雾中能见度与雷达回波的关系初探

根据Koschmicder能见度公式结合雾滴粒子消光系数、雾中含水量W及雷达反射率因子Z之间的相互关系,解析了雷达雾回波的反射率因子Z与雾区能见度的关系,并以2006年冬南京实测雾滴谱资料,估算在特定雾滴谱模型下能见度与雷达反射率因子的关系,以及对2006年镇江站一次大雾天气的实测雷达回波及能见度资料的分析,验证雾中能见度与雷达回波的相关性,能见度随反射率因子Z的增大而递减。     

雷达定量估测降水量中双偏振参量的算法

双偏振多普勒雷达相较于业务广泛使用的单偏振雷达,可以获得水凝物相态等方面的信息,为短临预报、云降水物理研究及定量测量降水量提供了更多依据。为探索上海WSR-88D双偏振雷达资料在定量降水估测中的改进作用,引入双偏振参量水平反射率因子Z_h、差分反射率因子Z_(dr)、差分传播相移率K_(dp)等,与自动站雨量观测数据进行比较,分别试验了R(K_(dp))、R(K_(dp),Z_(dr))、R(Z_h,Z_(dr))三种算法,进行了单站和面上的Z-R关系定量估测降水量试验。研究表明:在单站试验中,得到的估计值与R(K_(dp))的结果基本一致,与此次降水中闵行站的反射率因子Z和差分传播相移率K_(dp)一直较大有关,但从总体趋势上来看,与雨量计数据相比,这三种算法仍存在降水量估计不足的情况;进一步提出了多种Z-R关系综合算法,在对流降水试验中,计算的显著降水区域与实际观测结果基本对应,强降水中心在对流的发展阶段和成熟阶段皆有响应,在对流成熟阶段,强降水中心的降水估计与实际观测结果较接近,但是在对流发展阶段,强降水中心的降水存在高估,说明在35 dBZ以上的强回波区域,算法还有待改进,需进一步研究算法的本地化和降水类型细化。     

基于CloudSat的东亚和南亚季风区降水云特征分析

利用2007年3月-2010年2月3年的CloudSat资料,2008年3月-2010年2月的TRMM_3B43资料,分析了东亚季风区(EMA)和南亚季风区(SMA)降水量的季节性差异、降水云的发生频率及宏观垂直结构特征(包括云层数、云厚、雨顶高度、冻结降水出现最大高度、雷达反射率垂直分布)及云类型季节变化.结果表明,EMA降水云的出现频率随季节变化先降低后升高,SMA则相反,先升高再降低,夏季达到最大值.EMA降水云以单层云为主,云顶高度随季节有明显的起伏变化,SMA则以单层云与双层云为主.EMA降水云云厚的季节变化明显:夏季最厚,冬季最薄;SMA云厚无明显季节变化,云厚发展高于EMA.两区域降水云均以深对流云及雨层云为主,但EMA降水云除夏季以深对流云为主外,其他三季雨层云占主导地位,而SMA则以深对流云为主,雨层云次之.从雷达反射率来看,降水云主要集中在8 km以下,雷达反射率在-15～15 dBz,降水云中雷达反射率随高度降低的趋势先增强后减弱,但SMA粒子增长速度较快,粒子累积带也大于EMA.     

偏振雷达参量对融化层回波的探测敏感性分析

融化层特征的研究及其微物理性质的识别在云物理降水研究、人工影响天气、航空飞行以及积云参数化方案修订等都有重要意义。利用南京信息工程大学C波段双偏振雷达(简称为NUIST C-Pol雷达)的回波强度Z,差分反射率因子ZDR、差分传播相位常数KDP、正交相关系数ρHV,研究融化层回波(即零度层亮带,简称亮带)敏感性及其对应水凝物微物理特征。根据NUIST C-Pol雷达2014年实测数据,分析亮带的偏振参数探测特性时发现相关系数最敏感,它比其他参量更早出现亮带特征;其次是差分反射率因子、差分传播相位常数,最后才在回波强度上看到明显的亮带。进一步地,探讨了亮带中相关系数的探测敏感性及其数值减小的机理。研究结果对于用双偏振雷达参数研究云降水物理特性具有理论和应用价值。     

重庆一次典型飞机人工增雨作业的效果分析

利用MICAPS资料、卫星反演产品和多普勒雷达产品,采用统计和物理检验相结合的方法,对2010年12月15日重庆主城一次飞机人工增雨作业过程进行了效果分析.分析表明,此次飞机人工增雨作业相对增雨率在20%以上,在云系发展开始和持续发展阶段增雨效果好;雷达回波、卫星反演产品均能反应人工增雨催化前后的物理变化,催化作业后1h内引起的物理变化最为明显.反射率因子图上的零度层亮带是把握人工增雨作业时机和部位的重要依据.     

