基于多源资料的中天山降水云宏微观特征分析

文章基于C波段新一代多普勒天气雷达、Ka波段云雷达、微雨雷达和地基微波辐射计等观测资料对中天山地区夏季一次地形云降水的宏微观特征进行了分析。研究表明:此次降水过程受西风气流影响产生地形云降水;该降水过程的0℃层高度在4 km附近,大气层结表现为干层-湿层-干层分布;雷达反射率因子主要分布在15~30 dBZ,云体厚度6 km左右,云内粒子在强湍流作用下迅速增大;在3.5 km高度上雨滴谱存在明显增宽,小粒子数浓度不断减小,大粒子则迅速增多,结合0℃层高度信息得出在3.5 km以上多为冰相粒子,3.5 km以下则主要为液相粒子;多种不同波长的雷达分别适用于测量不同尺度的粒子,可以对降水云的发生演变进行整体全面的观测。研究有助于从地形云宏微观物理特征的视角科学评估中天山白杨沟地区地形云降水人工增雨播云潜力。

基于NPP/VIIRS数据的新疆夏季强对流云微物理特征及其区域差异

冰雹灾害是新疆地区主要灾害性天气之一,具有地域性强、次数多、灾情重等特点,开展新疆不同地区冰雹云微物理特征研究具有重要意义。利用2015—2021年新疆地区强对流天气过程及对应NPP/VIIRS卫星资料,采用卫星云微物理反演技术,定量分析了冰雹云和深对流云微物理特征,对比研究了南北疆冰雹云微物理参量差异。结果表明:冰雹云晶化温度(-34.0℃)较深对流云(-30.5℃)更低,深对流云顶高度更高,冰雹云顶存在砧状结构。北疆地区冰雹多发在6—7月,南疆集中在5—7月发生,降雹时刻主要分布在15:00—20:00,南疆冰雹出现在凌晨和上午的占比较北疆多;北疆和南疆降雹持续时间均值集中在12.60 min和12.27 min,冰雹最大直径均值分别为13.53 mm和12.80 mm,北疆冰雹云顶更高、降雹持续时间较长,冰雹直径更大,冻结温度比南疆更低。北疆和南疆冰雹云底温度和云底高度均值分别为5.15℃、1.96 km和4.85℃、2.19 km,北疆云底温度比南疆暖,云底高度比南疆低;云底平均上升速度南疆(2.07 m·s^(-1))是北疆(1.84 m·s^(-1))的1.13倍,北疆冰雹云平均厚度(8.90 km)比南疆(8.79 km)大1.25%;受人类活动和工业污染等因素影响,北疆冰雹云底云凝结核数浓度均值(396个·cm^(-3))比以农业为主的南疆地区(240个·cm^(-3))多65%,冰雹云底最大过饱和度均值分别为0.55%和0.85%。受强上升气流影响,云粒子增长时间短,各个增长带发展缓慢,无雨胚形成带。有针对性地提前在云中低层播撒吸湿性核,促使云底尽早形成暖云降水或提高冰晶繁生能力,在低于-5℃层附近过量播撒AgI冰核,争食云中过冷水,可达到增雨防雹的目的。

