地基微波辐射计露点温度廓线估算方案及初步应用

面向业务和台站实际,针对露点温度直接和间接计算经验公式的不确定性,结合地基微波辐射计LV2级数据特征,开展了露点温度估算方案适用性及应用讨论,旨在为预报员提供高时空分辨率的基础物理量露点温度来判识大气饱和程度,服务于强对流天气预报预警分析。研究表明:(1)相对湿度是主导露点温度直接和间接计算公式计算结果差异的敏感因子。地基微波辐射计露点温度估算方案可为相对湿度小于50%时,采用直接计算公式;相对湿度为50%~99%时,采用间接计算公式;相对湿度为100%(饱和)时,温度大于-48.75℃,采用间接计算公式,温度小于-48.75℃,采用直接计算公式。(2)地基微波辐射计估算的露点温度产品精度保持了温度产品的高相关性,较大程度上改善了系统偏差,但离散程度略有扩大。其中,相关系数由0.99变成0.98,降低了0.01;系统性偏差由-3.18℃变成-0.98℃,缩小了2.2℃;均方差由4.92℃变成5.26℃,扩大了0.34℃。(3)相较相对湿度,估算的露点差对高湿区(相对湿度大于70%以上)较为“敏感”,能很好地“勾勒”出云等水凝物内部水汽饱和状态及其特征结构,便于用户判断出饱和区、非饱和区及两者过渡区;与地基微波辐射计直接测量产品联合,可监测强对流天气发生前、中、后水凝物垂直结构特征及其演变,便于天气预报预警,其中预警提前量可达0.5~1.0 h,降水结束预报提前量接近10 min。

C波段双偏振天气雷达偏振参量标准差分析与改进

标准偏差分析方法是有效评估雷达数据质量的关键。本文采用标准差分析法对C波段双极化雷达偏振参数进行了深入分析,以找出主要影响因素并优化参数配置。通过观测实验考察了典型天气过程中极化参数标准差的改善效果。结果表明:现有观测模式对C波段偏振参数的精度较低,并且不同仰角之间存在显著精度差异。其中,在1.5°仰角处,极化参数数据的精度高于0.5°仰角处。驻留时间、脉冲重复频率和脉冲数直接影响C波段双线极化雷达极化参数的标准差。通过优化脉冲重复频率和脉冲数,在不改变观测模式的情况下,提高了在相同停留时间内偏振标准差的精度。对两个典型天气过程中极化参数标准差的分析表明,在进行参数优化之前,冰雹过程中极化标准差普遍高于强降水事件;然而,在改进后,强降水事件中极化标准差精度通常优于冰雹事件。经过改进后的观测模式在一定程度上提升了C波段双极化雷达偏振参数数据的精确性。

两次森林火灾的双偏振雷达探测特征分析

通过对2020年3月17日山东烟台、4月23日山东青岛发生的两次森林火灾的双偏振雷达探测资料进行分析,结果表明:(1)森林火灾燃烧产生的灰烬上升到空中,随环境风向下风方飘散,形成烟羽,烟羽的雷达反射率因子在20 dBZ左右,火灾点上空很小范围最大值达36 dBZ。(2)两次山火的灰烬飘浮物随环境风向下游扩散的最远距离分别是65 km和94 km,最高上升高度分别达3.7 km和4.8 km。(3)追踪烟羽的前沿可以估算相应高度上环境风的速度;两次火灾都发生在晴天,环境风速不大,除了烟羽边缘位置速度谱宽值较大外,其余部分速度谱宽都很小,大部分为1~2 m·s^(-1)。(4)相关系数(C_(c))、差分反射率(Z_(DR))和差分相移(ΦDP)探测到的范围与雷达反射率因子的演变形态和面积接近,同样随烟羽的扩散而逐渐增大;C_(c)值非常小,大多数区域小于0.9,少数距离库库元的C_(c)值低于0.5;火灾点上空的Z_(DR)值有相对较小的区域,为2~3 dB,而火灾点下风方,大部分Z_(DR)值都很大,大多超过5 dB。(5)两次森林火灾的双偏振探测特征表明,产生回波的反射物主要是干草、松针等燃烧后的灰烬形成的水平尺度较大的非球形粒子反射物。

