利用实验资料检验扁椭球形雨滴和冰粒后向散射DDA算法

简要介绍了DDA法理论，并根据后向散射截面测量实验所选用的扁椭球形粒子，运用DDA法计算了它们在微波段，电磁波垂直于粒子旋转轴入射情况下的后向散射截面。经过对比，DDA法计算结果与实验测量资料一致性较好。同时评价了DDA算法计算的特点，分析了扁椭球雨滴和冰粒的后向散射特性并描述了实验测量技术。     

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

扁椭球雨滴后向散射的Gans理论和T矩阵差异对雷达探测释义的影响

非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。      

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水(冰)椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法(EBCM)计算出相应的理论值，用Mie公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。     

分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式研究

利用DDA(Discrete Dipole Approximation)算法产生的旋转扁椭球水滴散射特征数据进行了多项式拟合,以3.2mm波长为例,给出了两种偏振状态下后向散射和衰减效率的快速算式。对比分析了快速算式结果和DDA数据的独立样本,结果表明,快算结果的绝对相对误差在5%以内,而耗时仅用DDA算法产生这些数据所用时间的10-6量级。所得结果可直接用于云降水区含扁椭球形水滴情况下的雷达回波模拟、雷达资料定量处理和毫米波雷达的衰减订正等,此方法还可用于其他波长、形状的水滴和冰晶。     

求解非球形大粒子光散射问题的一种简明数值计算方法

对于实际大气中传输的非偏振自然光的散射问题,所关心的散射参量通常为散射强度和线偏振度。本文通过对光子沿随机抽样人射路径的散射几率进行统计,建立了计算多粒径大粒子系统单次散射相函数及线偏振度的一种简明数值方法。对于粒子表面具有曲率的情况,该方法可以避免处理由表面曲率引入的“发散因子”。由于大气中液滴的形状一般近似为旋转扁椭球,本文也根据所建立的数值计算方法,计算和讨论了旋转扁椭球形液滴的散射相函数和线偏振度。     

六角柱冰晶的光散射函数的计算

六角柱冰晶是卷云中粒子的基本形态。本文着重讨论了利用作者已发展的模式,对有吸收的红外波段冰晶的散射矩阵的计算结果。对比了可见光的计算结果,也对比了长六角柱、扁六角柱以及球状、旋转椭球状冰晶的散射。发现吸收的影响主要造成冰晶的侧向和后侧向散射能量减小以及因折射和多次内反射引起的晕峰和“雨虹峰值”减弱。不同形状冰晶的散射函数虽然总的情况颇一致,但与六角柱冰晶相比,球状冰晶的侧向散射较弱,而椭球状冰晶则表现出后向和后侧向散射较弱。这些特征无疑地都将影响激光探测卷云和光传输过程。     

雨夹冰粒应选电码“79”

20 0 0年 2月 1 8～ 1 9日 ,本地区出现雨夹冰粒现象 ,相邻台站现在天气现象电码有的编报“68” ,有的编报“79”。笔者对电话询问的台站观测员的答复 :应选电码“79”。现在天气编码表中 ,电码“68”是指小的雨夹雪 ,电码“79”是指冰粒。电码表中没有雨夹冰粒的特定电码。于是 ,有的观测员认为 ,雨夹冰粒是液态和固态同时下降的稳定性降水现象 ,符合雨夹雪的电码意义 ;也有的认为 ,所谓雨夹冰粒是雨和冰粒并存的现象 ,应为电码“60”和“79”并存 ,按照选码原则 ,理应选数值大的电码编报。笔者赞同第二种意见。因为在气象学中雨夹雪是一个…     

用T矩阵方法计算超椭球粒子的电磁散射特性

利用超椭球体方程描述粒子形状，用Matlab实现粒子形状的的绘制并离散粒子表面。用T矩阵方法计算了粒子的一些散射性质，并与其他算法做了对比。     

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。      

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究北大核心

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。     

对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究

针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。     

The Cloud Ice Mountain Experiment (CIME) 1998: experiment overview and modelling of the microphysical processes during the seeding by isentropic gas expansion