GPM卫星探测新疆区域降雪敏感性及云结构特征研究

目前人们对新疆干旱区降雪云结构特征的认知仍有限。利用2014—2021年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)观测资料,对比了DPR不同产品对新疆区域降雪的敏感性及三类降雪云(深厚、浅薄和近地表)的宏微观特性差异,利用等频率高度统计方法,分析了四次新疆不同下垫面降雪云结构特征。结果表明:浅薄降雪云出现频率超过60%,而深厚降雪云对降雪量的贡献最大,三类云的液水路径(LWP)和冰水路径(IWP)集中在80~450 g·m^(-2)和100~380 g·m^(-2),回波顶高、LWP、IWP与近地表降水率总体上呈正相关;四次典型降雪系统分别发生在阿勒泰山区(A个例)、伊犁河谷(B个例)、古尔班通古特沙漠腹地(C个例)及昆仑山北麓戈壁地区(D个例),其中A、B个例主要为冰云,C、D个例多为冰水混合云,在GMI中166 GHz高频通道对降雪的敏感性较好,亮温分布在200~275 K;雷达反射率因子(Z)集中在16~25 dBz,对应高度为0.75~4.65 km,A、B和D个例云团存在“左倾”结构,Z集中在云体中上部,属于发展阶段,C个例的Z主要位于云体下部,云团处于成熟阶段。质量加权平均直径(D m)和粒子数浓度(dB N w)在1.00~1.22 mm和33~35产生的降雪量较大,降雪强度不仅与冰晶和过冷水粒子大小有关,还受到粒子数浓度的影响。研究成果对提升新疆地区降雪监测水平,深入认识该地区降雪形成机制及评估复杂地形条件下人工增雨(雪)潜力等具有积极意义。

雨滴谱仪资料在“温比亚”台风降水估测中的应用探究

利用台风温比亚(1808)登陆阶段受外围云系降水影响的上海、浙江、江苏、安徽四个省(直辖市)42个雨滴谱仪站点数据,对比分析雨滴谱仪数据计算获得的雷达反射率因子、降水强度分别与雷达实测、雨量计实测的差异;进行Z-R关系拟合,以探究台风降水回波与降水强度的关系;分别利用两种Z-R关系进行降水估测效果对比,以探究雨滴谱仪资料在台风雷达降水估测中的应用效果。结果表明:雨滴谱仪数据计算得到的雷达反射率因子与雷达观测一致性较好,两者相关系数为0.96,前者略小于后者。雨滴谱仪数据计算得到的降水强度与雨量计观测的降水强度相比,变化趋势一致,相关系数为0.94,但在量值上,部分区域仪器存在较大的差异,其可能原因:一是该区域内仪器本身系统误差,二是受台风大风影响,雨滴下落速度快,容易发生破碎、重叠等,使到达地面的雨滴直径、数目产生一定的误差。台风温比亚外围云系降水回波与强度的拟合公式:Z=188.85 R^(1.42),利用此关系的估测效果优于默认关系Z=300 R^(1.4),估测降水量提高近17%左右。

GPM日降水产品在中国大陆的准确性评估

以中国2423个地面气象站点的降水传感器观测数据为基准,采用定量统计指标(相关系数R、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、相对误差RE)以及分类统计指标(探测率POD、误报率FAR、虚报漏报率Bias、风险评分ETS),从不同空间尺度、不同时间尺度和不同降水强度三个维度,分析了GPM降水产品的观测准确性,以探究GPM卫星降水产品在中国大陆的适用性。结果表明:从不同空间尺度特征看,GPM降水在全国范围均呈现较高的观测准确性,72%的站点R值超过0.7,在华东地区最好,西北区相对较差;全国大部分区域都为正的相对误差,各区RE集中分布在0~20%。不同高程带内的准确性显示,GPM产品对降水的高估情况在低海拔(<2000 m)、高海拔(>4000 m)地区较为明显,在中海拔地区(2000~4000 m)GPM降水数据适用性相对较好。从不同时间尺度特征看,GPM降水产品与降水传感器实测降水年总量分布上较为一致,两者的R为0.75,但在量值上存在一定程度的偏差,RMSE为6.15 mm·d^(-1)。从逐月结果看,GPM降水产品与地面降水传感器的一致性在1—10月表现较好,R均在0.7以上,11、12月略低,夏季误差值比冬季大。从不同降水强度特征看,POD随着降水强度的增加而降低,GPM降水产品对“中雨”强度降水事件的整体探测能力较优,而在“小雨”和“暴雨”的探测能力稍弱。