基于时空图卷积的强对流降水临近预报研究

降水临近预报对于强对流天气的预报具有重要的支撑作用。气象业务中主要采用雷达回波外推方法解决此问题。然而,现有方法通常缺乏从序列雷达数据中有效学习的能力,导致预测精度不佳。为了解决这一问题,本文提出了一种改进的时空图卷积模型ASTGCN(A Spatio-Temporal Graph Convolution Neural Network)用于强对流降水的临近预报。利用时空图卷积网络,有效地捕获相邻雷达帧之间的时间依赖性。此外,利用注意力机制和自动编码器来增强模型捕获时空相关性的能力。结果表明,该模型可以从数据中发现隐藏的图结构,从而捕获隐藏的空间关系。与现有模型(Transformer)相比,该模型的临界成功指数(CSI)提高了28%,表明其在强对流降水临近预报方面具有优越的性能。

垂直大气湍流影响下的天气雷达回波信号优化检测方法

垂直大气湍流导致回波信号在大气中扩散,使回波信号质量较差,极易被噪声所淹没,因此,提出垂直大气湍流影响下的天气雷达回波信号优化检测方法。通过分析垂直大气湍流对天气雷达回波信号传输特性的影响,匹配滤波优化算法,改善垂直大气湍流影响导致质量下降的回波信号,利用模糊逻辑方法提取回波特征参数并构建对应隶属函数,设定阈值,获取天气雷达回波信号检测结果。实验结果表明:该方法可有效检测不同仰角的天气雷达回波信号,回波信号波形均匀且波动幅度小,检测效果较好。

山东一次典型持续冰雹过程的闪电活动和雷达特征分析

2020年6月1日下午至夜间,山东部分地区出现降雹天气,利用卫星和雷达以及闪电探测资料详细分析此次降雹过程的闪电和雷达参量特征。结果表明:(1)鲁北和鲁中雹暴闪电活动的主要差异为:鲁中雹暴的对流强度强于鲁北雹暴,其正地闪比例和正地闪平均强度明显高于鲁北雹暴。其相同特征为:在开始阶段正地闪比例和云闪占总闪电的比例较高;在地面降雹开始之前总闪电频数均出现跃增,其峰值提前降雹6~18 min,同时云闪表现更加活跃;地面出现降雹之后,云闪频数快速下降,地闪占总闪电比增加,甚至超过50%。(2)雹暴的闪电活动均发生在云顶温度小于-50℃的云区内,且密集出现在云顶温度小于-60℃的范围内。闪电主要发生在30 dBZ以上回波区域,密集的云闪对应强对流区,表明云内垂直运动剧烈。负地闪与差分相移率KDP>0.5 (°)·km-1和差分反射率ZDR>2.0 dB的区域对应关系非常一致,表明负地闪与强降水区密切相关。雹暴回波穹隆区的ZDR值较高、零滞后相关系数(Cc)值较低,很好地指示了上升气流区。较高的水平反射率因子(ZH)和较低的Cc以及较低的ZDR区域对应冰雹粒子区域。闪电很好地对应于云内霰、湿雪、冰雹、干雪等大的冰相粒子区。(3)0℃以上ZDR≥1.0 dB的体积、ZH≥30 dBZ的体积、ZH≥30 dBZ的冰水含量与总闪电频数的时间演变趋势基本一致,其与总闪电频数的相关系数分别为0.756、0.780和0.710,进一步证实大的冰相粒子在起电过程中发挥着主导作用。

星载雷达降水反演算法敏感性分析

以全球降水测量卫星(GPM)Ku PR的实测资料作为代理数据,评估了风云三号G星降水测量雷达(FY-3G PMR)原型算法的精度。在此基础上,对降水率和质量加权平均直径(R-D_(m))初始关系、降水相态以及不均匀波束充塞效应(NUBF)订正因子(param NUBF)进行了降水反演的敏感性分析。首先对调层云和对流云的R-D_(m)初始关系,比较初值调整前后滴谱廓线、雷达反射率因子廓线及降水率廓线的变化;其次设计敏感性试验,分析相态的误判对降水反演精度的影响;最后通过设置不同的param NUBF,评估param NUBF对降水反演的敏感性。结果表明,FY-3G PMR原型算法反演的降水结构及强弱分布和GPM Ku PR具有很好的一致性,反演的相对误差小于10%,相关系数大于0.95。敏感性分析显示雷达反射率因子廓线和降水率廓线的反演对R-D_(m)初始关系不敏感,但滴谱廓线的反演对R-D_(m)初始关系比较敏感。0℃亮带层相态误判尤其是混合相态和固态以及混合相态和液态的误判,影响0℃层附近的空中降水反演,但对地面降水反演影响不大。param NUBF作为高敏感性因子,与真值的差异越大降水率廓线反演的误差越大。开展星载雷达降水反演算法的敏感性分析不仅可以加深对降水反演理论和算法的认识,提高降水反演精度,还可以为FY-3G PMR即将开展的外场试验提供设计思路。

