基于雷达组网拼图的定量降水反演Ⅱ:方案改进及综合评估

为提高雷达定量降水反演精度,结合多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动站降水观测资料,在利用最优化法建立辽宁本地化动态Z-I关系基础上,进一步优化雷达定量降水反演方案,分别开展了分雷达回波强度等级与分地理区域优化降水Z-I关系研究。结果表明:两种优化方案的定量降水反演评估指标均有所改善,整体而言,优化方案有效降低了雷达定量降水反演误差,降水反演能力得到进一步提高。2013年辽宁抚顺"8. 16"典型强降水个例定量降水反演结果显示,两种优化方案反演降水的空间分布形势与地面降水实况场更加接近,尤其弥补了单一动态Z-I关系法对20. 0 mm·h^-1以上量级强降水落区范围以及40. 0 mm·h^-1以上量级超强降水中心反演不足的问题,采用优化方案后的各项评估指标均大幅提升,明显改善了雷达定量降水反演的不确定性,降水反演效果具有更强的稳定性和可靠性,为灾害性短时强降水天气事件短临预报预警提供了定量参考。     

基于雷达组网拼图的定量降水反演I—动态Z-I关系法

综合利用辽宁省及周边区域9部多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动气象站降水观测资料,通过最优化法,建立适合辽宁本地区的动态Z-I关系,实时得到高时空分辨率雷达定量降水反演资料。结果表明:对2011年台风"米雷"和2012年台风"达维"降水反演表明,动态Z-I关系法可以反演地面降水的主要空间分布特征,但反演的强降水中心存在较大偏差;动态Z-I关系法定量降水反演能力整体优于固定Z-I关系法,但存在高估小雨强度和抑制大雨强度的系统性偏差,特别是对于20.0 mm·h~(-1)以上量级的强降水,平均误差达-10.0 mm以上,平均相对误差超过70.0%;各量级降水样本所占比例的差异与地理区域气候条件的差异,是动态Z-I关系法反演降水产生误差的两个主要原因。     

陇东南地区短时强降水的雷达回波特征及其降水反演

利用雷达基数据对比分析了天水、庆阳和兰州3部多普勒雷达等距离水平剖面上同步观测的回波强度差异,并研究了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和反演降水。结果表明,当回波强度10 dBz时,这3部雷达并不存在显著差异;从区域站和自动站的降水量对比分析可知,造成短时强降水的天气学尺度较小,对雷达回波的统计也映证了这一结论。有75%的强降水尺度20 km,表明原有的气象站并不能较好的反应局地降水;运用分组估测法、整体和分型Z-I关系法定量估测降水,结果发现分型Z-I关系法可以较好的反映陇东南地区的降水特点,较好的解决了低量值高估和高量值低估的问题,其中雨强在15~20 mm·h-1时反演效果最好。     

一次南岭山脉前汛期强对流天气过程诊断分析

利用常规观测资料、FY-2G/2E卫星黑体亮温(TBB)资料、多普勒天气雷达资料与ERA-Interim再分析资料,对2016年4月17—18日南岭山脉一次强对流天气过程进行了诊断分析。结果表明:(1)该过程前期,受地面倒槽与辐合线影响出现暖区降水,后期随着地面冷空气侵入配合低空切变线与高空槽东移南压迅速转变为锋面降水,强降水落区与南岭山脉走向一致,大暴雨由多个中尺度对流系统(MCS)移入和有利地形作用造成;大冰雹、雷暴大风主要出现在暖区降水时段,暖区短时强降水以高质心降水为主,锋面越山之后强天气主要为低质心短时强降水,雷暴大风和冰雹较少出现。(2)雷达回波图上中层径向辐合的出现,对雷暴大风具有预警参考意义;中气旋、高垂直累积液态水含量(VIL)、回波悬垂、有界弱回波等回波特征对提前预警大冰雹有一定的指示作用。(3)不同类型强天气发生的大气层结条件存在差异,上层干区深厚、低层湿度条件较好有利于产生大冰雹,大的0—6 km垂直风切变有利于冰雹增长;大的下沉对流有效位能(DCAPE)是预报雷暴大风的一个参考指标;整层温度露点差和DCAPE小是判断只出现短时强降水的参考依据。(4)南岭及其附近地区"喇叭口"地形和迎风坡地形有利于低层气流辐合触发对流,造成暴雨多发和降水时间延长,南岭背风坡的锋生作用使南岭山脉南麓出现雷暴大风、冰雹等天气的可能性增大。     