基于CloudSat资料分析北疆强降雪天气的云结构特征

利用NASA发布的2008—2015年CloudSat卫星的2B-CWC-RO、2B-CLDCLASS、2C-SNOW-PROFILE和地面气象站的观测资料,对北疆沿天山及其周边区域内21次强降雪天气降雪前和降雪期间卫星过境时云宏微观特征进行了对比分析。通过将研究区域分为北疆沿天山西部和中部地区进行分析,结果表明:(1)降雪前和降雪期间的云类型以层云、积云、高层云和深对流云为主。(2)降雪前冰粒子等效半径均值分布在58.65～67.29μm之间,冰粒子数浓度的均值分布在41.2～76.5 L^(-1)之间,冰水含量的均值在25.4～135.1 mg·m^(-3)之间,雪水含量均值在28.0～88.0 mg·m^(-3)之间,降雪强度均值在0.08～0.36 mm·h^(-1)之间。(3)降雪前冰粒子等效半径、冰粒子数浓度、冰水含量、雪水含量和降雪强度均值分别比降雪期间大2.9%、6.2%、34.4%、36.4%和18.7%,且高值区主要集中在北疆沿天山西部地区。

移动X波段双线偏振雷达数据质量分析及偏差订正

2019年8月,中国电子科技集团第十四研究所南京恩瑞特实业有限公司研制的GLC-12A型移动X波段双线偏振多普勒天气雷达在江苏大丰进行外场观测。根据该雷达外场观测资料,联合盐城新一代SA天气雷达和江苏省6个雨量站资料,对移动X波段双线偏振雷达做数据质量分析。结果表明,针对同一次降水过程而言,距离越远,衰减越大。为了降低衰减造成的观测误差,首先利用信噪比对差分反射率Z_(dr)、零滞后相关系数ρhv(0)进行偏差订正,提高Z_(dr)和ρhv(0)的数据质量,以便进行地杂波、生物回波等非降水回波过滤。然后应用去抖动滤波后的差分传播相移率K dp或总差分传播相位Φdp表达在雨中距离雷达R处的总双向反射率因子衰减订正值。数据分析表明,订正后移动X波段双线偏振雷达数据质量得到了提高。

新疆地区不同下垫面气溶胶光学特性的分析

利用太阳光度计CE318资料,对新疆地区3个观测站点(阿克达拉、乌鲁木齐、塔中)所代表的草场、城市和沙漠下垫面的440 nm波长处气溶胶光学厚度(AOD)和440~870 nm之间的Angstrom波长指数(AE)进行了统计分析,结果表明:三个站点的AOD年均值塔中站最大、乌鲁木齐站次之、阿克达拉站最小。其中阿克达拉站点的AOD全年变化不大,其月均值均小于0.3;乌鲁木齐站点AOD则表现出明显的季节性变化,冬春季的AOD月均值是夏秋季节的2.17倍;塔中站全年的AOD表现为单峰型,大值时段主要集中在3-7月。三个站点的AE年均值阿克达拉站最大、乌鲁木齐站次之、塔中站最小。阿克达拉和乌鲁木齐站点的AOD以人为排放等小粒径气溶胶为主,塔中站的AOD主要为沙尘等大粒径气溶胶。从年际变化来看,乌鲁木齐站AOD总体呈下降趋势,塔中站和阿克达拉站AOD总体呈上升趋势。乌鲁木齐霾天气的AOD日均值分布在0.35~1.21之间,塔中站沙尘天气的AOD日均值范围为0.30~2.05。

乌鲁木齐两种类型降水的雨滴谱特征

利用乌鲁木齐2018年1—12月雨滴谱仪观测数据,分析了两种类型降水(雨、雨加雪)滴谱的微物理参量,以探究乌鲁木齐不同类型降水的雨滴谱特征,此外,对总粒子数浓度与降水强度(Nt-R)、雷达反射率因子与降水强度(Z-R)等关系也进行了研究。结果表明:(1)两种类型降水的雨滴谱均为单峰分布,粒子数浓度峰值均在低谱段,雨夹雪的滴谱宽度为0.31~7.50 mm,雨的谱宽为0.31~5.50 mm。(2)雨的平均粒子尺度参数(如质量加权平均直径D_(m))和降水强度R均略大于雨夹雪,而雨夹雪的平均总粒子数浓度Nt比雨的约大23.7%。(3)文中拟合得到的雨、雨加雪Z-R关系分别为Z=181.7R^(1.45)、Z=205.4R^(1.27)。

