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.     

冬、夏季热带及副热带穿透性对流气候特征分析

文中利用热带测雨卫星 (TRMM) 搭载的测雨雷达 (PR) 1998~2007年的探测结果, 就热带及副热带地区穿透性对流的频次、条件降水强度及垂直廓线等特征进行了分析。研究结果表明: 深对流和穿透性对流都主要发生在热带辐合带 ( ITCZ)、南太平洋辐合带 (SPCZ)、亚洲季风区、20°N以南的非洲以及美洲等地区, 它们的空间分布具有明显的地域性和季节变化特征, 而且陆地深对流更容易发展成为穿透性对流, 但绝大部分地区的穿透性对流频次不超过0.2%。对穿透性对流条件降水强度的分析表明, 热带及副热带大部分地区的穿透性对流条件降水强度在10 mm/h以上, 且洋面的条件降水强度要比陆地大, 但由于其频次较小导致其对总降水的贡献并不大。尽管深对流和穿透性对流降水廓线的外形比较相似, 但相同的高度, 深对流的降水强度要比穿透性对流偏小, 而且这种差异随海陆和纬度的不同而有所区别。此外, 热带地区 (15°S~15°N) 冬、夏季深对流和穿透性对流降水廓线都只存在较小差异, 并没有显示出明显的季节变化。     

星载测雨雷达探测的夏季亚洲对流与层云降水雨顶高度气候特征

利用热带测雨卫星测雨雷达的10年探测结果,对夏季亚洲对流降水与层云降水雨顶高度分布、雨顶高度与地表降水强度的关系、雨顶高度日变化特征进行了研究。结果表明,青藏高原和中国东部平原的多数(70%以上)对流降水雨顶高度分布在8—12和5—10km,其他地区分布在5—9km;陆面对流降水雨顶平均高度高于洋面。洋面和陆面层云降水雨顶高度没有明显差异,多在5—8km。夏季亚洲浅对流降水比例少,而深厚对流主要出现在中国东部平原、西南、印度次大陆西部至伊朗高原东部地区,比例约40%。洋面和陆面的弱对流降水的雨顶平均高度在7—8km,弱层云降水相应的雨顶平均高度多小于7.5km;陆面约90%的强对流降水雨顶平均高度在9km以上,而强层云降水雨顶的平均高度通常不超过8.5km。夏季亚洲对流降水和层云降水的雨顶平均高度均随着地面平均降水率的增大而升高,两者遵从二次函数关系。对流降水及层云降水频次、强度和雨顶高度的日变化峰值分析表明,陆面这些参量的日变化强于洋面,并且三者的日变化基本同步。     

基于雷达观测的华南夏季降水类型日变化的时空分布特征

新一代多普勒天气雷达(CINRAD)具有高时空分辨率的特点,可以精细观测降水强度变化过程以及降水区域的实时移动,能有效监测灾害性天气事件。利用华南地区的多普勒天气雷达组网拼图资料,系统研究分析2017—2020年间夏季降水类型时空分布特征。研究表明:华南夏季出现的降水多为层云降水,大部分地区出现频次占比超过85%,而对流降水出现频次仅占14%左右。广东的雷达反射率峰值和对流降水频次均高于广西和海南。华南的雷达反射率峰值和降水频次显示出强烈的日变化特征,并存在显著的区域性差异。雷达反射率峰值与对流降水空间分布大致相似,沿海地区降水频次高于内陆地区;而层云降水在内陆地区的发生频次高于沿海地区。华南层云降水频次多集中在夜间,并在上午达到峰值;反射率峰值和对流降水多集中在日间,高值区随着时间变化从西部沿海不断向内陆和东部沿海移动扩张,并在午后和夜间之间达到峰值。对流降水日变化在沿海和内陆地区呈现不同的双峰模式,西部沿海上午出现主峰值,次峰值出现在午后晚些时候;而内陆的粤中地区上午峰值明显低于午后峰值。     