一种新型液态CO2播撒设备研制与播撒试验

目的研制一套适于陕西播云作业的液态二氧化碳(简称LC)播撒设备,开发LC催化技术方法,试验得出最佳播撒速率,提高作业效果。方法根据播云作业需要,提出技术指标,开发研制LC播撒设备和催化技术,并进行地面、空中试验(静态、动态试验)。结果①LC的纯度是决定喷撒质量的关键;②当环境温度较高时,LC小粒子浓度较高,谱型较窄,当环境温度较低时,粒子谱明显拓宽,峰值浓度降低;③地面使用0.6 mm喷头,喷撒速率为10～12 g/s,喷头距离激光束为10cm时,PMS粒子测量系统检测到LC粒子谱宽在0.5～175μm之间,小粒子平均总数密度为146个/cm3。冰雪晶平均总密度为71个/L。结论陕西春、秋季适宜催化的降水云系云体温度较高,LC宜作为播云首选冷云催化剂。多次播云催化试验表明,当播撒率为10～12 g/s时,作业数分钟后机载PMS粒子测量系统和地面雷达检测到云物理响应参数,与云的本底值对比分析证明:播撒LC有利于云水向雨水的转化,催化效果较好。     

高海拔地区冬季降雪滴谱特征分析

滴谱分布能够在一定程度上反映降水云成雨的过程,江河源区降水对生态和径流补给有着重要影响,为研究高海拔的三江源地区降雪微物理特征,利用OTT Parsivel激光粒子谱仪实测的降雪滴谱数据,采用最小二乘法对平均雪滴谱进行Gamma分布和M-P分布拟合,分析降雪滴谱特征和降雪过程微物理特征量降雪强度、粒子数、平均粒径随时间的演变规律,结果表明:(1)该地区降雪滴谱分布更接近于Gamma分布;(2)速度小于2 m/s的粒子对降水贡献达90%以上;(3)粒子数与降雪强度变化趋势基本一致,平均粒径与降雪强度变化没有显著关系;(4)Z=300R~(1.40)关系式高估了当地实测值。因此,以上分析可以增加对该地区降水微物理特征的理解,并有助于该地区降水微物理特征的研究。     

毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数

使用地基微波辐射计与毫米波云雷达进行主被动遥感联合探测,从理论上能够更准确地反演云微物理参数。分别以2010年7月于广东阳江和2015年3月于江苏南京进行的联合观测试验所获取的数据为例,对其中的层状云、层积云个例进行联合反演微物理参数的试验和分析,获取云演变过程中微物理参数和其他环境场物理量的变化特征。结果表明:1云雷达-微波辐射计联合反演法反演的云微物理参数与基于雷达反射率因子的经验法有较好的一致性,与实测经验值相比,结果比较可靠;2在层状云发展初始阶段,凝结增长作用在云体中上部位置起主要作用,碰并作用主要导致云滴粒子的显著增长和云层垂直方向的延展;在垂直上升速度较大的层积云中,云滴粒子通过碰并作用增长;3低层湿区高度与大范围层状云系出现的高度较为一致,抬升作用和水汽通量的辐合为云的产生提供了动力和水汽条件。     

循环同化C波段雷达资料模拟贺兰山地区一次暴雨过程

利用宁夏气象站资料和银川站多普勒雷达资料,对2017年6月4-5日贺兰山地区一次暴雨过程进行数值模拟和同化试验,对比分析不同雷达资料同化窗对初始场及暴雨强降水时段的降水量和落区分布的影响.结果表明,同化雷达资料后加强了初始场中500 hPa“东高西低”的环流形势,700 hPa东南急流的强度和范围明显增强. TS评分结果相比控制试验, 6 h循环同化试验RAD6模拟的降水量仅对10 mm降水阈值的模拟效果有改进; 12 h循环同化试验RAD12的结果对10、 25和50mm降水阈值的评分均有显著提高.循环同化12 h雷达反射率因子后模拟的云水、雨水含量更大,假相当位温逆温区的水平范围更广,层结不稳定性显著增大,强降水时段雷达反射率因子与雷达观测实况有较好的一致性, 700 hPa正涡度带的分布与雨带位置更加一致.     