沈阳2次重污染天气过程的风廓线雷达观测结果对比分析

为进一步研究重污染天气的形成机理,利用风廓线雷达资料、常规气象观测资料和大气污染物监测资料,对2015年11月6—10日和2019年3月2—6日(分别简称“过程Ⅰ”和“过程Ⅱ”)沈阳2次重污染天气过程进行对比分析,重点总结风廓线雷达直接探测产品和反演产品的演变特征。结果表明:过程Ⅰ,污染重,污染物浓度增速快,能见度持续偏低,下沉速度大,动力条件更稳定,且雷达接收的气象回波信号强。低层始终维持高强度的暖平流,为污染物浓度达到异常峰值提供强力的暖湿条件。过程Ⅱ,污染相对较轻,冷、暖平流交替出现,使污染物浓度呈波动式上升,增速慢,能见度存在日变化,下沉速度小,且雷达接收的气象回波信号弱。2次重污染过程都受外来污染物输送影响,但输送路径不同。

“12·14雷打雪”过程的闪电特征及成因

2023年12月14日在山西和河北南部、河南北部、山东西部出现一次大到暴雪过程,并伴随频繁的闪电活动。利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”天气过程进行详细分析,得到以下研究结果:(1)此次“雷打雪”是一次明显的高架对流天气过程,低层一直存在逆温层,850~600 hPa为显著的暖湿平流,925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到条件性对称不稳定层结下方,抬升暖湿空气,触发对流天气,释放不稳定能量,产生较强的上升运动。(2)降雪过程的雷电活动比较活跃,闪电频数高达99次·(10 min)^(-1),云闪和地闪比例为1.7∶1,正地闪的占比为19.4%。此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪落区表现出良好的一致性,闪电密集区域对应强降雪区域,74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电,100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电。(3)高空正K_(DP)区域与地面降水率的增大密切相关。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好,基本分布在大于20 dBZ的云区内,闪电落区的回波顶高几乎都在5 km以上。雷达发现在5~8 km的高度范围出现Z_(DR)和K_(DP)的正值区,揭示云内存在明显的垂直上升运动和过冷却液态水,存在良好云内起电条件,结合地面电场观测资料和闪电资料,推测此次降雪云系的电荷结构为上正下负的电荷结构。

1.55μm激光雷达高原机场下击暴流探测应用研究

为了探究激光雷达在湿下击暴流天气时的风场探测效果和低空风切变识别能力,采用多元资料结合具体事件进行理论分析和数据验证的方法,利用西宁曹家堡国际机场的测风激光雷达数据,结合地面观测记录,对2021-05-18的一次湿下击暴流过程进行了分析和研究。结果表明,下击暴流具有复杂的风场结构,主体到达机场前,首先造成了超过14 m/s的外流,并与环境风耦合形成逆风切变辐合线,且最强外流区位于辐合线后侧1 km~2 km;下击暴流抵达跑道上空时,造成了地面辐散风场,辐散中心风速远小于外流边缘且垂直气流存在着剧烈变化,下击暴流共持续约10 min;测风激光雷达对雷暴云内部垂直气流分布、跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构以及地面风场辐合线的形成和演变均有良好的识别效果,交互使用雷达不同探测模式和数据产品有利于机场低空风切变的监测和预警。该研究为激光雷达在下击暴流风切变预报和研究中的应用提供了参考。