东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析

为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。     

基于TRMM PR探测的夏季合肥地区降水特征分析

利用热带测雨卫星TRMM搭载的测雨雷达（PR）1998-2012年的观测资料,研究了合肥地区夏季（6、7、8月）不同类型降水的降水强度和频次的水平空间分布、降水垂直结构、日变化特征以及气候变化等特征,揭示了城市化效应造成城市及其周边区域降水特征在时空上的分布差异。研究结果表明,（1）主城区对流和层云降水强度低于周边区域,对流降水频次也低于周边区域,但层云降水频次则相反。可见城市化发展是改变降水的空间分布的因素之一,且对不同的降水类型空间分布影响不同。（2）主城区降水回波信号高度高于周边区域,而降水强度低于周边区域,表明城市效应促进降水云发展而未造成降水强度增强。（3）合肥地区对流和层云降水的强度和频次日循环存在时空分布不均匀性,其中城区的对流降水强度和频次日循环与城市热岛效应日循环具有一致性。总体来看,城市化对局地降水强度影响较大,而对局地降水频次的总体影响不是很明显。（4）通过降水气候变化分析表明,城区两种类型降水强度和频次均呈逐年下降趋势,周边区域降水强度呈不显著上升趋势,降水频次呈逐年下降趋势,其中层云降水频次下降趋势较显著。城市化进程使得城市及其周边区域降水不均匀性逐年增强。极端降水空间分布特征分析表明,城市周边区域强降水频次高于主城区,尤其在城市的下风区高出主城区75%;而周边区域弱降水发生的频次低于主城区,城市下风区最低,低于主城区约18%。     

亚洲季风区积云降水和层云降水时空分布特征及其可能成因分析

本文利用最近12年的TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星资料,分析了亚洲季风区积云降水和层云降水的时空分布特征.结果表明:从多年平均角度看,亚洲季风区积云降水和层云降水空间分布主要呈现出随纬度变化的特征:25°N以北的副热带季风区以层云降水方式为主,其所占比例在50％...     

利用TRMM PR和IGRA探测分析的拉萨降水云内大气温湿廓线特征

利用热带测雨卫星测雨雷达(TRMM PR)降水回波反射率因子廓线(降水率廓线)与全球探空大气温湿廓线(IGRA)的多年融合资料,研究了青藏高原拉萨站夏季降水结构及相应的大气温湿结构特征。结果表明,该站降水回波反射率因子分布在17~45 dBz,大部分小于26 dBz;回波顶高度达17 km,呈现“瘦高”外形;相应的大气低层湿润,降水云内大气并非饱和,但温度露点差比全部状态时的值小。深厚降水系统的回波外形也呈现“瘦高”,按照降水率随高度的非线性变化,其垂直结构可分为三层,而浅薄降水系统的垂直结构呈现一层,即平均降水率斜率随高度呈对数线性变化,最大平均降水率(0.7 mm·h^-1)出现在地面。深厚降水与浅薄降水云体内400 hPa高度(7.5 km)上下的露点温度递减的速率不同。降水云体内的零度层高度大约6.3 km,但PR没有探测到零度层亮带。统计结果还表明拉萨探空站及附近的大气可降水量为20.89 mm·d^-1,降水转化率为27.0%,深厚降水系统的降水转化率是浅薄降水系统的2.9倍,深厚降水系统和浅薄降水系统的CAPE值分别为1941.7 J·kg^-1和1451.8 J·kg^-1。本研究结果为模式模拟青藏高原降水云内的温湿结构提供了观测依据。     

青藏高原和四川盆地夏季对流性降水特征的对比分析

本文利用TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,针对青藏高原和四川盆地各两次对流性降水天气进行了对比分析,结果表明:(1)高原降水系统以对流云降水为主,弱降水样本数量高,由孤立零散的块状降水云团组成,对流中心离散,降水范围小,雨区极不均匀,垂直发展厚度浅薄,降水粒子数量少,雨滴小,潜热释放以地面以上2~5 km高度层为主,夏季近地面层冰晶粒子含量高,降水过程中云顶亮温与地表雨强之间的相关性差,云顶亮温越高的对流云团其闪电频数越高。(2)盆地降水系统强降水样本数量高,由一个主降水系统和周边零散的降水云团组成,降水范围大,对流中心相对集中,雨区较均匀,垂直发展厚度高,对流系统深厚,雨滴大并集中,潜热释放呈一致的双峰型结构,峰值分别出现在7和16km高度上,冰雹粒子在对流层较高层含量高,云顶亮温与地表雨强之间呈显著的负相关,盆地的闪电频数显著高于高原地区,且闪电活动主要集中在亮温偏低的降水云体中。     

星载测雨雷达探测的中国南部雨季对流性暴雨频次分析

利用星载测雨雷达1998-2007年10年观测结果,对雨季我国南部(35°N以南地区)对流性暴雨、大暴雨、特大暴雨频次及其占局地总降水比例进行了研究.结果表明,暴雨主要分布于两广至云贵高原东部,其频次大于1.2%,最大可超过1.8%;大暴雨主要出现在广东西部至云贵高原东南、福建与江西交界附近、大别山西南侧、江淮至黄淮东...     