磁阻传感器在闪电磁场探测中的应用

为进一步补充和完善现有的闪电磁场观测设备,文中介绍了一种基于磁阻传感器HMC1002的磁场测量系统,实现了对闪电磁场波形的快速采集存储。文章重点阐述了磁阻传感器的基本原理和探测系统的结构组成,通过在广东省从化地区开展的野外人工触发闪电和自然闪电观测试验的测试,分别获得了完整的触发闪电和自然闪电的磁场波形数据,通过与正交环形天线同步观测磁场数据的比较,发现两者数据一致性较好,表明了该系统可以对闪电磁场进行有效测量。

非球形降水粒子测量模型的初步研究

针对非球形降水粒子测量和雨滴体积重建的问题,首先讨论雨滴形状模型,认为BC模型(the model of Beard and Chuang)能准确地反应雨滴形状,并将雨滴按照等效尺度大小建模。然后结合降水粒子的图像扫描探测技术,分析线阵CCD对非球形降水粒子的扫描过程和粒子尺度、下落末速度的测量计算模型,并提出一种新的雨滴体积计算方法;为验证体积计算模型的有效性,选择CCD扫描频率30 k Hz、像元数1024×1024,采样区域面积100 mm×100 mm对3 mm雨滴进行扫描仿真,体积仿真结果与BC模型积分体积对比,其误差约为0.2%左右。结果表明,当粒子产生倾斜角时,需要对正、侧面投影分情况进行讨论。在此基础上,对测量模型中可能存在的误差进行探讨,并讨论了相关减小误差的方法,以期对下一步进行雨滴体积计算模型实验室实测数据的验证及其他相关研究做指导。

基于GPM/DPR数据的北疆地区降雪云宏观结构和微物理特征分析

利用GPM/DPR双频降水雷达资料、FY-2E卫星资料和地面降水实况,对新疆北部四次成熟期降雪过程的红外亮温、水平分布和垂直结构特征进行了分析。结果表明:降雪云团的云顶亮温集中在210~245 K,降雪云主要为层状云,中云对降水率贡献最大,近地面降水率多分布于0.5~2.0 mm·h^(-1),回波顶高主要集中在3.0~4.5 km范围内,回波顶高与近地表降水率强弱变化存在正相关;雷达反射率因子(Z)范围在22~35 dBz,强回波中心高度主要分布在1.25~4.50 km;质量加权平均直径(D_(m))为1.01~1.25 mm和粒子数浓度(dB N_(w))为32~36的配置贡献的降水最多,对应的高度范围为2.19~2.50 km和2.13~2.67 km;近地表由碰撞-聚并过程产生的大粒子较多,近地表附近D_(m)达到了2.33~3.00 mm,Z和D_(m)朝地面几乎恒定或稍有增加,Z和D_(m)数值大小与地表降水量变化呈正相关特征。

探空雷达最低工作仰角标定方法的初步研究

为实现探空雷达最低工作仰角的简单化标定,采用Microsoft Visual Studio 2010编程环境,结合SQL Server数据库实现对探空雷达最低工作仰角的数据处理。介绍了最低工作仰角的标定步骤,并以新疆阿克苏探空站测得的仰角数据为例,获得了基于MFC描点标定出的最低工作仰角值。同时,与台站通过人工描点方法标定出的最低工作仰角数据进行了对比分析,为今后实现探空雷达的全面自动化、精细化标定奠定基础。

