太赫兹频段雷达探测的冰云微物理参数反演算法模拟研究

在假设冰云粒子呈球形以及粒子谱服从对数正态分布的条件下,利用离散偶极子近似法(DDA),计算出太赫兹频段(220 GHz)冰云粒子的雷达反射率因子,及其与瑞利假设下雷达反射率因子的比值。忽略衰减和多次散射的影响,根据太赫兹波段冰云的雷达反射率因子,基于最优估计理论反演冰云的微物理参数,并验证该算法的可靠性。反演结果表明,当冰云粒子大小在设定的尺度范围内时,有效粒子半径(r_e)的反演误差小于4%,粒子谱宽(σ)的误差小于2.5%、粒子数密度(N_T)的误差小于1%,冰水含量(IWC)的误差小于5%。还分析了当N_T和σ为定值时,反演结果随粒子尺寸的变化情况,当冰云粒子尺寸在模拟计算设定的范围内时,r_e的反演误差小于0.04%,σ的反演误差小于0.02%,N_T的反演误差小于0.50%,IWC的反演误差小于0.08%,如果冰云粒子大小超出模拟计算设置的范围,反演误差随着r_e增加而增大。该结果证明了基于最优估计理论反演得到的冰云微物理参数与模拟设定值有良好的一致性,说明该方法可应用于太赫兹频段云雷达的冰云观测及云微物理参数的反演和研究。      

X波段双偏振天气雷达衰减订正方法及效果检验

X波段双偏振天气雷达在观测强降水时衰减较大,双偏振雷达的相位参数因衰减较小可用于反射率的衰减订正。自适应算法和差传播相移率K_(DP)订正法是应用较多的两种衰减订正算法,这两种方法均采用了差分参数实现衰减订正。自适应算法实现因难,但能够根据不同降水类型对订正系数进行调整,而K_(DP)订正法则无法实现。本文在自适应算法和K_(DP)订正法衰减订正的基础上提出了K_(DP)综合分类法,该算法实现简单,并分别采用三种方法完成衰减订正,然后对订正效果进行了比较分析,并与S波段雷达进行了对比。最后将订正前后的反射率联合地面降水资料进行对比研究,结果显示订正后反射率更适合观测降水及反演雨强。     

合肥地区一次小雨过程的W波段云雷达 的云物理特征分析

利用我国自己研制的W波段云雷达地基探测资料,分析了合肥一次小雨云系的微物理过程,然后利用两个不同地区的地基及机载探测资料,初步反演了水云及卷云的微物理参数。结果表明:(1)回波强度增大,多普勒速度、线性退极化比(LDR)、谱宽激增的地方为融化层顶,根据LDR亮带可初步判定融化层的厚度;(2)利用经验关系法,对卷云冰水含量和水云的液态水含量进行了反演,利用推导的公式反演得到冰晶云云粒子的有效半径;(3)利用逐库订正法对水云的回波强度进行订正,得到了衰减订正后的液态水含量,减小了反演误差。     

星载双频风场雷达热带气旋降雨区测风模拟

基于大气辐射传输理论分别建立Ku波段和C波段的降雨模型,模拟热带气旋降雨区洋面的雷达回波并反演了洋面10 m风场,用于研究降雨对测风的影响以及风云三号双频风场雷达 (WFR) 的测风能力。分析表明:回波的衰减或增强取决于降雨衰减项和后向散射项的相对大小;热带气旋的降雨使反演风速偏小,风向精度降低,Ku波段相对于C波段更易受影响,在高风速 (超过30 m·s-1) 条件下,可达5~20 m·s-1的负风速偏差。反演结果表明:双频反演的新方法能够结合Ku波段与C波段的优势,双频最大似然估计 (MLE) 方法在分辨率上优于C波段单频反演,相对Ku单频反演能降低降雨对测风的衰减作用,结合双频MLE方法和C波段单频反演优势的分区反演方法可以显著减小降雨偏差,提高风速反演精度,在有风云三号湿度计同步观测的条件下,是提高热带气旋降雨区测风精度的有效手段。     

