基于热带测雨卫星探测的东亚降水云结构特征的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(TRMMPR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外辐射计(VIRS)、闪电成像仪(LIS)对降水云的综合探测结果,结合全球降水气候计划降水资料(GPCP)和中国气象台站雨量计观测资料,分析了东亚降水分布特点,并比较了TRMMPR与GPCP及地面雨量计观测结果的差异;揭示了中国中东部大陆、东海和南海对流降水和层云降水平均降水廓线的季节变化特征及物理意义,以及TMI高频和低频微波信号对地表降水率变化的响应特点;通过对中尺度强降水系统、锋面气旋降水系统和热对流降水系统的个例分析,探明了降水结构及其与闪电活动的关系、降水云顶部信息与地表雨强之间的关系。     

风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用

风云三号(03)批是我国第二代极轨业务气象卫星的第三个批次,由上午、下午、晨昏和降水测量四颗业务卫星组成。其中,我国首发的降水测量卫星计划装载双频降水测量雷达、微波成像仪、GNSS掩星探测仪和光学成像仪。通过仿真技术,分析风云三号降水测量卫星的功能、性能和设计指标,探讨其降水探测能力。分析表明,风云三号降水测量卫星装载的降水测量雷达从设计层面分析,与美日第二代降水测量卫星GPM搭载的降水雷达DPR性能相当;风云三号降水测量卫星的轨道设计覆盖了南、北纬50°范围内的热带和中纬地区,对影响我国区域的台风系统结构具有三维探测能力;风云三号降水测量卫星上装载的被动微波辐射计相比GPM搭载的微波成像仪增加了50~60和118GHz双氧吸收通道,对陆地弱降水反演等具有应用潜力。总之,风云三号降水测量卫星加上同星配置的其他载荷,整星的降水探测能力优于美日第二代降水测量卫星GPM。     

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明：卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。     

FY-4卫星闪电成像仪的使命和挑战

作为我国首次研制和星载的卫星闪电成像仪,FY-4卫星闪电成像仪在仪器研制、测试和定标、资料处理等多个方面,面临严峻挑战.该文介绍了卫星闪电成像仪的发展进程和现状,卫星闪电探测的原理、方法以及闪电探测仪的结构等,探讨了FY-4卫星闪电成像仪的使命和技术指标,与已经上天的闪电成像传感器(LIS)和计划中地球静止轨道卫星闪电成像仪(GLM)的指标对比结果表明,FY-4卫星闪电成像仪的技术指标达到了当今世界卫星闪电探测的最高水平.分析了FY-4卫星闪电成像仪在诸多方面面临的巨大挑战,旨在引起人们的关注和重视.     

基于TRMM的热带气旋降水云系多谱段辐射特征分析

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪和可见光/红外扫描仪的探测资料,以2006年第8号台风"桑美"为例,研究了热带气旋在海面上强烈发展时期的降水云系多谱段辐射特征,研究结果表明:可见光资料反映了云的厚度信息,红外(亮温)资料反映云顶高度信息,可以较好地反映台风云系所表现台风的外观,但对台风云系覆盖下的细节特征的探测能力则有限.微波有很强的穿透性,能揭示台风云系中各种粒子的三维分布特征.微波通道亮温与PR降水的相关远大于可见光和红外遥感的效果.不论是可见光、红外还是微波亮温,与高层降水的相关系数绝对值总大于其与低层降水的相关系数.可见光和近红外波段的辐射率与降水正相关,相关系数随频率减小而减小;中红外和两个红外分裂窗区的亮温与降水呈负相关,相关系数的绝对值随频率减小略有增大.TMI低频通道的亮温与降水正相关,相关程度随频率减小略有减小;TMI高频通道的亮温与降水负相关,相关系数的绝对值随频率减小而减小.     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