短时强降水特征统计及临近预警

利用多普勒天气雷达、探空和逐小时降水量资料,对2010 2012年,滇西南普洱、西双版纳537次短时强降水天气过程进行统计分析,建立三种短时强降水概念模型,分别是:低质心弱辐合型短时强降水、低质心辐合型短时强降水、高质心短时强降水。对比分析了不同类型短时强降水的强度特征、移速特征、生命期特征、垂直风切变特征等,探讨了辐合作用与强降水维持时间的关系、辐合切变量与雨强的关系、D_(VIL)与降水量的关系。并得出预警方法:满足如下条件时,出现短时强降水的可能较大:(1)低质心强降水中,回波无倾斜特征,强度以40~45 dBz为主,强度从低层到高层维持或缓慢减弱,大部分回波的H_((40dBz))≥H_0,且0℃层高度上40 dBz的回波的累计长度/回波移速≥0.67 h(辐合切变量≥2.2 m·s~(-1)时,累计长度/回波移速≥0.50 h),预报提前时间30~40 min。(2)高质心强降水中,强回波边缘存在宽≥3 km、强度为40~45 dBz的回波,且0℃层高度上40 dBz的回波的累计长度/回波移速≥0.47 h,预报提前时间28 min左右。此外,对短时强降水成因进行了探讨。     

新疆短时强降水天气系统环流配置及雷达回波特征

利用2010—2018年新疆105个国家站、1240个区域自动站逐时降水资料及8部多普勒天气雷达资料,从预报业务应用角度提出新疆短时强降水过程定义并遴选468次短时强降水过程,分析短时强降水影响系统环流配置和雷达回波特征。结果表明新疆短时强降水的影响系统主要有中亚低槽(涡)、西西伯利亚低槽(涡)、西北低空急流。造成新疆短时强降水的对流风暴主要有合并加强型、列车效应型和孤立对流单体型,其中合并加强型最多,占45.1%,孤立对流单体型占34.8%,列车效应型最少,占20.2%,且各区域对流风暴的影响比例也有一定差异。南疆短时强降水过程中多普勒雷达最大反射率因子强度(Z max)、强回波中心顶高(D max)、回波顶高(ET)、最大垂直累积液态水含量(VIL)预警阈值小于北疆,且伊犁州最大,阿克苏最小,伊犁州短时强降水以低质心回波为主,其他区域则为低质心和高质心回波。     

泸州X波段双偏振雷达在冰雹识别中的对比应用

利用实况观测资料、714X 波段双偏振多普勒雷达和 5 部拼接的 S 波段雷达资料,对 2020 年 5 月 30 日泸州一次冰雹过程进行对比分析。结果表明：此次冰雹过程是在 200hPa 西风急流、850hPa 切变、地面辐合线和冷空气的共同作用下发生的。整层大气具有强的不稳定性,存在较强的风切变,各项探空指数也有利于冰雹等强对流天气的发生。冰雹过程中,X 波段的回波位置和实际降水、降雹区相匹配,但回波强度偏弱;S 波段的回波位置较实况落区偏西,回波强度和实况更匹配。S波段的 VIL 能够较好地反应冰雹粒子的存在。X 波段的 R_(HV) 能够有效地区分冰雹和强降水回波,而 K_(DP)、Z_(DR) 存在空洞现象,应用稳定性较差,需结合其它参量进行冰雹识别。     

短时强降水监测和预警技术及其在山区的应用

为提高短时强降水的监测和预警技术在山区等复杂地形中的应用,本文选取相关的探空资料分析天气背景,划分降水类型,与自动站订正技术相结合,采用Z-I分型最优化技术估测降水,利用交叉相关法对雷达反射率因子进行外推,并预测30min后的累积降水量。根据近3年的观测资料,制定出适合岳阳地区雷达反射率因子以及雷达估测降水对应的降水量级。通过与自动站雨量对比,Z-I分型最优化技术估测降水的相对误差较小;与Z-I经验公式估测降水对比分析,雷达估测降水的准确率有一定提高。经过岳阳示范区一年的实际应用表明:该方法对短时强降水的估测和预警均取得良好的效果,对强降水引起的山体滑坡等灾害具有一定的防范作用。     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

威宁X波段双偏雷达与昭通C波段天气雷达回波强度对比

为了能够更加准确地预警贵州威宁及其周边地区的冰雹和其他强对流天气过程,尽可能多的减小各型雷达回波强度的差异,以昭通C波段天气雷达为基准,选取昭通C波段天气雷达和威宁X波段双偏雷达同步观测体扫资料,对3组强对流天气过程回波特征进行了详尽的对比分析,结果表明:威宁X波段双偏雷达与昭通C波段天气雷达回波强度测量值存在一定的误差,前者回波强度整体较后者偏大;观测目标距离两者越近回波强度误差值越小,反之越大;两者对距离较近的观测目标回波强度值一致性较好。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