The second field campaign of the Cloud Ice Mountain Experiment (CIME) project took place in February 1998 on the mountain Puy de Dôme in the centre of France. The content of residual aerosol particles, of H₂O₂ and NH₃ in cloud droplets was evaluated by evaporating the drops larger than 5 μm in a Counterflow Virtual Impactor (CVI) and by measuring the residual particle concentration and the released gas content. The same trace species were studied behind a round jet impactor for the complementary interstitial aerosol particles smaller than 5 μm diameter. In a second step of experiments, the ambient supercooled cloud was converted to a mixed phase cloud by seeding the cloud with ice particles by the gas release from pressurised gas bottles. A comparison between the physical and chemical characteristics of liquid drops and ice particles allows a study of the fate of the trace constituents during the presence of ice crystals in the cloud.In the present paper, an overview is given of the CIME 98 experiment and the instrumentation deployed. The meteorological situation during the experiment was analysed with the help of a cloud scale model. The microphysics processes and the behaviour of the scavenged aerosol particles before and during seeding are analysed with the detailed microphysical model ExMix. The simulation results agreed well with the observations and confirmed the assumption that the Bergeron–Findeisen process was dominating during seeding and was influencing the partitioning of aerosol particles between drops and ice crystals. The results of the CIME 98 experiment give an insight on microphysical changes, redistribution of aerosol particles and cloud chemistry during the Bergeron–Findeisen process when acting also in natural clouds.     

Single scattering from frozen hydrometeors at microwave frequencies

Scattering of electromagnetic waves from homogeneous or coated spheres can be computed in a mathematically exact way using the Mie theory. Therefore, for many approaches in remote sensing, frozen hydrometeors are parameterized as ice spheres. However, many frozen hydrometeors have non-spherical overall shapes and lack a spherically symmetric internal structure. They exist in a huge variety of shapes and exhibit different mixtures of ice, water and air. Therefore it is desirable to accurately compute scattering from non-spherical particles in order to clearly understand the effect the shape of a hydrometeor has on its scattering pattern.In this study, single scattering parameters like scattering cross section, absorption cross section, and asymmetry factor were calculated for frozen hydrometeors using the Discrete Dipole Approximation (DDA). The particles were modeled as hexagonal plates, columns, needles and dendrites by applying known dimensional relationships. The calculations were carried out over a wide range of centimeter and millimeter-wavelengths (1 GHz to 300 GHz), since millimeter-wave radiometers are highly sensitive to scattering by frozen hydrometeors in the atmosphere.The study results show that for size parameters < 1 (a ratio between wavelength and particle size) the scattering cross section of randomly orientated ice crystals is close to that of an equal volume ice sphere. Absorption cross section and asymmetry factor of non-spherical particles however are up to twice as high as that of equal volume ice spheres. Further the influence of the assumed model for the refractive index of ice at microwave wavelengths on the scattering parameters is investigated.     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

DMT机载云粒子图像形状识别及其应用

利用机载云粒子探测设备入云进行观测是目前获取云粒子微物理特征最直接有效的手段。国内已有多家单位引进美国DMT（Droplet Measurement Technologies）公司的云粒子图像探头CIP（cloud imaging probe）。由于其配套软件不能输出逐个粒子的详细信息,在很大程度上限制了对云粒子图像探测数据的深入挖掘和分析。基于解析粒子图像原始数据,对粒子图像数据进行质量控制,并根据粒子形状几何特征将粒子形状分为8类（微小、线状、聚合状、霰状、球状、板状、枝状和不规则状）。利用2018年12月—2019年3月河南省3次冬季航测获取的灰度CIP探测数据,分析云粒子形状及各形状粒子面积的统计特征,并对比基于不同形状粒子的质量-尺度关系与将所有粒子视作球形液滴计算所得的粒子水凝物含量,发现后者超过前者约1个量级。     

北京一次突发性降雪的云场结构特征分析

本文对利用三重嵌套的高分辨率中尺度模式对北京一次突发性降雪过程进行了数值模拟。重点分析伴随降雪过程的云各微物理含量构成和云场三维图像的演变特征，初步分析表明：此次降雪过程中云中的主要成份是冰晶粒子，雪其它粒子的含量较少，冰晶粒子含量随时间呈由高空向低空增加的趋势，它在降雪过程中起重要作用；云的三维结构图也清楚地反映云顶有不断降低和向下伸展过程，这与冰晶粒子的增长和沉降有关。