测风激光雷达在青岛低能见度天气下的适用性

利用2021年4月—2022年12月青岛国家基本气象站多普勒测风激光雷达和L波段探空系统低空风场观测数据,对比非降水时低能见度天气下测风激光雷达的探测高度和精度。结果表明:测风激光雷达在青岛地区具有良好的适用性,在能见度大于10000 m的非降水天气,其平均最大探测高度稳定在约1200 m,水平风速均方根误差约为1.2 m·s^(-1),水平风向均方根误差约为25°。在能见度小于10000 m的低能见度天气下,测风激光雷达在不同能见度和相对湿度范围内的探测高度和精度受干扰程度存在差异。在能见度为1000~10000 m、相对湿度小于90%的霾天,此时大气能见度降低主要是气溶胶粒子含量增加所致,测风激光雷达的探测能力与高能见度天气下相当。当相对湿度高于95%时,此时大气能见度降低是空气中水汽含量的增加所致,严重干扰了激光在大气中的传输,测风激光雷达的探测高度和精度均有所降低,尤其在能见度小于1000 m的雾天,需谨慎使用其风速和风向数据。

山地雷达估算降水的反射率因子订正方法研究

我国很多新一代多普勒天气雷达位于地形复杂的山区,低仰角地形遮挡问题突出,遮挡区雷达估算降水时需要采用更高仰角的观测数据,而由于降水粒子下落过程中的微物理变化和水平运动,同一地点高处的反射率因子常与近地表处有很大的差异,直接用于估算地表降水会增大估算误差。本文提出一种反射率因子垂直订正方法,首先建立无遮挡观测区不同降水类型的雷达反射率因子垂直廓线(VPR),然后依据廓线的垂直变化特征,确定待订正的高度阈值和近地表目标高度,并将待订正高度以上的观测值订正到目标高度处。对比检验结果表明:经过订正后的目标反射率因子数据与实际观测数据值差异减少,一致性提高;而且,考虑遮挡因素使VPR低处的数据更准确;由于不同降水类型VPR差别明显,区分降水类型能避免误订正。本订正方法不仅适用于波束遮挡区,也普遍适用于远距离处波束较高时观测数据的订正。

基于空间数据的天气雷达反射率强度一致性分析方法

为了解决传统雷达反射率强度一致性分析与评估中数据展示不直观、分析方法不系统、分析效率较低等问题,提出一种基于空间数据的天气雷达反射率强度一致性分析新方法。通过空间数据库构建,获得雷达反射率强度平均偏差辐射图,并以广西及周边雷达为例开展了实例应用分析。结果表明,利用平均偏差辐射图可以直观地从宏观上评估多部雷达之间的反射率强度一致性关系,从而快速锁定可能存在问题的雷达,为台站开展整改提供重要参考,可有效用于雷达反射率强度一致性评估和雷达反射率强度一致性整改效果评估。

综合观测试验中的激光测风雷达探测性能分析

基于2019年6、7月广州超大城市综合观测试验中的地面资料,激光测风雷达、风廓线雷达资料以及广州S波段双偏振雷达资料,对WindPrint S4000型激光测风雷达和风廓线雷达进行观测对比,并尝试在不同降水强度条件下对激光测风雷达的探测性能进行综合评估分析。结果表明:激光测风雷达与风廓线雷达在非降水时段和非强降水时段观测性能一致性较好,能很好地捕捉到天气系统过境期间边界层低空风场的变化特征,但相比较而言,激光测风雷达成本更低,更加便捷高效,选址选点较为容易,更加符合大城市观测加密布网的需求;激光雷达的探测高度与降水量和降水强度均相关,但与降水强度关系更加密切,即当降水强度增加时,激光雷达的探测高度总体呈下降趋势,且当发生S波段双偏振天气雷达反射率因子达到50 dbz以上强度的降水时,激光测风雷达与风廓线雷达一样无法进行常规观测。

京津冀风廓线雷达组网资料评估及应用研究

基于2019年京津冀地区22部风廓线雷达逐小时产品数据,从资料收报率和50%有效数据获取率的探测高度两个角度分析了风廓线雷达探测能力,利用北京探空数据和NCEP1°×1°再分析资料对风廓线雷达水平风廓线数据进行了质量评估,并初步进行了组网资料应用。主要结论如下:(1)风廓线雷达50%有效数据获取率高度69月均能达到指标要求,表现为夏季探测高度高、冬季探测高度低的趋势,边界层风廓线雷达50%有效数据获取率的探测高度最高出现在7月,对流层风廓线雷达的最高出现在8月。(2)风廓线雷达数据和NCEP1°×1°水平风场资料的不同高度层u、v分量的均方根误差平均为3.59 m/s,平均绝对误差平均为2.53 m/s,相关系数平均为0.81,具有最高的可用性,而均方根误差和平均绝对误差从低层到高层整体表现为“增大”趋势。(3)通过风廓线观测资料组网分析,得到不同高度层水平风场、涡度场、散度场及垂直风场等物理量分析产品,并对2019年8月6日一次降雨过程初步进行了产品应用分析,结果显示,组网后的产品能够提供更加精细化的高时空分辨率的物理量分析图,可及时提供更为丰富的高空中尺度水平风场和垂直速度场,能够有效应用到强对流天气分析中。

