风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验研究

对风廓线雷达探测降水时出现的双峰型功率谱密度分布的回波,进行大气返回信号和降水返回信号的剥离,由大气返回信号求出环境大气的垂直运动,导出降水质点下降末速度的功率谱密度分布,进而求出云体中的雨滴谱分布。对两次降水进行了雨滴谱反演试验,提取了不同高度上30多份雨滴谱分布,雨滴谱分布基本上呈现出指数分布形式。指数拟合后求出雨滴谱的浓度参数N0由几百到几千m-3mm-1,尺度参数λ为3.8～4.5 mm-1。试验中,还由反演的雨滴谱估算出云中含水量,得出降水云体中含水量随高度的分布,与附近多普勒天气雷达观测进行了比较。风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致,云中含水量估算的均值基本相同,而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响,随高度分布更为精细。     

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。     

一种抑制降水对风廓线雷达水平风干扰的方法

降水条件下,风廓线雷达 (wind profiler radar,WPR) 能够同时接收到大气湍流回波和降水粒子的散射回波,降水信号谱与湍流信号谱叠加在一起。风廓线雷达计算水平风时,若采用叠加在一起的功率谱处理降水条件下的探测数据,必将导致后期水平风的合成严重失真。该文首先对原始功率谱数据进行插值和平滑处理,通过功率谱曲线极大值点的个数判断其是否受到降水影响。对于受到降水影响的功率谱,依据湍流谱和降水谱均趋于对称型的特点,用两种方法分别对不同特征的功率谱曲线进行湍流谱和降水谱的分离处理,继而利用分离出的湍流谱信号反演水平风场。研究选取广东省湛江站风廓线雷达2013年6月及7月两次实测降水过程,分析结果表明:用湍流谱代替原始功率谱反演的风场,一致性较处理前有明显提高,从而证明了该分离方法的可行性。     

基于双高斯拟合的风廓线雷达反演雨滴谱

在降水条件下,风廓线雷达返回信号是湍流信号和降水信号的叠加,其功率谱数据中通常会出现双峰结构。该文通过双高斯拟合方法区分大气湍流信号功率谱和降水信号功率谱,去除大气湍流对降水信号谱的影响,反演得到较为精确的雨滴谱分布。研究表明:在风廓线雷达估算雨滴谱的过程中,双高斯拟合可将两峰有效分离,利用处理后的降水谱反演得到的雨滴谱均呈指数分布。选取北京延庆地区2006年和2012年具有代表性的降水资料,对比反演得到的不同强度和不同类型降雨的雨滴谱资料显示,这种估算雨滴谱的方法可行且可靠,利用双高斯拟合将双峰分离,可以达到风廓线雷达数据质量控制的目的,对于风廓线雷达在更为复杂的天气条件下应用具有借鉴意义。     

降水时风廓线雷达风场反演效果评估

风廓线雷达（wind profile radar,WPR）因具有高时空分辨率特点,成为当前短时临近预报的重要参考工具。降水时WPR同时接收大气湍流回波和降水粒子散射回波,现有技术不能有效分离叠加在一起的湍流信号和降水信号,导致降水期间风廓线雷达反演的风场数据严重缺失或失真。根据风廓线雷达探测技术原理及降水天气的功率谱特点,提出了降水天气时风廓线雷达湍流信号提取方法（WPR-HW）,并选取2015—2018年天津10次降水过程对WPR-HW方法进行模式检验及个例效果评估。结果表明:WPR-HW方法对改善降水期间风廓线雷达风场数据缺失问题效果明显,在选取的10次降水过程中,目前通用的风廓线雷达风场反演方法（WIND）风场数据平均缺失率为25.4%,WPR-HW方法未出现风场数据缺失现象;WPR-HW方法较WIND方法反演风场数据可信度有显著提高,反演数据与再分析数据的风速均方根误差由WIND方法的2.3 m·s-1降至WPR-HW方法的1.6 m·s-1,风向均方根误差由WIND方法的45°降至WPR-HW方法的22°,从而验证WPR-HW方法在降水期间适用。     

宜春地区三类典型天气的风廓线雷达产品特征分析

选取江西省宜春市晴空、弱降水、强降水三类天气过程个例,结合天气形势、雷达回波、气象要素等资料,对比分析了风廓线雷达产品特征。结果表明：（1）在晴空天气背景下,风廓线雷达探测高度低,水平风速小,垂直风速正负值交替出现,大气折射率结构常数（Cn2）值最小。（2）在稳定性弱降水天气背景下,大气呈稳定状态,风廓线雷达探测高度随降水的产生而逐渐抬升,高低层有明显的风速切变,850 hPa赣南至赣东北有西南急流穿过,赣北有切变线存在,利于降水产生,垂直风速因降水影响出现朝向雷达正速度,Cn2值比晴空时大。（3）在具有产生强对流天气背景下,大气中对流强烈,风廓线雷达的水平风速增大,西南急流深厚且不断下沉,850-700 hPa有强烈的垂直切变,动力条件和水汽条件利于强降水产生,垂直风速表现为更大的朝向雷达正速度,Cn2值比弱降水时的大。     