层状云人工催化物理效应的数值模拟

对于自然云催化过程的数值模拟可以再现人工催化后云的宏微观物理响应特征,有助于提高对人工催化机理的科学认识,优化人工催化方案。在天气研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模型Thompson微物理方案中加入碘化银人工催化过程,对2018年河北省一次层状云催化过程开展数值研究。数值模拟结果表明,采用与实际催化过程相似的催化剂量,层状云降水个例催化后冰晶含水量及地面降水显著增加。该次降水个例自然云中冰相粒子较少,自然云中冰相过程不活跃,数值模拟结果再现了降水个例催化后从过冷却到冰、雪晶含量明显增加的转变。相同催化剂量下,催化层厚度的减少提高了播撒率,进一步优化了催化效果,可见,应该在云中过冷水含量丰富的云区开展冷云催化作业。人工催化过程增加的冰晶通过凝华过程增长并自动转化为雪晶,雪晶增长下落过程中以凇附过冷云水增长为主。催化过程导致地面降雪显著增加。     

复杂多关节机械臂建模及逆运动学比较分析

针对含多种关节类型的复杂机械臂的建模问题, 在 D鄄H 参数法中引入虚拟关节建立运动学模型。 考虑机械臂逆运动学存在多解、 精度和实时性的问题, 通过4 种不同的 PSO(Particle Swarm Optimization)优化算法: 线性递减权重的粒子群(LPSO: Linear Decreasing Weight Particle Swarm Optimization)、 基于杂交的粒子群优化(CBPSO: Crossbreed Particle Swarm Optimization)、 基于模拟退火的粒子群(SAPSO: Simulated Annealing Particle Swarm Optimization)和混沌粒子群优化(CPSO: Choas Particle Swarm Optimization)进行计算。 随机选取工作空间的位置点, 验证优化算法能有效计算机械臂逆运动学解, 并对执行时间、 位置误差等方面进行了比较分析。 实验结果表明, 改进的 CBPSO 算法能有效计算复杂多关节机械臂的逆运动学解, 同时满足实际作业中对实时控制的要求。     

降雪回波的双偏振雷达云相态垂直特征分析

双偏振多普勒天气雷达为探测降雪回波提供了丰富信息,其中距离高度显示RHI(range height indicator)垂直特征有助于识别降水云体相态分布的精细结构。以2018年1月3～5日南京信息工程大学C波段双偏振雷达RHI扫描的暴雪回波为例,结合探空资料进行物理量诊断,研究暴雪回波偏振参量和非偏振参量的相态分布垂直特征及其与大气风温湿结构的关系。结果表明:暴雪回波中,雷达高带或淞附效应存在于6 km高度附近,温度在-12～-15℃,含有湿雪和冰晶粒子;2 km高度附近的差分反射率因子强回波带为增温增湿的层云,层云之上的热力不稳定易促进对流抬升,揭示了冬季降雪具有高架对流的特点。研究结果有益于深入认识降雪在垂直方向上的精细结构及云微物理机制,提高降雪的预测能力。     

基于地学研究的CINRAD/CB雷达回波显示与提取

为准确显示天气雷达指定回波强度的回波区域,基于CINRAD/CB新一代天气雷达(简称CB雷达)的基数据,从地学角度提出一种CB雷达反射率因子回波的可视化方法,即将雷达基数据中的反射率因子数据采用地学中栅格数据格式进行显示。然后生成反射率因子图,结合风暴单体识别与跟踪算法(SCIT)中对风暴单体的识别模式,提出能够提取指定回波强度的雷达回波区域的方法。通过鄂尔多斯气象雷达站的CB雷达基数据提出方法并进行了验证。实验结果表明,提出的反射率因子图可视化方法可以显示雷达的反射率因子特征,针对反射率因子图提出的回波区域提取方法能够提取指定强度的回波区域。     

兰州市大气气溶胶的太阳光度计观测分析

利用春冬两季分别架设在兰州市与兰州市郊皋兰山的CE318型太阳光度计资料分析山谷内与山顶的气溶胶光学厚度(AOD)差别,研究兰州市特殊地形影响下的AOD变化情况、以及气溶胶粒子的主要类型.市区AOD日变化可分为市区峰型和平稳型,山上为峰型和谷型.AOD平均日变化在市区与山上是冬季大于春季,市区大于山上.市区上空的大部分气溶胶集中在600 m以下的高度层中,春季这一气层的气溶胶对总AOD的贡献率为48%,冬季为60%,冬季大于春季.山上气溶胶平均粒径冬季小于春季,冬季气溶胶粒子以细粒子为主,春季气溶胶粒子以粗粒子为主.     

涂层颜填料色相、尺度与微观状态对热屏蔽效果的影响

从光反射、散射机理入手,研究隔热涂料中颜填料的尺度与微观状态对热反射率的影响.研究结果表明,空心玻璃微珠的加入使涂层表面颜填料粒子排布更加紧密,涂层表面折射率和反射率均增大;与颜填料粒径10 μm的涂层相比,粒径5μm的涂层中粒子排布紧密,粒子之间的距离低于1μm,反射率更大,隔热效果更明显.     