CINRAD/CC雷达接收系统指标测试方法与实例分析

为进一步提高新一代天气雷达定标操作的规范性和定标结果的有效性,文章以CINRAD/CC雷达为例,介绍了接收系统的工作原理以及频率源、激励源主要参数的正常范围,重点讨论了雷达接收系统各项指标的测试原理、方法等。同时,以新疆喀什雷达站的机外动态范围测试结果为例,对系统指标测试方法以及对雷达数据质量的影响进行了简单的讨论和分析,希望为雷达技术保障及数据质量控制相关研究方面提供指导。

乌鲁木齐地区两次暴雪过程的滴谱特征分析

利用乌鲁木齐气象站的激光雨滴谱仪观测数据,分析2018年3月17—18日和12月1日的两次暴雪天气的滴谱特征。结果表明:(1)两次过程的雪滴谱表现为单峰分布,粒子浓度峰值均在低谱段,雪滴谱宽度分别为0.42~4.63 mm和0.55~6.78 mm。(2)个例1中降雪云偏向于层状云类型,降雪主要由较小尺寸的霰或者凇附的冰相粒子组成,个例2中的降雪云偏向积层混合云类型,降雪主要以尺寸较大的干雪花为主。(3)两次降雪过程中的Dm和lgNW的拟合经验关系式呈现出明显的负相关。(4)拟合的本地化Z-R关系式分别为Z=171.7R^(2.22)和Z=518.7R^(2.27),两次降雪过程的雷达反射率因子平均值分别为20 dBZ和25 dBZ。

FY-2E卫星反演云特性参数产品在乌鲁木齐暴雪天气分析中的应用

利用FY-2E静止卫星反演的云参数产品对乌鲁木齐2015年12月11日和2017年12月27日两次暴雪天气过程进行分析,发现在降水发生前2 h,云宏观参数的云顶温度、黑体亮温、云顶高度和过冷层厚度都处于不断增强的较高水平,且出现快速增强后又不断减弱,对应后期可能要出现强降水,其中与小时降水量变化具有较好的相关性,降水前期相关参量较降水中后期都要大。在降雪天气中云顶温度普遍在-20^-60℃,云顶高度最大值均超过10 km,过冷层厚度集中在2~9 km。从云微观参量来看,降雪云的光学厚度主要在10~35,绝大多数的有效粒子半径分布在15~35μm,两场天气的液水路径分别分布在75.49~975.63 g/m2和47.41~796.01 g/m2,前者降雪天气的云宏微观参量均值都不同程度地大于后者。

VR技术在天气雷达速调管更换中的应用

文章针对速调管使用寿命到期后影响雷达回波质量的问题,提出一种全新的更换速调管模式,即利用VR技术提供的虚拟空间使保障人员直接对雷达速调管的故障现象、测试方法、技术指标进行学习和操作。当雷达速调管出现故障时,保障人员经过短暂的学习即可对速调管进行更换,以期尽可能节约现场指导的成本和时间,为天气雷达速调管的保障工作提供了一种新思路。

新疆新型自动站干扰故障实例分析

为进一步研究、分析电磁干扰对新型自动站故障的影响,文章首先对新型自动站的电磁兼容特性和抗干扰措施进行了分析,发现传导干扰因素是影响大气探测设备的主要因素。最后,通过对新疆呼图壁等台站电磁干扰实例分析,总结得出台站安装防静电防雷模块的布设是非常重要的一项工作,并对防电磁干扰的相关方法措施进行总结,提出维修维护方法,以供台站参考使用。

沙漠区域空中悬浮有害污染颗粒物成分检测技术研究

为了精准的检测出沙漠区域空气中悬浮的有害污染颗粒物,此研究以新疆某沙漠为例,采用金属无机元素、水溶性离子和含碳物质等多种测定方法进行研究。在5个采样点收集样品后,使用先进设备分析,实验结果显示:不同采样点金属无机元素种类不同,以Ti、Mn、Zn等元素为主;水溶性离子方面,采样点3、4、5含有更多阴、阳离子;所有采样点均检测到元素碳和有机碳,且前者浓度较高。这些发现证明文章的检测技术能有效识别沙漠空中悬浮的有害污染颗粒物,为环境监控提供了有效工具。