基于天气雷达网三维拼图的混合反射率因子生成技术

首先基于1:25万的DEM(digital elevation model)数据、雷达站点信息、雷达波束高斯分布模式和标准大气情况下的波束传播路径计算了雷达的波束阻挡率,并把它与雷达实测的反射率因子分布情况进行比较,发现两者具有很好的定性一致性和很强的定量相关性;其次根据设置的波束阻挡率阈值和波束下限(波束底部越过地形的高度)阈值得到不受地形阻挡的最小扫描仰角在同一平面上的投影,即混合扫描仰角,这样计算出来的混合扫描仰角与雷达扫描方式无关,可用于不同扫描方式下的混合扫描反射率因子(没有波束阻挡的最低扫描仰角的反射率因子在同一平面上的投影)的获取;然后根据混合扫描仰角,利用标准大气情况下的雷达测高公式计算等射束高度,把来自雷达网中各雷达的等射束高度进行拼接得到等射束高度拼图,其中在各雷达重叠覆盖区,取最小的等射束高度;最后利用新一代天气雷达网三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到天气雷达网的混合反射率因子,以便用于大范围降水估算算法中的降水率的计算.     

多普勒雷达数据三维格点化的方法研究

天气雷达数据三维格点化是天气雷达组网拼图的基础,本文研究了几种把球坐标系下的分辨率不均匀的雷达反射率资料（dBZ）插值到统一的分辨率均匀的笛卡尔坐标系下的方法,并采用模拟的天气雷达回波数据对这几种方法进行了比较分析,主要对空间反射率强度值的连续性及是否保留了雷达资料中原始的反射率结构特征进行对比分析。     

多普勒雷达三维拼图资料在强对流天气监测中的应用

利用多普勒雷达三维拼图产品和石家庄新乐雷达站单多普勒雷达产品,对比分析了2008年6月23日发生在河北省中南部的一次强对流天气过程。结果表明：反射率因子和回波顶高拼图产品展现了整个对流系统自西向东发展、演变的全貌,为全面跟踪灾害性天气影响的时间和地点以及短时、临近预警提供有利依据。同时,根据反射率因子剖面图,不仅可以提前10－20 min对冰雹或大风天气做出预警,而且还可以从回波垂直剖面的形状区别冰雹或者大风,明显的回波悬垂、弱回波区和回波墙是发布冰雹预警的充分而非必要条件。     

新一代天气雷达基数据的三维拼图和产品生成软件系统

本软件系统采用C++和Fortran语言开发,定位于15部左右的新-代天气雷达区域基数据拼图,在Windows XP操作系统的微机上运行.在雷达资料质量控制的基础上,完成省或区域中心的新一代天气雷达基数据组网,实时提供经纬度、海拔高度网格的回波强度资料,并生成部分产品,为中小尺度天气分析、临近预报、人工影响天气、水文等应用奠定基础.     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

LAPS雷达反射率拼图方法改进及静锥区填充方法研究

针对Local Analysis and Prediction System(LAPS)融合我国新一代多普勒雷达基数据时产生的资料空白问题,设计采用最大值和距离指数权重拼图方法来改进LAPS原有的最近邻居法,并且尝试通过最小二乘法来模拟静锥区的反射率值。试验结果表明,最大值法和距离指数权重法能够充分发挥多部雷达观测反射率的效能,有效地改善高仰角之间的资料空白现象,对静锥区也有一些的填补,特别是在对流层中层。最小二乘法拟合静锥区反射率试验取得了一定的效果,能够较好地拟合静锥区周围观测资料比较多的情况。该研究改善了LAPS同化国产多普勒雷达资料的能力,提高了多部雷达观测的利用效能,将会对LAPS分析产生积极的影响。     

新一代天气雷达三维组网产品在人工防雹的应用

基于冰雹云的雷达三维拼图反射率分布形态特征,提出在人工影响防雹作业中识别冰雹云的6个候选指标,分别是组合反射率、云回波顶高、最大反射率回波顶高、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度以及垂直累积液态水含量跃增值。基于新一代天气雷达组网数据应用风暴跟踪(SCIT)算法实现风暴跟踪并计算部分指标,形成模糊逻辑判断方法,确定防雹作业区域。结果表明,应用该方法对北京、江西的多个降雹个例进行三维风暴单体的冰雹云识别试验,对比地面降雹观测数据,计算多个个例模拟命中率77%,误报率26%,空报率22%。考虑组合反射率三维形态分布特征的模糊逻辑法可以较好地识别大部分可作业冰雹云,跟踪模拟效果较好,有利于在人工影响防雹作业中的有效应用。     

多普勒天气雷达反射率资料的三维变分同化试验

基于美国新一代数值预报模式WRF (The Weather Research and Forecasting)及其3DVAR (Three-Dimensional Variational)同化系统,采用3DVAR直接同化雷达反射率资料,对2010年10月8日发生在云南省的暴雨过程进行三维变分同化和数值模拟试验。考察了采用不同水平分辨率和垂直层次的雷达反射率进入同化系统对暴雨预报带来的影响。结果表明:同化雷达资料相对无同化任何资料,雨带位置南移,更接近实况降水。同化不同水平分辨率的雷达反射率资料,其中水平分辨率为0.1度的反射率资料同化后,模拟的降水相对其他方案更接近实况。垂直方向上选取3500m和6000m高度的资料,对整个降水带位置和降水强度影响较大。在此个例中选取垂直层次在1000m,2000m,3000m,3500m,4000m,5000m,7000m,8000m的雷达反射率资料,模式模拟的降水更接近实况。      

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用.该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽.以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果.数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径.     

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统.通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场.以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响.     

利用双多普勒雷达研究强飑线过程的三维风场结构

山东齐河CINRAD/SA和滨州CINRAD/SC雷达相距125.5 km,组成了双多普勒雷达观测网,利用2004年6月21-22日的一次强飑线过程的多普勒天气雷达探测资料,分析了双雷达观测资料的质量控制结果,并根据双多普勒雷达反演的三维风场研究了飑线的三维结构.结果表明,两部雷达探测的回波在水平位置上有2.0 km的差别,回波强度滨州雷达低5.2 dBz,回波结构也有一定的差别,径向速度在可比较的区域一致性很好.飑线不同位置的水平风场结构有很大不同,在飑线北端,低层是气旋性辐合风场,飑线南端是反气旋性辐合风场,而中部沿强对流窄带的前部是偏西和东南风的风场辐合.中高层云中风逐渐转为西北风,强对流回波带上空对应辐散风场;垂直于强对流带方向的风场垂直结构表明成熟阶段,强对流窄带前部的低层是入流气流,即东风气流,它与对流带后部的西风相遇后向上倾斜上升,在中高层向前流出形成飑前砧状云.减弱阶段,低层的西风分量增强并向前穿过强对流回波带,导致前面的入流气流风速减弱、下边界抬高,这一垂直风场结构和演变特征与美国中纬度飑线的结构基本一致.     

利用单多普勒雷达资料分析垂直面上二维流场和热力平流的两个例子

用单部多普勒雷达观测资料,使用Browning,Hobbs等人和Locattelli等人的方法,计算了冬季极地气团涡旋内中尺度雨带法向垂直面上的二维流场和热力平流。得到的结果定性地和雨带的存在及不同发展阶段一致,和探空仪观测的结果基本一致,但是在定量的意义上本文得到的垂直速度偏高,冷暖平流区也非全部一致。用不同的方法处理资料得到的二维流场有明显变化。