基于TRMM卫星资料的江西一次大暴雨过程降水结构特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的降水雷达(PR)和微波成像仪(TMI)连续2个轨道的探测结果,分析了2013年6月26—29日发生在江西省北部地区的中尺度降水过程不同降水阶段的降水水平结构、雨顶高度、降水廓线的变化特征。结果表明,此次降水过程由强对流云降水逐渐演变为对流性较弱的层状云降水。对流云降水阶段降水系统由成片层状降水云团中分布的多个零散强对流降水云团组成,降水分布不均匀,强对流云降水对总降水量的贡献大。层状云降水阶段,层状云中强对流单体消失,对流云降水像素及对流云降水率对总降水量的贡献减少,降水雨强谱变小,降水高度逐渐降低,云体高层降水量减少。对流云降水和层状云降水廓线存在差异,最大降水率出现的高度越高且中高层降水量越大,降水的对流性则越强。     

基于多源探测资料的一次广州局地强对流垂直结构分析

基于X波段相控阵雷达、S波段双偏振雷达、微波辐射计、风廓线雷达、毫米波云雷达等多源高时空分辨率新型遥感探测资料,对广州后汛期一次局地强对流过程的大气热力、动力及云物理结构变化特征进行了综合分析。结果表明：(1)强对流前8小时前,局地LI、CAPE、SI等对流参数就达到并远远超过了短时强降水的阈值;临近降水大气层结仍向不稳定发展,水汽条件向有利的方向发展;(2)午后局地风形成辐合,上升气流加强,近地层出现弱垂直风切变和低空急流脉动,对强对流的发生发展有一定的指示意义;(3) CINRAD/SA-D雷达CR、DBZM HT、TOPS、VIL等变化与强降水和地面大风的发展有很好的对应关系,同时低层风场观测到阵风锋特征;XPAR-D雷达更高时空分辨率的探测可清晰显示对流发展旺盛阶段的Z_DR弧、K_DP柱、Z_DR柱、V型缺口等特征,为判断雷暴云团的发展程度和预警提供重要信息。     

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卫星对一次冰雹降水过程的观测分析研究

利用TRMM卫星上时空匹配较好的测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外扫描仪(VIRS)观测资料,研究了1999年5月9日发生在黄淮地区的一次冰雹降水过程。根据卫星接连3个轨道的观测,综合分析了此次强对流降水过程在不同阶段的降水结构、云顶亮温和降雨厚度以及相应的微波亮温变化特征。观测分析表明,此次降水过程由对流很强的冰雹降水逐渐演变到对流渐弱的暴雨降水。冰雹降水阶段,云中有多个强对流单体,云体中高层有大量的固态降水粒子,使得中高层降水量在降水柱含量中贡献远大于融化层降水量的贡献;暴雨降水阶段,若干对流单体被大面积的层云降水包围,降水高度逐渐降低,云体中高层降水量明显减少,融化层降水量对柱含量的贡献明显增加。降水率廓线中不同高度的降水量对降水柱含量贡献的比较表明:中高层降水量占的比例越大,降雨云对流越强,反之,融化层降水量占的比例越大,降雨云越趋向为稳定的层云。微波亮温信号在不同降雨阶段随雨强的响应程度大不相同,这表明在反演地面降雨时,最好结合降雨云的结构特征及其发展阶段,针对不同降雨类型选取最为有效的微波通道组合来建立最佳反演模式。     

春季急行冷锋结构之分析

台湾地区冬末春初间偶有急行冷锋通过，带来雷雨及强风，甚至降雹，对农业造成不小的损失，深值我气象人员注意，作者就１９９２年４月１９日上午通过台湾省中南部地区的急行岭锋，利用雷达资料分析其垂直结构和水平结构。     

Mean Structure of Tropical Cyclones Making Landfall in Mainland China

The mean kinematic and thermodynamic structures of tropical cyclones （TCs） making landfall in main-land China are examined by using sounding data from 1998 to 2009. It is found that TC landfall is usually accompanied with a decrease in low-level wind speed, an expansion of the radius of strong wind, weakening of the upper-level warm core, and drying of the mid-tropospheric air. On average, the warm core of the TCs dissipates 24 h after landfall. The height of the maximum low-level wind and the base of the stable layer both increase with the increased distance to the TC center;however, the former is always higher than the latter. In particular, an asymmetric structure of the TC after landfall is found. The kinematic and thermodynamic structures across various areas of TC circulation diff er, especially over the left-front and right-rear quadrants （relative to the direction of TC motion）. In the left-front quadrant, strong winds locate at a smaller radius, the upper-level temperature is warmer with the warm core extending into a deep layer, while the wet air occupies a shallow layer. In the right-rear quadrant, strong wind and wet air dwell in an area that is broader and deeper, and the warmest air is situated farther away from the TC center.     