昭苏夏季层状云和对流云降水的雨滴谱特征

利用2020—2021年昭苏地区夏季的雨滴谱数据,研究层状云和对流云降水的微物理参量及雨滴谱特征。结果表明：对流云降水的粒子数浓度和粒子直径明显偏大,较大的粒子直径和粒子数浓度使得其降水强度和液态含水量远大于层状云降水。两类降水云的雨滴谱均为单峰结构,峰值直径主要分布在0.5～0.625 mm,对流云降水的雨滴谱谱宽明显大于层状云降水。两类降水云的雨滴直径和粒子数浓度与青藏高原中部的观测值相近,且昭苏地区的对流云滴谱更倾向于大陆性对流簇。研究结果有助于加深对昭苏地区降水的微物理特征及其演变规律的理解。     

用雷达反射率作对流性降水和层状云降水自动分类

为提高雷达定量测量降水的精度,利用武汉CINRAD/SA雷达反射率数据,研究提出了对流性降水和层状云降水自动分类算法(ACSS)。该算法在二维反射率结构场初步分类降水的基础上,识别亮带并从体扫描数据中提取降水的三维结构特征,然后对初步分类结果进行订正。试验表明,ACSS能较准确地实现对流性降水和层状云降水的自动分类,相对于只根据二维结构分类降水性能上有较大提高,主要表现在能正确识别出亮带特征明显的强层状云和对流核外沿的对流弱回波区。     

Warm-Season Diurnal Variations of Total,Stratiform, Convective,and Extreme Hourly Precipitation over Central and Eastern China

Diurnal variations in amount, frequency and intensity of warm-season hourly precipitation(HP) at seven levels, which are defined as HP 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 20 and 50 mm, are revealed based on no less than 30 years of hourly rain-gauge observations at national stations over central and eastern China(CEC). This study investigates the variations, relationships, differences and similarities of total, stratiform, convective and extreme HP over the entire CEC and various subregions. Results indicate that the variations in the amount and frequency of HP at the seven levels over the entire CEC all display a bimodal feature. For various regions, the variations of total HP mostly feature two peaks, while convective HP mainly occurs in the late afternoon and determines the diurnal variation of total HP intensity. On the basis of the primary peak time periods of HP frequency at all levels over different subregions, the variations can be classified into three main categories: late-afternoon primary peak, nocturnal primary peak, and time-shifting primary peak. However, the variations over some coastal regions like the Liaodong Peninsula, the Shandong Peninsula, and the coastal regions of Guangdong, distinctly differ from those over their corresponding larger regions. Overall, the normalized diurnal variation amplitude of amount and frequency increases with the increasing HP intensity; convective precipitation can be represented by HP 10 mm; and the intensity of HP 50 mm is slightly larger during the nighttime than during the daytime over the entire CEC. In northern China, diurnal variation in HP 5 mm can represent well that in convective precipitation.     

层状云降水过程中的风廓线特征

利用唐山风廓线雷达资料,结合天气雷达资料,分析了2009年2月12日的稳定性降水天气过程。分析表明,风廓线雷达能很好地观测到稳定性降水过程中冷、暖切变的小扰动和急流的下传过程,这些小扰动和急流的下传加强、维持了降水;垂直切变的加大、强下沉气流的着地,预示着降水即将开始;低层偏北风的侵入、强下沉气流的消失预示降水将结束。     

Differences between Convective and Stratiform Precipitation Budgets in a Torrential Rainfall Event

