SACOL站冰云粒子下降末速度的反演及其时空分布特征研究

冰云是影响气候变化最为重要的因子之一,其生命周期的变化在很大程度上决定了冰云的气候辐射效应。冰云粒子下降末速度是影响冰云生命周期的关键参数。为了开展对冰云粒子下降末速度的研究,利用兰州大学半干旱气候与环境监测站Ka波段毫米波云雷达2013年8月至2015年7月连续观测数据,反演了冰云粒子的下降末速度（V_t）,并根据雷达反射率因子（Z）与V_t的关系计算了拟合因子a、b的值;在此基础上应用聚类分析方法,对比分析了4种不同特性冰云Z、V_t和拟合因子a、b的时、空分布特征,进而尝试通过参数垂直分布特征识别研究云中不同位置上云微物理过程的变化。结果表明:冰云粒子下降末速度的分布与雷达反射率因子有很好的对应,最大频率都出现在距离地面约7 km高度处,且具有显著的季节变化,粒子下降末速度在暖季较冷季可增大25%,峰值出现在6月和9月;云层较厚且持续时间长的第一、三类冰云,其雷达反射率因子、粒子下降末速度及拟合因子a和b的平均值都显著大于云层较薄且持续时间短的第二、四类云。垂直方向上,Z、V_t和拟合因子b从云顶到云底随着高度的降低呈现先增大后减小的趋势,体现了云粒子在云顶区域成核和水汽凝华效应,随着粒子在下落过程中碰并增长,云滴粒子逐渐增大,水汽的凝华和粒子的聚合起主要作用,最后在云底部分,云粒子蒸发、升华减小消亡的过程。由此表明中纬度干旱半干旱地区冰云是从云顶到云底自上而下的形成过程。      

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。     

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_H与雨滴谱仪反演的Z_H对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP与Z_H的一致性较好,其中K_DP约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。      

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。      

利用AMDAR数据分析厦门、泉州双雷达三维风场反演误差

利用2016年全年进出厦门机场和晋江机场航班的AMDAR(Aircraft Meteorological DAta Relay)数据对双雷达反演风场进行检验,分析了厦门、泉州双雷达风场反演的总体误差,研究结果表明:1)验证了双雷达连线附近区域反演风场的平均绝对误差较大,发现了与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域的反演结果的平均绝对误差明显大于误差的年平均值。2)对于反演风向而言,误差随着高度增加而减小。对于反演风速而言,高度在9 km以下的反演误差在5 m/s左右,而9 km以上的反演误差较小。3)剔除了双雷达连线附近区域(与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域)和反射率因子小于5 dBZ以及等于100 dBZ(剔除非气象回波)的反演结果后,双雷达反演风场误差较小,相对于AMDAR数据的风向年平均绝对误差为29.4°,风速年平均绝对误差为3.28 m/s,总体误差在可接受范围之内,反演结果接近"真值",该反演方法稳定可靠。     

基于雷达反射率因子的降水性层状云中雨滴谱参数的反演方法与检验研究

对基于雷达反射率因子观测数据的层状云降水粒子谱参数反演算法进行研究。（1）给出层状云降水粒子谱参数的反演理论和反演算法流程;（2）选取吉林省伊通县的一次降水层状云过程进行反演试验和验证分析,利用雷达反射率因子观测数据反演得到雨滴平均直径和数浓度参数,并用放置在伊通县气象局观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测数据与近地层反演结果进行对比。结果发现,通过反演算法计算得到的滴谱与实测滴谱的变化趋势基本相同,而且反演的雨滴平均直径和数浓度在量级和数值上的大小与实测数据具有良好的一致性,说明该反演方法用于从现有天气雷达回波强度数据中挖掘出降水性层状云的微物理参数是可行的。      

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。      

粒子边缘粘连对0℃层亮带雷达反射率因子的影响分析

针对云中粒子在融化、并合过程中的粘连现象对0℃层亮带的影响分析,利用离散偶极子近似算法(DDA)计算融化过程中两个大小相同的球形粒子在雷达发射波偏振方向上发生粘连后的散射特性,以两个等体积融化球为例,它们在雷达发射波偏振方向上发生粘连时的总后向散射截面σDDA,并与同体积融合球的后向散射截面σmieequal比较。结果表明:(1)在等体积直径较小时,σDDA/σmieequal≥1.5,随着等体积直径的变大,σDDA/σmieequal会减小趋向于1,甚至会1;(2)在同样的等体积直径处,σDDA/σmieequal随着融化程度的加深而增大,在谐振区可出现减小。引入"粘连概率p"参数刻画粘连影响,并应用于含有0℃层亮带的层状云的雷达反射率因子的定量模拟试验。结果表明,在粒子融化、并合过程中,在雷达发射波偏振方向上的粘连,可以有效地增大雷达反射率因子、使亮带现象更加突出。     

利用极化雷达分析层状云中水凝物粒子性状分布

使用中国科学院大气物理研究所的X波段双线极化雷达系统探测资料, 讨论了双极化雷达各种观测参量所反映的水凝物粒子的物理本质。提出了对存在融化层的层状云使用雷达探测变量确定零度层高度以及结合地面温度反演温度廓线的方法。在存在融化层的层状云中, 对雷达探测资料在层状云降水期间的RHI资料进行分层统计, 结合国际上已有的研究结果, 获得了几种主要水凝物粒子的极化雷达参数 (即反射率、 差分反射率、 单位差分传播相移、 相关系数) 范围; 在此基础上使用模糊逻辑方法, 对水凝物粒子进行分类, 分类结果反映了层状云的相态结构分布特点。最后, 根据两个实例, 使用反射率、 差分反射率衰减订正后的数据, 结合层状云的基本特点, 分析了层状云的垂直结构和粒子的相态结构以及层状云中可能的降水机制, 并使用反演的粒子分布结构代替雷达反射率因子结构对降水微物理过程进行了讨论, 结果验证了顾震潮 (1980) 在20世纪60年代提出的层状云降水的三层概念模型。本文结果为使用双极化雷达研究云降水机制提供了方法, 表明双极化雷达在云降水物理的研究中具有广阔的应用前景。     

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.     