Ka/Ku双波段云雷达探测云降水滴谱和空气垂直运动速度的能力模拟分析

由于湍流、雷达探测灵敏度等对单波长云雷达探测回波强度谱密度的影响,造成了云雷达探测空气垂直运动速度和雨滴谱的误差,而双波长云雷达利用Mie散射造成的不同粒子后向散射大小差异来提高空气上升速度探测精度,从而提高反演雨滴谱的能力,并且可提高订正雨区衰减的能力。为此中国气象科学研究院研发了Ka/Ku双波段云雷达,并于2019年4月开始在广东龙门进行了云降水观测。本文针对该双波段云雷达观测模式和灵敏度等参数,在Gamma滴谱假设条件下,模拟分析了Ka、Ku波段功率谱及其比值与云降水参数、温度和湍流的关系,研究了雷达灵敏度、湍流对空气垂直速度、雨滴谱反演和衰减订正的影响,并利用个例数据进行了风场反演试验,讨论了双波段探测微降水动力和微物理参数的优势。结果表明:(1)温度只能影响两个波段功率谱比值(Ratio)的大小,对其峰值位置基本没有影响,而湍流对其峰值位置的影响不超过0.5 m·s~(-1);(2)湍流、雷达灵敏度对单波段云雷达探测空气垂直速度的影响比较明显,湍流使空气上升速度被高估,雷达最小可测回波强度随高度的增加而增加使该参数被低估,其影响远远大于温度和湍流对双波段云雷达反演空气垂直速度的影响;(3)对于单波段雷达来说,雷达灵敏度和湍流明显影响雨滴谱、含水量和衰减系数的探测,湍流使得雨滴谱拓宽,低估含水量和衰减系数;而雷达灵敏度却使反演的雨滴谱变窄,增加小粒子数浓度,并高估了含水量和衰减系数;(4)选取2019年4月15-16日的个例进行空气上升速度的反演,并与模拟分析的结果进行对比。结果显示实际观测数据反演的空气上升速度与模拟分析结果中的趋势较为一致。这项工作为单波段和双波段云雷达的多普勒功率谱数据分析和云降水微物理和动力参数的反演可提供参考。     

风廓线仪探测降水云体结构方法的研究

风廓线仪用于探测大气三维风的分布，当有降水出现时，受雨滴下降末速度的影响，不能直接得到大气的真实风在垂直方向上随时间的演变。风廓线仪与多普勒天气雷达都是采用脉冲多普勒体制，因此对于有降水时的风廓线仪资料，通过雷达气象方程能够获取探测空间附近的降水回波强度垂直剖面结构、云中降水含水量以及测站上空雨滴下降的平均多普勒速度；同时利用雨滴下降的平均多普勒速度对风廓线仪垂直观测资料进行修正，可以得到降水云体中三维风随高度分布的演变。     

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。     

垂直探测雷达的降水云分类方法在北京地区的应用

风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体进行垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。利用多年降水天气统计资料,针对北京延庆地区降水特征,提出了基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)的降水云分类方案。该方案将降水资料分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云、混合—排除和混合—包含等六种降水类型。根据该方案,利用风廓线雷达结合双偏振雷达和自动雨量站观测资料,对2012年9月1日和2013年6月27日发生在延庆地区的两次降水天气过程进行了分析。结果表明,风廓线雷达谱参数垂直廓线可以较好的描述降水云体的垂直结构,回波强度廓线发展趋势与地面降水量趋势吻合较好。当降水存在对流时,地面降水量出现明显增大,同时伴随着大速度值区和高空大谱宽值区。利用基于风廓线雷达的分类方案识别降水云,可以降低降水类型误判的几率。     

结合风廓线雷达的毫米波衰减特性初步研究

使用中国气象局大气探测综合试验基地35 GHz毫米波云雷达和L波段风廓线雷达2016年5月1日-7月31日在降水条件下的观测数据,根据不同观测模式下两部雷达得到的数据,计算在一定高度区间内不同下落速度的降水粒子反射率因子变化量,初步分析不同下落速度的降水粒子对毫米波衰减的影响。结果表明:在持续时间较长的层状云降水且降水粒子在雷达观测范围内均匀分布条件下,毫米波衰减与降水粒子下落速度呈近似线性关系,且毫米波经过的路径长度越长,衰减越大;毫米波在经过1110~2430 m,1110~3510 m的高度区间时,下落速度处于3.5~7.5 m·s-1之间的降水粒子对毫米波的衰减作用导致毫米波云雷达所测的等效反射率因子分别减小约1~7 dB和2~11 dB。     

