探空和毫米波云雷达探测云高一致性的时空匹配原则研究

利用探空检验毫米波云雷达的测云能力时,探空气球的漂移偏差造成二者观测的误差不可忽视。因此,在二者探测云结构对比时,提出筛选二者样本的时间匹配和空间匹配原则,可有效减小探空气球漂移偏差引起的误差。通过分析西安泾河气象站2017年8月17日至2018年12月31日长达508天的探空和毫米波云雷达观测的共406组云底和云顶高度样本,结果表明,同时使用时间和空间匹配原则筛选探空和云雷达的云高样本时,二者观测的相关系数显著提高,有效减小探空漂移引起的误差。二者观测的云底和云顶高度的相关系数分别从未使用时空匹配原则筛选样本的0.70和0.66提高到0.98和0.97,均方根误差分别从未使用的2009 m和2148 m减小到602 m和708 m,平均绝对百分误差分别从未使用的47%和47%降低到14%和9%。筛选样本时仅使用时间匹配原则就可以大幅提高二者观测云底高度的相关系数,平均相关系数从未使用的0.35提高至0.86,时间匹配原则筛选样本对于提高二者观测云底高度的一致性非常有效。在筛选二者观测云顶高度时,必须同时使用时间和空间匹配原则才能有效提高二者观测一致性。无论有没有使用时空匹配原则筛选样...     

毫米波云雷达及探空反演的云垂直结构对比分析

利用2021年9月9日—2022年1月31日泾河国家基本气象站毫米波云雷达（简称云雷达）的反射率因子及L波段探空雷达的温度、相对湿度数据,根据时空匹配方法,对比分析了二者探测和识别云的垂直结构特征（包括云底高度、云顶高度、云层数）的一致性。结果表明：云雷达和探空数据对低、中、高的单层云、双层云及临近降水云的垂直结构的识别结果基本一致;二者对于单层云的云底高度以及双、多层云的云顶高度识别一致性更好,探空识别的云底高度整体略高于云雷达的。引起二者识别云层数不一致的原因：一是因为低层相对湿度较大以及探空识别云算法的敏感性;二是当云体的结构松散时,加上探空漂移作用导致二者识别的云体不一致。在二者识别云层一致的情况下,识别单层云的垂直结构的差异是由于探空仪在低温条件的低敏感以及云雷达对高层薄云的探测能力引起;对于双层和多层云,主要是由于时空匹配方法对于短时间内垂直结构显著变化的云的识别还需要进一步改进。     

基于毫米波雷达观测及探空反演的云垂直 结构对比分析

针对北京南郊观象台的Ka波段毫米波雷达以及L波段探空设备的观测原理和特点,提出了适用于各设备的云垂直结构判定方法,并基于二者2016年12月13日至2017年3月13日长达91 d的时空同步观测数据,结合激光云高仪、葵花8卫星、全天空成像仪等多源辅助数据,对探空与毫米波雷达观测结果(包括云底高、云顶高、云层数等)进行了...     

毫米波云雷达与探空测云数据对比分析

应用中国气象局大气探测综合试验基地2015年8—12月数据,对Ka波段毫米波云雷达与L波段探空云底高、云顶高及云垂直结构的探测进行对比分析,从分析结果可以看出,毫米波云雷达发射的电磁波能够穿透厚度较大的云层,探测出云垂直结构,所探测的云底高和云顶高与L波段探空结果保持良好的一致性。进一步分析一些云底、云顶高度差异较大的个例,得知与探空气球的漂移造成地域偏差和L波段探空相对湿度探测的误差相关。研究结果表明,Ka波段毫米波云雷达不仅探测能力强,探测精度也较高,是地基云探测的一种有效手段。     

基于L波段探空的云区边界识别改进算法

利用气象业务中使用的L波段探空数据和毫米波云雷达观测资料,分析探空相对湿度在入云和出云时的变化规律,提出一种基于探空相对湿度阈值与梯度相结合的云区边界识别改进算法,并利用云雷达观测数据对算法识别结果进行验证.利用北京市南郊观象台2019年1—6月层状云样本验证分析,结果表明:改进算法相比相对湿度阈值法,对云区边界识别更...     

利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究

云的垂直结构特征,无论是对天气、气候还是人工影响天气都十分重要,但业务上直接有效的观测手段十分缺乏。本文通过对比分析,确定了相对湿度阈值法分析云垂直结构的方法;利用我国气象业务探空秒数据,计算分析了不同云垂直结构,将得到的分析结果同CloudSat云雷达实测云垂直结构进行多个例的对比分析,验证了相对湿度阈值判断云垂直结构方法的可行性,及利用我国业务探空资料分析云结构的可用性;为业务应用,开发了探空秒数据的实时读取和计算方法,设计制作了云垂直结构探空分析显示图,初步形成基于我国业务探空的云结构分析技术;并实时将这些技术应用到我国60周年国庆期间几次不同天气系统云结构的时间和空间演变特征分析中,得到有意义的结果。     