面向空中风力发电系统的高空风场观测

[目的]文章旨在研究空中风力发电系统(Airborne Wind Energy System,AWES)的测风需求及设备选型。[方法]以某空中风力发电示范工程为依托,开展测风激光雷达与风廓线雷达的对比观测试验,并对数据获取率、垂直廓线特征和时间变化特征进行分析。[结果]结果显示:在3 km高度范围内,测风激光雷达的数据获取率随高度递减至不足0.4,风廓线雷达的数据获取率则维持在0.98以上,具有更好的观测适应性;两种测风设备的风速、风向垂直廓线以及逐日、多日波动特征均具有一致性,并且能被再分析资料和高空气象站同期探空资料所验证。测风激光雷达观测结果的中位数、极差、标准差等统计特征与再分析资料更接近,相关性更好;风廓线雷达观测结果的极差和标准差整体偏大,测风精度不及测风激光雷达。[结论]文章研究表明,应根据项目所在地的气候状况,在空中风力发电站工程的不同设计阶段合理选择测风设备,科学设置测风方式。

基于云雷达资料的那曲对流云粒子相态识别研究

本文利用第三次青藏高原大气科学试验的Ka波段云雷达资料,结合微波辐射计和探空资料,提出了以模糊逻辑算法为框架的相态识别方法,并利用那曲两个典型对流云个例对方法效果进行了分析。通过与前人方法的对比和对不同相态粒子回波强度谱的统计,进一步验证了本文方法的可靠性。结果表明:利用雷达功率谱资料反演下落末速度并代替径向速度作为相态识别的参量之一,可提升对流云内粒子相态分类结果的合理性。零度层亮带和抬升凝结高度参量的使用,能够进一步优化相态识别的初步结果。固态云粒子的下落末速度远低于相同反射率因子的降水粒子,多模态/多谱峰的谱形态特征能够帮助识别混合相态粒子。

气象雷达数据管理和个例资料整编设计

雷达气象资料是短临预报、灾害天气预警的重要资料。气象雷达数据管理和个例资料整编系统采用WinForm编程语言和MSSQLServer2008数据库开发技术建立了相应的南充雷达气象资料数据库。同时,系统可以有效实现基数据、产品数据、历史个例资料等气象雷达数据的整编、压缩、入库、查询、统计、下载等功能,减少人为操作,提高业务工作效率。同时为各级气象业务人员下载雷达资料和查询历史个例信息提供了便利,并能够满足业务应用中对雷达气象资料存储和检索的要求,达到了对台站雷达资料高效管理的目的。

循环同化相控阵雷达数据模拟对流触发同化方案研究

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果显示,高频同化可以抑制虚假回波,并有利于获得更准确的对流预报结果。将可靠晴空回波识别阈值设为-10 dBZ并剔除边界层内的低值回波可以有效改进对流触发的预报效果。为以后C波段相控阵雷达同化应用提供了新的同化方案思路。

基于测雨雷达与地面雨量站的山洪模拟及灾害预警时效分析

传统暴雨山洪预警主要依靠地面雨量站降雨数据,易出现虚警漏警或难以满足预警时效的情况。流域面雨量实时监测和前移山洪预警响应时间是满足山洪灾害防御目标的重要技术手段,测雨雷达技术的应用也为山洪灾害防治提供了新的预警思路。以湖北柳林镇2021年8月12日暴雨山洪事件为例,采用模块化分布式水文模型(MDHM)模拟山洪过程并进行预警分析,对比基于测雨雷达、地面雨量站降雨输入条件下的灾害预警时效,评估两种降雨数据源下山洪预警的有效性和可靠性,结果表明测雨雷达预报降雨结合水位陡涨率预警法能显著提高预警效果,可为暴雨山洪防灾减灾提供技术支撑。