利用毫米波测云雷达反演层状云中过冷水

毫米波测云雷达已成为研究云内微物理参数的有效工具,利用其从混合相云中识别出过冷水,对人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,对我国毫米波雷达的数据处理也具有借鉴作用。本文利用英国的35 GHz、94 GHz测云雷达,结合激光雷达和探空资料,采用阈值法,反演分析了层状云中的过冷水。结果表明:(1)毫米波雷达联合激光雷达可以识别层状云中的过冷水,其结果与微波辐射计测量的液态水路径或毫米波雷达的双峰谱相符合;(2)利用多普勒速度的双峰谱可以反演混合相云中的过冷水含量、冰晶含水量。混合相云的雷达反射率因子主要取决于冰晶,根据雷达反射率因子反演会低估云内液态水含量;(3)本次层状云降水的亮带以上含有较多过冷水,此处35 GHz的雷达回波强度随冰晶的增大而减弱,且冰晶的含水量主导了总液态水含量。     

降水性层状云微物理结构个例分析

对2000年4月14日河南省一次降水性层状云系进行了飞机探测。利用探测所取得的微物理资料，配合同期的天气、卫星、雷达等资料对云的微物理特征进行了分析，讨论了云中液态水含量、云粒子平均直径和粒子谱等的水平和垂直微物理结构特征。     

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。      

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。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。     

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。     

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。     

卫星云参数与飞机云物理探测对比研究和飞行方案设计

开展卫星反演云特性参数与飞机观测的对比研究,对于更好地发挥卫星遥感观测在天气、云物理和人工影响天气方面的探测优势具有重要意义。选取2012年9月21日一次层状云降水过程,对比分析FY-2与MODIS反演云参数及飞机观测结果,探索了飞机检验卫星云参数的飞行方案。结果表明:FY-2反演云参数演变趋势与飞机观测结果有较好的一致性;FY-2反演有效粒子半径(Effective Radius,Re)和光学厚度(τ)与MODIS反演的Re和τ间相关性较好,但此个例FY-2反演值普遍小于MODIS反演值;探测区域FY-2反演Re频率分布与飞机观测Re分布有一定差异,FY-2反演Re偏小,MODIS反演Re频率分布与飞机观测结果更为接近;飞机观测计算得到的τ和液水路径值(Liquid WaterPath,LWP)与卫星反演τ和LWP差异较大,FY-2反演值明显偏小。对于Re的检验,飞机最好在Re分布不大均匀的云顶作较长距离平飞观测;对于LWP和τ等垂直积分参量的检验,飞机最好选择在光学厚度较均匀的小区域内螺旋爬升至云顶之上,再自云顶向下至最低高度进行垂直观测。     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds（ICE-L）项目和High Plain Cumulus（HiCu）项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液态水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:（1）在?30°C～0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液态水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液态水含量在?20°C～0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液态水质量分数小于层状云。（2）冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到?30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。（3）在?30°C～0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。（4）冬季层状云中,温度低于?20°C时冰晶主要为无规则状,在?20°C～?10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在?10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。（5）在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液态水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。     

毫米波云雷达观测和反演云降水微物理及动力参数方法研究进展

云雷达是探测和反演云降水微物理及动力参数精细结构的重要手段。回顾了世界和我国云雷达观测模式、数据质量控制和数据融合方法,特别是脉冲压缩、相干积累和非相干积累技术在提高云雷达灵敏度的应用,分析了基于回波强度与粒子下落速度关系、单波段云雷达小粒子跟踪方法、双波段云雷达回波强度谱密度比值方法等空气垂直运动速度反演和雨滴谱反演方法,并讨论了这些方法的特色,为今后云雷达观测方法设定和数据分析提供参考。     

球形粒子毫米波k-Z关系研究

由于毫米波更接近云粒子尺度,毫米波雷达越来越多地被用来探测云粒子及尺度较小的降水粒子.但是,在使用毫米波雷达探测时,要考虑云和降水粒子散射和吸收以及大气气体吸收所造成的衰减.结合毫米波测云雷达数据处理的实际需要,研究云中衰减系数k与雷达反射率因子Z的关系.假设粒子为小球形,云、雨滴谱分别服从K-M分布和Γ分布,通过模拟...     