内蒙古中部地区云气候学特征及降水云垂直结构特征分析

文章利用2013年内蒙古中部地区呼和浩特、东胜、临河、乌拉特中旗4个高空观测站的L波段探空秒数据,采用相对湿度阈值法,进行云垂直结构气候学特征分析以及降水云系的垂直结构分析。结果表明:呼和浩特地区平均云底高度为2680m,平均云顶高度为6433m,平均云厚为3753m。在全年中有60.2%的时间是无云天气;在有云时候,单层云约占24.1%;多层云中以双层云居多,约占总数的10.1%。云底高度低于2.5km、云层厚度在3.5km以上、云顶高度高于5.0km且连续无夹层是内蒙古中部地区降水云系的垂直结构特征。     

船载毫米波云雷达观测西太平洋云宏观特征对比分析

2017年10月15日至11月15日,利用"科学"号海洋科学综合考察船安装的两种型号云雷达(HT101、HMBKPS)开展西太平洋云观测试验研究。试验期间定时释放探空仪,利用探空仪的出云及入云高度,开展云雷达云高准确性分析;同船安装一台可见光热红外双波段天空成像仪获取天顶图像,分析云雷达数据获取率。试验结果表明:两部云雷达云高数据一致性较好,探测云底高度相关系数为0.997,云顶高度相关系数为0.988;云雷达探测云高准确性高,与基于探空识别的云底高度平均偏差分别为130 m(HT101)、72 m(HMBKPS),云顶高度平均偏差分别为310 m(HT101)、190 m(HMBKPS);受海洋性气候及船体摇摆影响,两部云雷达云数据获取率分别为57.8%(HT101)、68.7%(HMBKPS),漏测主要为卷云和淡积云。     

毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明：1）不同类型的云具有不同的云参数分布;2）在低于-15dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3）雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。     

毫米波测云雷达的系统定标和探测能力研究

毫米波测云雷达是中国自主研制的一部双线偏振全相干8.6 mm波长的测云雷达.本文在介绍该雷达系统的参数和技术特点的同时;重点阐述了厂家用外接仪表对该雷达天线系统、发射机系统以及接收机系统等硬件参数进行测试的方法,检验了雷达回波功率动态范围的定标和测量参数的定标结果;并从理论计算,配合试验区域内另外两部10cm波长的天气...     

多普勒雷达与L波段雷达垂直风廓线对比分析北大核心

利用2012-2017年阜阳多普勒雷达与L波段雷达测风数据进行对比分析,统计两者的相关性和测量误差,进一步了解多普勒雷达风廓线产品的准确性和可信度。结果表明:两者测风结果一致性较好,风向和风速相关系数分别为0.97和0.94,标准差分别为19.5°和2.65 m·s^(-1)。多普勒雷达风速总体上在同一高度比L波段雷达风速偏小,两者风速相对偏差平均为24.48%;风速标准差随高度增高呈增大趋势,在降水期间对比差值小于非降水;风向标准差在7 km以下呈递减趋势,8 km以上有小幅增加趋势;风速相关系数随高度增加呈增大趋势,除低空偏低以外,其他高度相关系数均较高。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12—13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制.结果表明:本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡....     

两种探空仪判别云垂直结构的对比研究

利用广东省阳江地区2010年7—8月WMO组织的国际高性能探空系统对比试验数据,对Vaisala RS92型探空仪和国产长峰探空仪的测云性能进行对比分析,并利用同步观测的Vaisala云高计和毫米波雷达数据进行了分析和验证。结果表明:两种探空仪判别的云层垂直结构都能较好地反映阳江的实际的云层情况。对于低云,两种探空仪的探测结果比较接近;对于不密实的云层,两种探空仪都会误判为多层云;对于高云,两种探空仪的判别效果均不理想,长峰探空仪还容易漏判云层。RS92探空仪探测的高云的云底和云顶的平均高度要高于长峰探空仪的探测结果。     

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

基于Ka波段云雷达的六盘山顶云特征分析

利用宁夏六盘山气象站2017年9月至2018年8月的Ka波段云雷达观测资料,统计分析了六盘山顶不同云的出现频率及宏观特征.结果表明:六盘山顶云出现频率最高值在7月,为61％,最低值在12月,为26％;按云层数划分,六盘山顶出现的云主要以1层云、2层云及3层云为主,相对总云的月平均出现频率分别为68％—86％、14％—2...     