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.     

The First Observed Cloud Echoes and Microphysical Parameter Retrievals by China's 94-GHz Cloud Radar

By using the cloud echoes first successfully observed by China's indigenous 94-GHz SKY cloud radar, the macrostructure and microphysical properties of drizzling stratocumulus clouds in Anhui Province on 8 June2013 are analyzed, and the detection capability of this cloud radar is discussed. The results are as follows.(1) The cloud radar is able to observe the time-varying macroscopic and microphysical parameters of clouds,and it can reveal the microscopic structure and small-scale changes of clouds.(2) The velocity spectral width of cloud droplets is small, but the spectral width of the cloud containing both cloud droplets and drizzle is large. When the spectral width is more than 0.4 m s-1, the radar reflectivity factor is larger(over –10 dBZ).(3) The radar's sensitivity is comparatively higher because the minimum radar reflectivity factor is about–35 dBZ in this experiment, which exceeds the threshold for detecting the linear depolarized ratio(LDR) of stratocumulus(commonly –11 to –14 dBZ; decreases with increasing turbulence).(4) After distinguishing of cloud droplets from drizzle, cloud liquid water content and particle effective radius are retrieved. The liquid water content of drizzle is lower than that of cloud droplets at the same radar reflectivity factor.     

Retrieving microphysical properties and air motion of cirrus clouds based on the doppler moments method using cloud radar

Radar parameters including radar reflectivity,Doppler velocity,and Doppler spectrum width were obtained from Doppler spectrum moments.The Doppler spectrum moment is the convolution of both the particle spectrum and the mean air vertical motion.Unlike strong precipitation,the motion of particles in cirrus clouds is quite close to the air motion around them.In this study,a method of Doppler moments was developed and used to retrieve cirrus cloud microphysical properties such as the mean air vertical velocity,mass-weighted diameter,effective particle size,and ice content.Ice content values were retrieved using both the Doppler spectrum method and classic Z-IWC(radar reflectivity-ice water content) relationships;however,the former is a more reasonable method.     

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.     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

C-FMCW雷达反演飑线大气垂直速度和雨滴谱

垂直指向探测的C波段调频连续波雷达具有高灵敏度和高时空分辨率等特点, 以2016年5月广东两次飑线降水为例, 结合同址K波段微雨雷达和地面激光雨滴谱仪, 探究C波段调频连续波雷达两种反演大气垂直速度(V_a)和雨滴谱的方法:粒子平均下落末速度(V_t)-反射率因子(Z_e)关系法(简称经验关系法)和小粒子示踪法(简称示踪法)。结果表明:经验关系法和示踪法反演的上升和下沉气流的时空分布基本一致;当地面雨强R≤1 mm·h-1, 经验关系法反演的雨滴谱与雨滴谱仪观测结果更接近;当110 mm·h-1时, 两种方法反演的中雨滴数浓度与雨滴谱仪观测结果接近, 但大雨滴数浓度较低;从各物理量时序变化看, 经验关系法反演结果更接近雨滴谱仪观测结果。     

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅰ：云微物理量和垂直速度的反演

对于水平网格距小于10 km的高分辨率非静力平衡的显式云分辨模式,云微物理量的初始化以及物理量之间的相互协调是十分重要的,并且一直是云分析领域的一个难题。考虑在云雨处于定常状态的前提下,根据暖云过程,可得到云中水成物之间相互转化以及与垂直速度的约束关系,而雨水含量跟雷达反射率因子(Z)有关。因此,采用合肥新一代天气雷达2003年7月5日02时(北京时)的观测资料,针对雷达探测的特点对雷达原始数据进行了坐标转换,并进行了插值处理和简单的质量控制,然后依据Z-qr关系和定常暖云方案,反演了雨水混合比(qr)、云水混合比(qc)、水汽混合比(qv)和垂直速度(w)。结果表明,由此得到的雷达回波主要特征及量值分布与雷达站的CAPPI图像基本一致;水汽、云水、雨水和垂直速度量值大小的分布与雷达回波强度的分布也是吻合的,体现出了云中水成物和垂直速度的三维分布结构;各物理量的量值也符合梅雨锋暴雨的特点,梅雨锋积层混合云系中层状云和对流云的差别十分明显。在较强的回波区,雨水在6 km以下含量较大,最大值位于4 km左右,可超过3.0 g/kg;上升速度在5 km左右最大,最大值超过5 m/s;云水含量大值区位于5 km以上,在7 km高度上达到最大,超过3.0 g/kg;雨滴末速度虽然上下比较一致,一般几米每秒,但在5 km左右为大值区。