天津地区一次局地大暴雨过程MCS传播发展机制

利用常规观测资料、卫星云图、雷达、风廓线组网资料对2017年8月8日-9日天津地区局部大暴雨天气进行分析,得到以下结论：A、B两个中尺度雨团先后影响天津,A雨团持续了4个小时,雨强相对较大；B雨团持续了3个小时,雨强相对较小；对应有两个MCS,强降水发生在TBB低值中心偏向温度梯度最大的区域；降水回波的移动路径和强度特征存在差异,A雨团回波为自西北向东南方向移动的带状的高质心降水回波；B雨团回波自西南向东北方向移动,为低质心降水回波带状回波,高质心降水回波雨强高于低质心降水回波。新型探测资料有助于分析中尺度影响系统,判断对流系统的移动方向。用风廓线组网资料对比两个阶段降水的中尺度系统,A雨团为上冷下暖的高低空配置,B雨团降水出现在整层西南气流中,引导风的不同,导致回波的移动方向、天气剧烈程度的不同；变压梯度、温度梯度等环境因素对判断局地对流暴雨发生的环境条件有一定指示性。     

短时强降水的多尺度分析及临近预警

利用安徽省1995—2010年逐小时降水量资料,统计了不同强度的短时强降水的时空分布特征,并分析典型短时强降水过程的环境背景场特征,建立了短时强降水的三种概念模型,总结出有利于其发生的大尺度影响系统。通过分析物理量得知,短时强降水发生时大气水汽充沛、湿层深厚,厚的暖云层保证了云粒子在降水系统的下沉气流里较少的被蒸发,而中等强度的对流有效位能和高的KI指数值有利于高降水效率的产生。短时强降水的雷达反射率因子有"低质心结构"和"高质心结构"两种结构特征。而径向速度场上的中小尺度风速切变、辐合、气旋式辐合则是强降水回波在某地维持和发展的重要原因。强降水发生前半小时边界层急流显著增强,也是短时强降水临近预警的一个重要指标。     

郴州天气雷达估测降水量误差分析

新一代天气雷达系统使用Z-I关系式反演降水,在估测降雨时不同地域具有不同误差;在观测降水时受到水平阵风或短时大风、回波强度、地形、大气折射等因素影响,可能降低雷达定量估测降水的精度。本文利用湖南郴州雷达基数据不同低仰角反射率因子分别估算出降水量,对比分析了不同仰角雷达反演估测降水量与自动雨量站雨量数据之间的误差。通过对雷达估测降水的误差来源分析、估测降水误差并应用数学统计分析误差,初步得出:2.4°仰角估测降水与雨量站的观测数据线性相关系数最高,雷达估测的降水较为真实。而0.5°、1.5°仰角受地型影响估测降水可行性不高。     

雷达回波外推预报的误差分析

基于天气雷达资料的外推预报是灾害天气临近预报的基础,选取4次强降水过程分析了外推预报的误差.主要分析方法包括3个步骤:(1)采用多尺度回波跟踪方法确定雷达回波的运动场;(2)采用半拉格朗日平流方案对雷达回波进行外推;(3)预报结果和观测结果进行对比.利用去相关时间方法分析了雷达回波的可预报性,利用预报技巧评分和相对绝对误差对外推预报的误差进行了定量分析.此外,还分析了外推预报的误差与尺度之间的关系,以及外推预报中的不确定因素 回波强度变化和回波运动场变化在预报误差中的相对重要性.这4次强降水过程的误差分析表明,预报误差随预报时效的变化基本上是以指数规律递减的,大尺度的降水系统对应较长的持续性,对于发展演变较快、尺度较小的风暴,其持续性较短.     

基于地理地形因子动态调整的复杂地形区雷达定量估测降水技术

雷达定量降水估测可以提供时间连续、水平分辨率高和覆盖范围广阔的降水产品,目前已成为气象监测的重要手段之一。尽管当前针对不同地区雷达估测降水的方法有了长足的发展,但是复杂地形区的雷达降水估测效果仍需改进。本文针对青藏高原东北边坡复杂地形区雷达降水估测,在固定经验Z-I关系、云分类经验Z-I关系、回波分级统计Z-I关系3种已有算法的基础上,建立了基于准稳定移动窗口的地理地形因子实时动态调整降水估测订正算法,并利用2017-2018年汛期临夏地区降水天气个例开展估测效果评估。结果表明：未经订正算法估测降水值往往较实况观测值偏小,而经过订正后的估测降水平均值与观测实况较为一致;不同算法对于小量级降水估测的累计概率分布（CDF）与观测实况偏差较大,而随着降水量级逐渐增加,估测降水的CDF与实况观测逐渐接近,基于回波分级统计Z-I关系的订正算法估测性能更为稳定;不同算法估测降水量的误差差异较大,未订正算法对所有降水以低估为主,基于回波分级统计Z-I关系订正算法和基于固定经验Z-I关系订正算法的整体估测偏差较小;未经订正算法对对流性降水天气主要降水落区估测较好,但对降水强度估测较差,而订正后估测效果...     

