, the GPCP rain rate at its maximum PDF is less by at least 1 mm d^-1 compared to TRMM PR estimates. Results also show an absolute bias of less than 1 mm d^-1 between the two datasets when the rain rate is less than 10 mm d^-1. A large relative bias of the two datasets occurs at weak and heavy rain rates.     

西太平洋副热带高压下热对流降水结构特征的个例分析

利用热带测雨卫星的测雨雷达和红外辐射计的探测结果,对2003年8月2日15时(北京时)中国东南部副热带高压下发生的热对流降水结构特征、云和降水云之间的关系进行了分析研究。大气背景分析表明,500 hPa副热带高压中心附近的较强上升运动和850 hPa的水汽通量辐合为此次午后热对流降水云团的发生提供了动力和水汽条件。热带测雨卫星的测雨雷达探测结果表明,热对流降水云团的水平尺度多为30~40 km,平均垂直尺度均超过10 km,最高达17.5 km;云团的最大近地面雨强超过50 mm/h。热对流降水云团的平均降水廓线表明,其最大降水率出现在5 km的高度,这一高度比估计的环境大气0℃层高度低1 km。与“98.7.20”中尺度强降水的对流降水廓线比较表明,两者的最大降水率高度相同,但热对流降水云团更深厚;在4 km高度至近地面,热对流的降水率减少速度比“98.7.20”强对流降水的快,表明前者雨滴在下降过程中因气温高而发生强烈蒸发。对降水云团顶部特征与近地面雨强关系的分析结果表明,雨顶高较低时,云顶高度变化范围大;当雨顶越高时,云顶高度与雨顶高度越相近;平均而言,给定地面降水率,云顶高度比雨顶高度高出1~4 km;当近地面雨强越大,则云顶高度和雨顶高度越高、且越相近。结果还表明,非降水云面积约占86%,晴空面积仅占2%,而降雨云面积约为云面积的1/8。     

台风麦莎与赤道穿透对流云团的初步比较分析

利用TRMM卫星的测雨雷达、微波成像仪、可见光和红外扫描仪资料详细分析比较了麦莎台风和位于南海南部的赤道穿透对流云团(EPCC)的云高以及降水结构特征.首先,对热带地区对流层到平流层的过渡带(TTL)以及进入TTL的穿透对流云团进行了阐述和定义.然后,分析对比了赤道穿透对流云团和台风麦莎不同生命史阶段的云高、降水结构特征,分析对比结果表明:(1)在强降水区:麦莎台风和EPCC的云顶上部均出现了冰粒子散射现象,但EPCC的散射强度强,微波亮温值均低于180 K,并且其雷达云高和红外云顶亮温云高相差较大、云顶亮温曲线平缓.(2)EPCC的深对流数量四分比、穿透对流数量百分比、尤其是穿透对流数量占深对流数量比,都比麦莎台风各阶段的高;在麦莎台风和EPCC(10-20 km)云体中大部分云高集中在10-12 km,但EPCC(10-20 km)的云高谱相对具有连续性、相对较宽.(3)麦莎台风以层云降水为主,对总降水量的贡献中也是从云降水贡献大,但是EPCC中却是对流性降水的贡献大,且EPCC对流降水与层云降水的像素数量比值和降水量比值也比麦莎台风的3个时次都高.(4)EPCC的降水廓线深度无论是从云降水还是对流降水都比麦莎台风深,层云廓线深度达11 km,对流廓线深度达18 km.另外,从EPCC的穿透对流数量百分比比麦莎台风多,层云、对流降水廓线比麦莎台风深这几方面,一定程度上说明了EPCC的局部垂直对流强度比麦莎台风强.     

中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission, 3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project, 1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008—2010年5—9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP 三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。     

Diurnal phase of late-night against late-afternoon of stratiform and convective precipitation in summer southern contiguous China

Using the tropical rainfall measuring mission (TRMM) Precipitation Radar (PR) observations combined with the surface rain gauge data during 1998–2006, the robust diurnal features of summer stratiform and convective precipitation over the southern contiguous China are revealed by exploring the diurnal variations of rain rate and precipitation profile. The precipitation over the southern contiguous China exhibits two distinguishing diurnal phases: late-night (2200–0600 LST) and late-afternoon (1400–2200 LST), dependent on the location, precipitation type and duration time. Generally, the maximum rain rate and the highest profile of stratiform precipitation occur in the late-afternoon (late-night) over the southeastern (southwestern) China, while most of the stratiform short-duration rain rate tends to present late-afternoon peaks over the southern China. For convective precipitation, the maximum rain rate and the highest profile occur in the late-afternoon over most of the southern contiguous China, while the convective long-duration rain rate exhibits late-night peaks over the southwestern China. Without regional dependence, the convective precipitation exhibits much larger amplitude of diurnal variations in both near surface rain rate and vertical extension compared with stratiform precipitation and the convective rain top rises most rapidly between noon and afternoon. However, there are two distinctive sub-regions. The diurnal phases of precipitation there are very weakly dependent on precipitation type and duration time. Over the eastern periphery of the Tibetan Plateau, the maximum rain rate and the highest profile of either convective or stratiform precipitation occur in the late-night. Over the southeastern coastal regions, both the near surface rain rate and rain top of convective and stratiform precipitation peak in the late-afternoon.     

TRMM-retrieved Cloud Structure and Evolution of MCSs over the Northern South China Sea and Impacts of CAPE and Vertical Wind Shear

Cloud structure and evolution of Mesoscale Convective Systems(MCSs) retrieved from the Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager(TRMM TMI) and Precipitation Radar(PR) were investigated and compared with some pioneer studies based on soundings and models over the northern South China Sea(SCS).The impacts of Convective Available Potential Energy(CAPE) and environmental vertical wind shear on MCSs were also explored.The main features of MCSs over the SCS were captured well by both TRMM PR and TMI.However,the PR-retrieved surface rainfall in May was less than that in June,and the reverse for TMI.TRMM-retrieved rainfall amounts were generally consistent with those estimated from sounding and models.However,rainfall amounts from sounding-based and PR-based estimates were relatively higher than those retrieved from TRMM-TMI data.The Weather Research and Forecasting(WRF) modeling simulation underestimated the maximum rain rate by 22% compared to that derived from TRMM-PR,and underestimated mean rainfall by 10.4% compared to the TRMM-TMI estimate,and by 12.5% compared to the sounding-based estimate.The warm microphysical processes modeled from both the WRF and the Goddard Cumulus Ensemble(GCE) models were quite close to those based on TMI,but the ice water contents in the models were relatively less compared to that derived from TMI.The CAPE and wind shear induced by the monsoon circulation were found to play critical roles in maintaining and developing the intense convective clouds over SCS.The latent heating rate increased more than twofold during the monsoon period and provided favorable conditions for the upward transportation of energy from the ocean,giving rise to the possibility of inducing large-scale interactions.     

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪观测资料反演陆地降水

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪资料，结合淮河流域试验加密观测期的阜阳地面天 气雷达雨量资料，建立了以散射指数和极化订正温度为主要参数的降水反演算法。对文 中所做反演试验与日本ＮＡＳＤＡ用微波成像仪和星载测雨雷达反演的雨强进行了比较。结果表明 ，文中所用的方法在反演陆地下垫面的降雨强度的分布和降雨区域的确定是比较成功的。