石家庄地区一次秋季冷锋云系垂直微物理结构的观测研究

利用2008年10月4～5日石家庄一次降水性层状云系的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达等资料,分析了降水过程的天气背景条件、降水初期云中的液态含水量、云粒子平均直径和粒子谱等要素的垂直分布与变化特征,以及云系的垂直微物理结构。结合云中冰雪晶二维粒子图像的增长和地面降水特征,初步探讨了该层状云系降水形成的物理机制。...     

毫米波测云雷达系统及其外场试验结果初步分析

观测云宏观信息及其辐射特性的工具一直都很缺乏。利用毫米波测云雷达连续观测大气中的云能够获得有重要意义的参数,这些参数包括宏观上的云厚、云高、云层数,微观上云粒子的大小、滴谱分布、冰与液态水的含量等,它们不仅决定了云的上行、下行辐射的影响效果,也是研究自然降水过程的重要参数。文章介绍了2007年中国气象科学研究院研发的应用于探测云、雾和沙尘暴垂直结构的机动式8.6 mm毫米波雷达系统(HMBQ),重点介绍测云雷达在2008~2009年主要参加的外场试验情况,最后给出了探测得到的各种类型云(包括非降水云、弱降水云以及降雪云等)的雷达回波图,并作了初步分析。     

降水回波谱参数估算雨滴谱参数的算法研究

地基遥感雷达反演云中降水参数有助于认识降水云微物理过程,本文提出一种直接由垂直指向雷达回波谱参数估算雨滴谱参数的方法;当雨滴谱满足Gamma函数分布时,联合雷达气象方程、雨滴下降末速度与雨滴直径关系,建立雷达降水回波谱参数反演雨滴谱参数的方程组,采用隐函数显化和级数展开进行方程求解,得到雨滴谱参数估算结果。用正演方法建立检验数据库,使用平均相对误差平均值对近似求解的雨滴谱参数精度进行检验,截距参数为0.83%、斜率参数为3.04%、形状参数为13.60%。对2012年7月22-23日云南腾冲的1320 M Hz雷达垂直波束探测降水回波谱参数进行了雨滴谱参数估算,并与地面激光雨滴谱仪获取的雨滴谱参数进行了比较,两者的平均粒径基本相同。使用风廓线雷达等垂直探测雷达回波谱参数估算雨滴谱参数的方法适用于稳定层状降水云。     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

降水性层云含水量跃变对应的微结构观测研究

利用长春2007年5月16日的一次层状云降水过程的飞机观测资料,并结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了此次降水过程中粒子浓度、粒子谱、雷达垂直累积液态水（vertical integrated liquidwater,VIL）、微波辐射计积分液态水（liquid water content,LWC）以及地面雨强特征。研究表明,层状云微结构在水平方向上的起伏较大,出现两次典型的含水量跃变：第1次液态水跃变主要是因为粒子浓度增加;第2次液态水跃变是因为粒子浓度和粒子谱共同作用的结果;雷达VIL值和地面雨强两者呈正相关。     

机载微波辐射计测云中液态含水量

文中介绍了 2 0 0 1～ 2 0 0 2年 4～ 7月吉林省人工增雨期间 ,在中国首次进行的机载对空微波辐射计外场飞行观测试验。观测结果表明 ,仪器可以灵敏地探测出层状云中垂直路径积分云液态水和过冷水含量及其变化 ,揭示了在层状云中嵌入的对流区中有丰富的垂直积分过冷水含量 ,量级可达 10 3 g/m2 。与地面雷达PPI回波强度呈正相关。本文还根据飞机上升 (或下降 )过程的探测数据 ,给出了水平均匀的层状云液态含水量的垂直廓线的实例 ,并进一步讨论了这种方法的应用前景。