积层混合云降水雨滴谱特征分析

研究了雷州半岛积层混合云雨滴的微结构参量特征,用2007年8月8日至11日在广东湛江和遂溪观测获取的295个降水雨滴谱样本.根据雨滴瞬时谱和有关物理量的演变特征,分别得到了数浓度、雷达反射率因子和雨水含量与雨强的变化关系,给出了雨滴谱的Γ分布拟合和参数随时间的变化特征,得出三次积层混合云降水的平均谱Γ分布,可以描述为N=58 859.634 29D~(7.403 805) exp(-4.816 26D).这些结果可作为检验标准与雷达回波资料进行比较,确定降水的性质和定量估量降水;还可以通过地面连续雨滴谱数据推测空中雨滴谱的基本特征,从而完整地认识整个降水过程.     

气象雷达在人工增雨效果物理检验中的应用

为验证人工增雨效果物理检验方法的合理性及有效性,选取2016年4月16日徐州市一次非随机火箭人工增雨作业个例,在对其进行合理性分析的基础上,分别从云体动态追踪检验和静态区域对比检验两方面论证增雨催化是否有效.首先解析了新一代S波段多普勒气象雷达（CINRAD/SA）基数据以获取反射率资料,再通过计算获取特定的雷达产品,然后对人工增雨作业前后的作业云体和对比云体进行识别追踪并编号,划分作业影响区和对比区,通过雷达回波物理参量的时序对比分析,得到催化作业效果的物理证据.研究发现：作业云体较之对比云体在5个物理量上的正偏离逐渐变大,且在作业约25 min后进一步发展并维持一段时间;催化作用可使经过影响区的云体发展状态得以维持.     

热带风暴“天鹅”路径和降水诊断分析

利用1°×1°的NCEP全球再分析资料和常规气象要素、中尺度自动站、和多普勒雷达等资料综合分析环流背景对强台风天鹅的路径和降水变化的影响,并对天鹅影响过程的物理量特征进行诊断分析.结果表明:①台风路径西南行的主要原因是500hPa弱的环境风场,引导气流不明显及天鹅北侧的大陆高压南侧的东北引导气流加强;热带风暴天鹅北侧最大东风风速与南侧的最大西风风速之差及西侧的最大北风分量和东侧最大南风分量风速之差差增大;②多普勒雷达基本反射率(V)分析发现对流单体回波在雨带的上游(海上)发展,而移动到下游(陆地)迅速减弱;空中垂直液态含水量(VIL)对于台风降水量和降水落区有较好的指示意义.③天鹅在西南移动过程中其涡度、水汽通量等各物理量场均表现出有利于降水加大的特征.     

多普勒雷达资料在数值模式中的应用

本文利用ARPS模式的3DVAR系统和综合云分析系统,成功地将多普勒雷达径向风资料和雷达回波资料加入模式中,分析雷达资料在数值模式短时预报中的作用。通过模拟"718"济南特大暴雨过程,得到如下结论:(1)雷达径向风资料对初始风场调整显著,使其出现明显中尺度特征,积分1h后,对水汽场也有一定的调节作用,但不够显著;(2)雷达反射率资料对初始水汽场调整明显,对定量降水预报和降水落区有很大改进,积分1h后,风场的中尺度特征显著。(3)同化雷达资料的两个试验虽然都与实况略有偏差,但都比非同化雷达资料的试验好。     

一次过冷水充沛的积层混合云宏微观探测研究

通过飞机微物理探测资料,结合卫星、雷达、探空、EC、雨量、天气形势等多种宏观数据,对2013年4月5日河南中南部一次过冷水充沛的积层混合云系降水过程进行综合分析.结果表明:本次飞机探测为天气系统中后期,云系发展深厚无夹层,飞行区域雷达回波水平及垂直分布不均匀,云中过冷水含量极为充沛,且伴随高度的上升而增大. 4950 m大云粒子以冰晶为主,存在少量冰针等其他形状的固态粒子,降水粒子多数呈枝杈状;3000～4000 m(-3～-6℃)在过冷水丰富条件下,有助于针状粒子形成与增长;2400 m高度上粒子基本以霰和雪等为主.粒子谱宽在冷区大于暖区;整个过程小云粒子浓度较高,谱宽多数集中在20μm以下,谱型呈单峰分布;大云粒子谱在暖区呈单峰分布,在冷区呈双峰分布;降水粒子谱型规律性不强,整个过程呈指数分布或单峰分布.