准噶尔盆地南缘一次强对流风暴雷达回波演变特征

利用Doppler雷达产品,结合常规观测资料对2008年7月25日中国准噶尔盆地南缘冰雹、强降水的雷达回波结构演变特征进行分析。结果表明：此次冰雹、强降水天气过程发生在西伯利亚至巴尔喀什湖冷槽东南象限的对流不稳定层结中,近低层至地面有中尺度辐合切变线。强风暴的演变可归为＂逗点—‘人’字形—螺旋形＂3个回波阶段,相应径向速度图上出现＂逆风区＂、中气旋和辐合区。冰雹的雷达回波强度中心值超过65 dBz6,0 dBz回波顶高为5.5 km,65 dBz回波顶高为3.0 km。垂直累积液态含水量由10 kg·m^-2增至70 kg·m^-2。强降水的雷达回波强度中心值达60 dBz,55 dBz回波顶高为3.7 km6,0 dBz回波顶高为2.2 km。垂直累积液态含水量由15 kg·m^-2增加至55kg·m^-2。Doppler雷达产品对冰雹、强降水天气监测预警具有指示意义。     

基于动态Z-I关系雷达回波定量估测降水方法研究

选取石家庄市新一代天气雷达2009-2012年29个降水过程雷达二次产品数据（低层5个仰角及组合反射率因子）和加密自动站逐分钟降水资料,依据与雷达回波强度最相近及与自动站位置距离最近的原则,建立随时空变化的动态Z-I关系,来定量估测无自动站观测格点的降水量,从而实时获取高分辨率雷达估测降水资料;对雷达定量估测降水与自动站观测降水的空间分布进行了对比,利用交叉检验方法分析了雷达定量估测降水的误差,结果表明:该方法反演降水的平均误差较小,为—0.6mm·h^-1,能较好地表现出降水的时空分布特征,显示出不同等级降水的面积和演变,具有反演40 mm·h^-1以上的强降水中心的能力,表明该方法具有业务应用价值,对强降雨灾害的评估具有指导作用。     

川西南山地冰雹雷达预警指标

基于西昌多普勒天气雷达观测资料,分析2006—2013年凉山州境内24块冰雹云特征。结果表明:冰雹云的雷达特征均满足回波强度超过50dBz,回波顶高超过-30℃层高度,45dBz回波顶高超过-10℃层高度,垂直累积液态含水量超过8kg·m-2。上述4项雷达参数特征在判别冰雹云的时效性上存在差异,回波强度超过50dBz,回波顶高超过-30℃层高度,45dBz回波顶高超过-10℃层高度等3项判别指标对冰雹云提前判别预警时间为4~40min,垂直累积液态含水量超过8kg·m-2则对冰雹云提前判别预警的时效性效果不佳。与25例短时强降水个例对比发现,45dBz回波顶高超过-10℃层高度作为冰雹雷达预警判别指标有较好的指示作用。     

雷达定量降水动态分级Z-I关系估算方法

利用高时空分辨率的雷达定量降水估测和预报(RQPE和RQPF)对洪水监测、发布洪水警报起重要指导作用，目前国内外对其研究的方法主要采用概率配对法、Z-I关系法和基于Z-I关系的数学算法校正法，这些方法均存在强调某一因素忽略其它因素的问题，并且对短时强降水，尤其是极强降水低估严重。从统计和个例两方面对比分析了四种雷达定量降水方法的误差，致力于寻找一种将雷达回波反射率预报场反演为降水场时误差较小的技术方法，能改进对短时强降水、特别是极强降水严重低估问题的方法，并且该方法也能在业务应用中方便、快速、精确实现。对比研究结果表明：动态分级Z-I关系法是一种对雷达QPE和回波反射率预报场反演降水场都较好的方法，并且改进了对短时强降水、尤其是大于55 mm/h的短时极强降水低估的问题；在业务计算中仅需15秒，能满足6分钟更新一次计算结果的需要，而且不依赖气候统计，便于移植。