基于星载云雷达资料的东亚大陆云垂直结构特征分析

利用近5年(2006年6月—2011年4月)的Cloudsat卫星资料分析了东亚大陆云垂直结构特征。结果表明:(1)降水(文中可降水是根据观测到的可降水粒子信息计算到达地面的降水,并不是指地面观测到的实际降水)云和非降水云的雷达反射率(回波)垂直分布存在一定差异,除降水云反射率通常接地外,降水云主要集中在8 km以下,反射率通常为-20—15dBz,非降水云主要集中在4—12 km,反射率为-28—0 dBz;降水云雷达反射率频数大值中心在2 4 km,对应的雷达反射率为0—10 dBz,而非降水云出现在8—10 km,且对应的雷达反射率为-26—-24 dBz;(2)从雷达反射率廓线来看,降水云中雷达反射率随高度的变化先增强后减弱,而非降水云几乎不变;(3)液态降水云、固态降水云和毛毛雨降水云反射率的垂直分布明显不同;(4)液态降水云自11至7 km雷达反射率迅速增强,表明此高度是粒子快速增长的优势空间;(5)固态降水云中-15℃温度频数分布与雷达反射率频数大值中心有很好的对应关系,表明在-15℃附近的条件下冰相粒子凝华-碰冻是粒子增长的优势过程;(6)云的垂直结构随着季节变更而变化,降水云春季、夏季和秋季的雷达反射率垂直分布变化不明显,而冬季主要在低层;固态降水云的垂直分布频数大值中心从春季至冬季呈"双-单"中心交替变化,且与云中-15℃频数分布变化一致;非降水云雷达反射率垂直分布没有明显的季节变化;(7)深对流云和雨层云是形成降水粒子的主要云型。     

Evaluation of cloud vertical structure simulated by recent BCC_AGCM versions through comparison with CALIPSO-GOCCP data

ABSTRACT The abilities of BCC-AGCM2.1 and BCC_AGCM2.2 to simulate the annual-mean cloud vertical structure （CVS） were evaluated through comparison with GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product （CALIPSO-GOCCP） data. BCC-AGCM2.2 has a dynamical core and physical processes that are consistent with BCC-AGCM2.1, but has a higher horizontal resolution. Results showed that both BCC-AGCM versions underestimated the global-mean total cloud cover （TCC）, middle cloud cover （MCC） and low cloud cover （LCC）, and that BCC_AGCM2.2 underestimated the global-mean high cloud cover （HCC）. The global-mean cloud cover shows a systematic decrease from BCCA-GCM2.1 to BCC_AGCM2.2, especially for HCC. Geographically, HCC is significantly overestimated in the tropics, particularly by BCC_AGCM2,1, while LCC is generally overestimated over extra-tropical lands, but significantly underestimated over most of the oceans, especially for subtropical marine stratocumulus clouds. The leading EOF modes of CVS were extracted. The BCC_AGCMs perform well in reproducing EOF1, but with a larger variance explained. The two models also capture the basic features of EOF3, except an obvious deficiency in eigen- vector peaks. EOF2 has the largest simulation biases in both position and strength of eigenvector peaks. Furthermore, we investigated the effects of CVS on relative shortwave and longwave cloud radiative forcing （RSCRF and RLCRF）. Both BCC_AGCM versions successfully reproduce the sign of regression coefficients, except for RLCRF in PC1. However, the RSCRF relative contributions from PC1 and PC2 are overestimated, while the relative contribution from PC3 is underes timated in both BCC_AGCM versions. The RLCRF relative contribution is underestimated for PC2 and overestimated for PC3.     

Dynamic and thermodynamic features of low and middle clouds derived from atmospheric radiation measurement program mobile facility radiosonde data at Shouxian,China

By using the radiosonde measurements collected at Shouxian,China,we examined the dynamics and thermodynamics of single- and two-layer clouds formed at low and middle levels.The analyses indicated that the horizontal wind speed above the cloud layers was higher than those within and below cloud layers.The maximum balloon ascent speed(5.3 m s~(-1)) was located in the vicinity of the layer with the maximum cloud occurrence frequency(24.4%),indicating an upward motion(0.1-0.16 ms~(-1)).The average thickness,magnitude and gradient of the temperature inversion layer above single-layer clouds were117±94 m,1.3±1.3℃ and 1.4±1.5℃(100 m)~(-1),respectively.The average temperature inversion magnitude was the same(1.3℃) for single-low and single-middle clouds;however,a larger gradient[1.7±1.8℃(100 m)~(-1)]and smaller thickness(94±67 m) were detected above single-low clouds relative to those above single-middle clouds[0.9±0.7℃(100 m)~(-1) and157±120 m].For the two-layer cloud,the temperature inversion parameters were 106±59 m,1.0±0.9℃ and 1.0±1.0℃(100 m)~(-1) above the upper-layer cloud and 82 ± 60 m,0.6±0.9℃ and 0.7±0.6℃(100 m)~(-1) above the low-layer cloud.Absolute differences between the cloud-base height(cloud-top height) and the lifting condensation level(equilibrium level)were less than 0.5 km for 66.4%(36.8%) of the cases analyzed in summer.     

毫米波测云雷达二次回波的回扩识别和距离旁瓣研究

毫米波测云雷达是一种重要的云遥感探测手段。为了获得大功率探测能力,本文所用云雷达使用了脉冲压缩技术和双脉冲技术,但也因此会出现二次假回波和距离旁瓣假回波。本文研究了假回波对云雨探测的负面影响,分析了产生二次回波的原理,设计了区域回扩法结合余弦相似度计算的二次回波定量识别算法。个例分析表明算法有较好的识别能力。本文还为定性判断距离旁瓣影响提供了一种简便可行的途径。研究结果可用于改善毫米波雷达的资料质量。