基于滴谱分布的机载雷达波束匹配情况研究

基于机载双频测雨雷达外场校飞试验中获取的有效降水测量数据,利用Ku波段的雨衰系数和等效雷达反射率因子的比值估算了雨滴谱分布参数.在此基础上,通过米散射模拟计算了Ka波段在该滴谱分布下的等效雷达反射率因子,并和机载Ka波段衰减订正后的等效雷达反射率因子进行了比对.结果表明:两者的廓线基本重合,相关系数超过0.95,两部雷达探测的目标物一致,测量的雷达反射率因子的差异主要是由雷达频率的不同所引起的后向散射以及衰减的不同所造成的,波束匹配精度较高.此外,单频滴谱参数的估计依赖于单频衰减订正的精度.机载雷达外场试验中探测的都是弱降水,Ku波段衰减订正不会存在太大的误差,估计的滴谱较为可靠.必须指出的是,精确的参数估计仍然要借助双频雷达的反演方法.     

机载测雨雷达两种反演方法的优化和综合利用的模拟研究

由于机载雷达的天线不能做得太大，如果想获得一个较好的束向分辨率，就不得不使用X波段的频率，而该波段的电磁波穿过雨区时会受到衰减，直接利用视反射率进行降水反演就会产生很大的误差，因此，衰减效应必须进行校正。两种降水反演方法——立体雷达方法和双束算法，在实际的反演中各有优缺点。立体雷达方法对边界条件要求高，而双束算法在雨团中心雨强大处会有较大的误差。引入权重因子后的立体雷达方法－双束算法(综合算法)能充分发挥两种方法的优点，从而更具适用性和准确性。     

X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究

X波段双偏振雷达观测参数能够完成雨滴谱反演,但是由于X波段雷达波长较短,降水观测时存在较大的衰减,本文采用自适应约束算法进行反射率和差分反射的衰减订正。通过对雨滴模型的散射模拟以及对雨滴谱进行Gamma谱拟合,建立了雨滴谱参数与双偏振雷达目标参数之间的函数关系和雨滴谱参数相互之间的关系,用于进行雨滴谱反演。将雨衰减订正前后的雷达目标参数进行雨滴谱反演并与实测雨滴谱进行对比,结果表明,所建立的X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法能够较好地反演雨滴谱,并且经过订正后反演得到的雨滴谱在浓度、尺度和谱形上都优于订正前的反演结果,通过对距离高度扫描和平面位置扫描数据进行雨滴谱反演,可以得到雨滴谱参数的垂直结构和水平分布,可用以进行降水分析。     

X波段双偏振多普勒天气雷达降雨估算试验

用X波段双偏振多普勒天气雷达和RG3-M型自动采集翻斗式雨量计,经过严格科学设计,在平凉野外布置试验场,采用与天气系统移动方向一致的两次层积云资料,验证X波段双偏振多普勒天气雷达的测雨能力。试验表明:雷达原始数据滤波处理的好坏直接影响降雨估算精度的高低,特别是对R(Kdp)和R(Kdp,Zdr)影响明显,滤波后数据点的空间平滑是必要的;发展了用雨量计反演雷达测雨参数方法,此方法改进了不同地区、不同雨滴谱分布情况下雷达定量测雨能力;同时表明X波段雷达受降雨衰减的影响比较严重,这些试验结果可作为下一代测雨天气雷达的重要参考依据。     

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

X波段双线极化雷达反射率的衰减订正

X波段雷达虽然其衰减较S和C波段雷达严重, 但是由于其易于移动等特点, 还在各国推广应用, 为了反演获得可靠的降水分布, X波段雷达数据需要进行衰减订正。本文提出一种基于气象目标和单位差分传播相移KDP特性的衰减订正方法。KDP由前向和后向两个分量组成, 为了计算KDP, 必须分离这两个分量以及消除其他随机噪声的影响。本文引进了一种最优化自回归数据滤波算法——卡尔曼滤波来分离这两个分量和消除其他随机噪声。这种方法效率高、实用性强, 同时可以用于其他雷达信号的处理。比较衰减订正结果, 发现使用卡尔曼滤波方法处理后的差分传播相移所进行的反射率衰减订正具有较高的稳定性。     

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数k_c之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优k_c-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段k_c-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳k_c-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用“φ≤10%或20%”来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致“可订正厚度”减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。      

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。     

Microphysical and radiative properties of mixed-phase altocumulus: A model evaluation of glaciation effects

Using a cloud model with explicit microphysics and radiation, we evaluate the microphysical changes in a supercooled liquid altocumulus cloud with increasing ice content, until glaciation occurs. The properties of the ice and water particle constituents are resolved independently, revealing the relative radiative contributions from the water phase source cloud versus the ice phase virga. Cloud contents are also converted to millimeter-wave radar reflectivities to shed light on the ability of such radars to study these ubiquitous clouds. The results show that the radiative and radar backscattering properties of mixed-phase clouds are dominated by the cloud droplets and ice crystals they contain, respectively.     