Differences in rainfall budgets between convective and stratiform regions of a torrential rainfall event were investigated using high-resolution simulation data produced by the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The convective and stratiform regions were reasonably separated by the radar-based convective–stratiform partitioning method, and the threedimensional WRF-based precipitation equation combining water vapor and hydrometeor budgets was further used to analyze the rainfall budgets. The results showed that the magnitude of precipitation budget processes in the convective region was one order larger than that in the stratiform region. In convective/stratiform updraft regions, precipitation was mainly from the contribution of moisture-related processes, with a small negative contribution from cloud-related processes. In convective/stratiform downdraft regions, cloud-related processes played positive roles in precipitation, while moisture-related processes made a negative contribution. Moisture flux convergence played a dominant role in the moisture-related processes in convective or stratiform updraft regions, which was closely related to large-scale dynamics. Differences in cloud-related processes between convective and stratiform regions were more complex compared with those in moisture-related processes.Both liquid-and ice-phase microphysical processes were strong in convective/stratiform updraft regions, and ice-phase processes were dominant in convective/stratiform downdraft regions. There was strong net latent heating within almost the whole troposphere in updraft regions, especially in the convective updraft region, while the net latent heating(cooling) mainly existed above(below) the zero-layer in convective/stratiform downdraft regions.     

庐山地区层状云和对流云降水特征对比分析

根据Parsivel激光雨滴谱仪在庐山高海拔观测场获取的2011年降水资料,结合宏观特征量、雨滴谱资料和雷达图像资料,将降水划分为对流云降水和层状云降水,选取了12次典型降水过程。对两类云降水的6种特征直径、各档雨滴对降水参量的贡献、降水微物理参量的演变等进行了分析,并利用M-P分布和Gamma分布对两类云降水雨滴谱进行拟合,对拟合参数以及拟合效果进行了分析。结果表明：两类云降水微物理特征有着本质的区别,层状云降水谱宽相对较窄,参量随时间变化比较平缓,直径不超过1 mm的小滴对降水贡献最大;对流云降水谱宽相对较宽,出现了直径接近10 mm的大滴,参量起伏较大,对数密度贡献很小的大滴对雨强、含水量贡献却比较大。从拟合效果检验来看,层状云降水拟合时的M-P曲线在大部分区段比Gamma曲线更接近实测雨滴谱曲线;对流云降水拟合时的Gamma分布曲线与实际雨滴谱分布曲线整体吻合程度较高。M-P分布和Gamma分布两种拟合方法都适用于层状云降水,对流云降水雨滴谱拟合时Gamma拟合效果优于M-P拟合效果。     

层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟#

通过建立层状云雨滴的分档模式,对中国北方常见的三类典型层状云降水形成的微物理过程以及冰粒子在降水形成中的作用进行了数值模拟。结果表明,对于由冰粒子驱动的降水过程,由于高空冰粒子的增长降落表现出一种准周期变化过程,导致与之相关的云水含量,雨水含量也出现准周期性的演变,这种演变在雨滴分档模式中能够较好地反映到降水过程中。     

Vertical Structures of Convective and Stratiform Clouds in Boreal Summer over the Tibetan Plateau and Its Neighboring Regions

Cloud is essential in the atmosphere, condensing water vapor and generating strong convective or large-scale persistent precipitation. In this work, the relationships between cloud vertical macro- or microphysical properties, radiative heating rate, and precipitation for convective and stratiform clouds in boreal summer over the Tibetan Plateau (TP) are analyzed and compared with its neighboring land and tropical oceans based on CloudSat/CALIPSO satellite measurements and TRMM precipitation data. The precipitation intensity caused by convective clouds is twofold stronger than that by stratiform clouds. The vertical macrophysics of both cloud types show similar features over the TP, with the region weakening the precipitation intensity and compressing the cloud vertical expansion and variation in cloud top height, but having an uplift effect on the average cloud top height. The vertical microphysics of both cloud types under conditions of no rain over the TP are characterized by lower-level ice water, ice particles with a relatively larger range of sizes, and a relatively lower occurrence of denser ice particles. The features are similar to other regions when precipitation enhances, but convective clouds gather denser and larger ice particles than stratiform clouds over the TP. The atmospheric shortwave (longwave) heating (cooling) rate strengthens with increased precipitation for both cloud types. The longwave cooling layer is thicker when the rainfall rate is less than 100 mm d^?1, but the net heating layer is typically compressed for the profiles of both cloud types over the TP. This study provides insights into the associations between clouds and precipitation, and an observational basis for improving the simulation of convective and stratiform clouds over the TP in climate models.