非对称台风bogus方案设计和初步试验

国家气象中心台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来, 一直在背景场中采用经验平滑滤波技术消除浅台风和嵌入轴对称的台风bogus涡旋技术。但事实上, 在采用经验平滑技术消除背景场中弱的位置不准确的浅台风涡旋同时, 也滤除了台风中心周围一些宝贵的非对称气流结构, 同时, 由于实际的台风涡旋结构是非对称的, 因而对采用轴对称涡旋的模式初始场而言, 或多或少的贡献了一些模式预报结果的路径误差。为了调查这部分非对称结构对台风预报路径误差的影响, 从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风周围的非对称流场, 将之加入到轴对称的台风bogus涡旋中。初步的个例试验发现, 加入非对称流场后, 能有效地减少台风路径预报误差。     

大气的垂直结构与遥相关型

利用球面上20°N以北和20°S以南的500hPa高度场资料研究了大气的垂直结构与遥相关型的关系。结果表明，正压扰动与波列结构的遥相关型一致，而斜压扰动则与带状结构遥相关型一致。     

山东中西部一次持续性大雾的形成及维持机制

利用常规气象观测资料和NCEP/NCAR提供的6 h再分析资料（分辨率为1°×1°）,对2013年1月12-16日发生在山东中西部地区的一次持续性大雾天气过程从环流背景、层结条件、动力和热力学机制等方面进行了诊断分析。结果表明：中高层偏西气流、对流层低层温度脊和地面冷高压的稳定维持为这次持续性大雾过程提供了有利的环流背景;大雾过程经历了辐射雾—平流辐射雾—平流雾的复杂演变阶段,不同阶段的大雾湿层厚度及逆温强度有所不同;适当的风速和低层弱的水汽辐合有利于大雾稳定维持和发展;近地层辐合上升、中高层辐散下沉,易在界面形成逆温层,有利于大雾的出现,而整层的辐合上升运动往往容易形成中高云,不利于近地层水汽的聚集,难以形成大雾。     

强风暴中反极性电荷结构研究进展

反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置,它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一,同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现,而存在一个演变过程,出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用,它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变,进而影响大小粒子碰撞的起电过程,使风暴内主要起电区霰粒子荷正电,冰晶等粒子荷负电,从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式,在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征,也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验,并将观测结果与数值模拟相结合,将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。     

一次华南海雾过程的观测分析

针对华南粤西沿海出现的一次海雾过程,采用现场观测试验获取的数据,结合NCEP再分析数据,分析了此次南海北部海雾的大尺度环流背景、边界层结构以及雾的微物理特征.分析结果表明:这一海雾过程发生在春季西南低涡发展南下的天气背景下,大气底层有明显暖湿气流输送、而高层层结稳定;在西南低涡特殊的天气背景下,白天雾层较浅薄,夜间雾层向上发展;雾的微物理结构与雾层的发展有密切关系,在雾的初始阶段大水滴明显较多,而在雾层向上发展、垂直混合阶段,雾滴有明显的蒸发现象,雾滴具有局地特征.     

江淮对流云发生规律及其垂直结构分析

利用安徽省内多普勒雷达组网数据,统计分析了江淮地区2013—2014年6—9月发生的对流云结构特征,共找出227个对流云个例,将不同对流云按结构分为9类,归类后发现江淮对流云以孤立对流、簇状对流和非线性对流为主,分别占总对流数的29.1%、18.1%和23.3%。不同的天气背景条件下,主要发生的对流结构也不同,低槽Ⅰ型天气下,主要以孤立对流云为主;低槽Ⅱ型天气下,主要发生的对流以非线状对流为主,同时由于低槽Ⅱ型是江淮地区多发的天气类型,所以这种天气是各种对流的高发型天气。利用调频连续波雷达探测获得高时空分辨率云体时间-高度剖面,了解云体的垂直结构,给出比一般雷达产品更加精细的对流云个例显示,典型孤立对流云、簇状对流云和非线状对流云的个例剖面图,及相应水粒子最大下落速度分别为13.3、8.2和11.5 m·s~(-1)。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。