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日~4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南-东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南-东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。     

94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:（1）双波长比可以反映小到0.1 mm中值尺度的冰粒子,对粒子总数、谱的形状参数不敏感,对粒子大小、形状、云衰减较敏感。（2）雷达灵敏度一定时,星载雷达可测云厚与雷达波长、冰含水量（IWC）的垂直分布、云厚及衰减有关;没有进行衰减订正时,双波长比和衰减有关,冰含水量越大,波长越短,衰减越大,双波长比最大值与可探测云厚有关。两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m3、厚2 km的冰云;当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3时,云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。（3）如果两部雷达气象方程中用水的介电因子,测量回波强度应进行介电因子的订正后再计算双波长比。      

Comparison of cloud properties between cloudsat retrievals and airplane measurements in mixed-phase cloud layers of weak convective and stratus clouds

Cloud microphysical properties including liquid and ice particle number concentration (NC), liquid water content (LWC), ice water content (IWC) and effective radius (RE) were retrieved from CloudSat data for a weakly convective and a widespread stratus cloud. Within the mixed-phase cloud layers, liquid-phase fractions needed to be assumed in the data retrieval process, and one existing linear (p1) and two exponential (p2 and p3) functions, which estimate the liquid-phase fraction as a function of subfreezing temperature (from -20°C to 0°C), were tested. The retrieved NC, LWC, IWC and RE using p1 were on average larger than airplane measurements in the same cloud layer. Function p2 performed better than p1 or p3 in retrieving the NCs of cloud droplets in the convective cloud, while function p1 performed better in the stratus cloud. Function p3 performed better in LWC estimation in both convective and stratus clouds. The REs of cloud droplets calculated using the retrieved cloud droplet NC and LWC were closer to the values of in situ observations than those retrieved directly using the p1 function. The retrieved NCs of ice particles in both convective and stratus clouds, on the assumption of liquid-phase fraction during the retrieval of liquid droplet NCs, were closer to those of airplane observations than on the assumption of function p1.     

基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段，但随着运行时间的增加，雷达发射机、接收器等参数的变化，会使观测数据产生漂移偏差，从而对云物理特性的反演产生显著影响，因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar，K波段云雷达）云雷达特征，本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进，优化了对弱云和降水的信号识别，利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子，气体衰减校正等数据，对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University，SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准，建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库，并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义，同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

94GHz云雷达回波及测云能力分析

重点利用英国的94 GHz Galileo测云雷达,结合35 GHz云雷达、地面雨滴谱仪、雨量计和探空资料等,分析了94 GHz 雷达的回波特征及测云能力。结果表明：（1）94 GHz云雷达能清楚反映出云及弱降水过程的云系结构变化和云内小尺度变化,可以探测到雾,雾的多普勒速度杂乱;（2）94 GHz云雷达区别于厘米波雷达的较显著的回波特征是层状云降水的0℃层亮带下面雷达反射率因子降低不明显或没有降低及0℃层亮带上面存在0℃层暗带,分别是因为雨滴较大及冰晶较大产生非瑞利散射引起的,暗带区域的宽度一般在600 m以下,暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过3 mm,有些暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过6.8 mm,多普勒速度及谱宽显著增大的地方是融化层顶;（3）与35 GHz测云雷达相比,由于衰减和非瑞利散射,降水时的94 GHz雷达反射率因子远小于35 GHz雷达反射率因子,使探测到的高云云顶高度偏低,但94 GHz云雷达抑制地物杂波的能力更高,在晴空低云探测方面具有优势。这些结果为中国正在研制的94 GHz云雷达回波可靠性分析提供了参考。94 GHz云雷达与其他探测手段结合,可揭示各种天气形成的物理机制,对天气预报、云物理的发展、人工影响天气、气候变化的研究均有重要意义。