Original paper

Performance and application of a multi-wavelength, ground-based microwave radiometer in intense convective weather

Chan, Pak Wai

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 3 (2009), p. 253 - 265

published: Jun 1, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/0375

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Abstract

Thermodynamic and dynamic quantities, such as the K-index and GUSTEX (a wind gust estimate), are commonly used in the nowcasting of intense convective weather. In the past, they were derived from conventional upper-air ascent measurements, which were normally only available twice a day. In the tropics, the thermodynamic property of the troposphere could change rapidly in rain episodes and the conventional upper-air ascent data alone are not sufficient for nowcasting purposes. This paper discusses the use of a multi-wavelength, ground-based microwave radiometer to provide frequently updated (once every 5 minutes) thermodynamic profiles of the troposphere up to 10 km for the nowcasting of severe convective weather during a field experiment in Hong Kong in 2004. The accuracy of the radiometer's measurements is first established by comparing with the temperature and humidity profiles of upper-air ascents and the integrated water vapour of Global Positioning System (GPS) receivers. The humidity profile and K-index from the radiometer in a number of rainstorm cases are then studied. They are found to give useful indications of the accumulation of water vapour and the increasing degree of instability of the troposphere before the occurrence of the heavy rain. The continuous availability of the thermodynamic profiles from the radiometer also makes it possible to study the correlation between K-index and the degree of instability of the troposphere. In this study, the tropospheric instability is expressed in terms of the total number and the rate of lightning strikes within 20 km or so from the radiometer. It is found to have good correlation with the time-averaged K-index from the radiometer during the heavy rain episodes in the field experiment period. Furthermore, the feasibility of combining the thermodynamic profiles from the radiometer and wind profiles given by radar wind profilers in the continuous estimation of wind gusts is studied. The estimated and the actual gusts are reasonably well correlated. The wind gusts so estimated are found to provide better indications of the strength of squalls, with a lead time of about one hour, compared with those based on radiosonde measurements. Overall speaking, the microwave radiometer is able to provide very useful data in the nowcasting of intense convective weather.

Kurzfassung

Thermodynamische und dynamische Größen wie der K-Index und der Böenschätzwert GUSTEX werden vielfach bei der Unwettervorhersage benutzt. Früher wurden sie aus üblicherweise zweimal täglich verfügbaren Radiosondenaufstiegsdaten berechnet. In den Tropen können sich diese Größen in Regenepisoden aber rasch ändern, so dass zwei Aufstiege pro Tag für eine Kürzestfristvorhersage nicht ausreichend sind. Die vorliegende Arbeit diskutiert die Ableitung thermodynamischer Profile in der Troposphäre bis 10 km Höhe mit einem bodengestützten Multiwellenlängen-Mikrowellen-Radiometer während einer Messkampagne in Hong Kong im Jahre 2004. Die Genauigkeit der Messungen wird durch Vergleich mit Temperaturund Feuchteprofilen aus Radiosondenaufstiegen und mit dem von GPS-Empfängern ermittelten Wasserdampfsäulengehalt geprüft. Anschließend werden Feuchteprofile und Werte des K-Index bei Gewittern aus Radiometer-Daten untersucht. Es zeigt sich, dass sie brauchbare Hinweise auf die Ansammlung von Wasserdampf und auf eine wachsende instabile Schichtung der Troposphäre vor schweren Gewittern geben. Die kontinuierliche Verfügbarkeit von thermodynamischen Profilen aus Radiometer-Daten erlaubt es auch, die Korrelation zwischen dem K-Index und der Instabilität der Troposphäre zu untersuchen. Die troposphärische Instabilität wird hier über die Gesamtzahl und die Häufigkeit von Blitzen in ca. 20 km Umkreis um das Radiometer ausgedrückt. Es zeigt sich, dass dieses Maß während der Messkampagne gut mit dem zeitlich gemittelten K-Index aus den Radiometer-Daten korrelierte. Weiter wird die Machbarkeit der Verbindung thermodynamischer Profile vom Radiometer mit Windprofilen aus Windprofiler-Daten für die kontinuierliche Abschätzung von Böen untersucht. Geschätzte und beobachtete Böen erweisen sich als zufriedenstellen korreliert. Die so abgeschätzten Böen geben eine Stunde im Voraus bessere Hinweise auf die Stärke von Böenlinien, als solche aus Radiosondendaten. Insgesamt kann festgestellt werden, dass ein Mikrowellen-Radiometer sehr brauchbare Daten für die Kürzestfristvorhersage bereitstellt.