针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱

反演大气垂直速度和雨滴谱分布是研究云降水机制和云微物理信息的重要内容,对人工预报天气、干预天气都有重要意义。针对2021年8月29日安徽省内毫米波雷达探测到的一次对流云降水过程,处理毫米波雷达的功率谱数据并进行大气垂直速度和雨滴谱反演。在小粒子示踪法的基础上引入改进小粒子示踪法：选取有效云信号段中最小功率对应的谱点作为反演大气垂直速度的示踪物。首先,根据改进前后的小粒子示踪法分别从功率谱数据中反演大气垂直速度,并跟基数据反演大气速度的结果展开对比分析。进一步得到粒子在静止空气中的下落速度,根据现有粒子下落速度-粒子直径之间的经验公式计算反演粒子直径。研究表明：(1) 采用改进后的小粒子示踪法反演大气垂直速度得到的结果比小粒子示踪法得到的结果更精确,在云层内部两者误差较大;(2) 进一步得到粒子下落速度,结合探测时段的天气状况,得到的粒子速度与大气速度可很好地契合,跟对流云天气情况信息大致吻合;(3) 粒子浓度是反演雨滴谱分布时需要注意的主要参数,云在快速发展过程中,内部粒子持续朝外部扩张,云内部的粒子浓度较小,云边界的粒子浓度反而较大。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题,常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息,该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论,以期改进衰减订正方法。对2014—2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明:3部雷达功率谱谱型基本一致,具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降,当降水下落末速度达临界速度时,会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短,受衰减影响越大,衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移,最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水,单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大,此时需要考虑降水粒子谱分布,在功率谱层面上对订正进一步改善。     

风廓线雷达数据质量影响因子及处理算法

风廓线雷达系统误差和探测数据时空代表性影响风的数据质量。针对五波束探测风廓线雷达,提出雷达系统误差检测方法并分析风的空间不均匀分布和时间代表性对风数据质量的影响。在此基础上,通过比较4组三波束计算的两组水平风u,v分量离差进行风的空间均匀性判别,并比较了一致性平均和数学平均两种时间代表性处理算法间的测风精度差异。利用广东风廓线雷达站网2014年3—5月10部雷达数据进行方法应用和评估。结果表明:稳定大气条件下,3种型号雷达 (LC,PB,PA) 的有效数据高度分别达到3,6 km和10 km的雷达系统功能设计需求。经空间均匀性检验与时间一致性平均处理的风数据在降水期间质量优于业务雷达数据,3—5月10部雷达获取的两组u,v分量离差标准差约为1 m·s-1,表明经过空间一致性检验和时间一致性平均处理后的数据质量较好。     

Turbulence and Rainfall Microphysical Parameters Retrieval and Their Relationship Analysis Based on Wind Profiler Radar Data

Rainfall is triggered and mainly dominated by atmospheric thermo-dynamics and rich water vapor.Nonetheless, turbulence is also considered as an important factor influencing the evolution of rainfall microphysical parameters. To study such an influence, the present study utilized boundary layer wind profiler radar measurements. The separation point of the radar power spectral density data was carefully selected to classify rainfall and turbulence signals;the turbulent dissipation rate ε and rainfall microphysical parameters can be retrieved to analyze the relationship betweenε and microphysical parameters. According to the retrievals of two rainfall periods in Beijing 2016, it was observed that(1) ε in the precipitation area ranged from 10~(-3.5) to 10~(-1) m~2 s~(-3) and was positively correlated with the falling velocity spectrum width;(2) interactions between turbulence and raindrops showed that small raindrops got enlarge through collision and coalescence in weak turbulence, but large raindrops broke up into small drops under strong turbulence, and the separation value of ε being weak or strong varied with rainfall attributes;(3) the variation of rainfall microphysical parameters(characteristic diameters, number concentration, rainfall intensity, and water content) in the middle stage were stronger than those in the early and the later stages of rainfall event;(4) unlike the obvious impacts on raindrop size and number concentration, turbulence impacts on rain rate and LWC were not significant because turbulence did not cause too much water vapor and heat exchange.     

A 35-GHz Polarimetric Doppler Radar and Its Application for Observing Clouds Associated with Typhoon Nuri

Millimeter-wavelength radar has proved to be an effective instrument for cloud observation and research. In this study, 8-mm-wavelength cloud radar (MMCR) with Doppler and polarization capabilities was used to investigate cloud dynamics in China for the first time. Its design, system specifications, calibration, and application in measuring clouds associated with typhoon are discussed in this article. The cloud radar measurements of radar reflectivity (Z), Doppler velocity (Vr), velocity spectrum width (Sw) and the depolar-ization ratio (LDR) at vertical incidence were used to analyze the microphysical and dynamic processes of the cloud system and precipitation associated with Typhoon Nuri, which occurred in southern China in August 2008. The results show the reflectivity observed using MMCR to be consistent with the echo height and the melting-layer location data obtained by the nearby China S-band new-generation weather radar (SA), but the Ka-band MMCR provided more detailed structural information about clouds and weak precipitation data than did the SA radar. The variation of radar reflectivity and LDR in vertical structure reveals the transformation of particle phase from ice to water. The vertical velocity and velocity spectrum width of MMCR observations indicate an updraft and strong turbulence in the stratiform cloud layer. MMCR provides a valuable new technology for meteorological research in China.