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。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

固态毫米波雷达探测模式的对比评估与分析

利用2014年广东阳江和青藏高原外场观测中多种探测仪器的观测资料,对比了灾害天气国家重点实验室与航天科工23所联合研制的固态毫米波雷达三种探测模式最小可测回波强度、可测液态水(冰水)含量、观测同一目标时回波强度的差异以及与K波段微降水雷达回波强度的差异等。结果表明:(1)毫米波雷达不同模式最小可测回波强度差异与理论差异一致,边界层模式和降水模式能观测近地面全部层云和积云,卷云能观测5km高度冰水含量在0.0007 g·m~(-3)以上的卷云,随着高度上升探测能力有所下降;(2)毫米波雷达使用不同模式观测同一目标时,不同观测模式宏观回波强度一致,大部分差异不超过3.5 dB;(3)K波段微降水雷达和Pasivel2激光雨滴谱仪的近地面回波强度一致,毫米波雷达与K波段微降水雷达存在系统差异。     

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。      

毫米波雷达反演层状云液态水路径研究

为了从毫米波雷达观测数据准确反演云中液态水路径,利用中国区域飞机探测资料得到的云粒子谱参数,基于2008年寿县ARM-AMF地基毫米波云雷达观测,针对层状云采用不同的云粒子谱参数假定,由物理迭代法和经验关系法反演云中液态水路径,并与地基微波辐射计的云水产品进行对比,开展了基于地基毫米波雷达的层状云液态水路径反演算法的对比分析。结果表明,反演结果与谱参数的选取以及云的特征密切相关,但物理迭代法总体上优于传统的经验关系法且前者对谱参数假定的依赖性相对较弱;基于中国区域的飞机探测资料得到的谱参数能够得到更优的反演结果;云中可能存在的大粒子是云雷达液态水路径反演高估的可能原因之一。最后,提出了基于云特征的谱参数选择方案,显著改进了云中液态水路径的反演结果。     

2007年秋季河北地区云微物理结构的飞机探测分析

利用2007年飞机探测资料,对河北地区云微物理结构进行了分析。结果表明,高层云底部云滴数大于中上部,随高度增加粒子直径增大。最大云中液态水含量为0.25g.m-3,底层平均云中液态水含量为0.025g.m-3。层积云中上部数浓度高于底部,云滴数浓度变化范围为10～80cm-3,云滴平均直径为7.56μm,总趋势随高度增加云滴直径先增大后减小。云滴谱变窄、双峰消失与含水量的起伏有一定的关系。综合增雨作业资料,发现有时预设的飞机作业高度并不是十分合理,在飞机性能条件允许的情况下,可以适当提高或降低作业高度,人工增雨的效果可能更好。鉴于作业层的温度,9月29日和13日可以考虑使用液氮或液态CO2等制冷剂进行催化。     

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。     

风廓线雷达对天山中部一次层状云降水过程的探测分析

应用边界层风廓线雷达对天山中部巴音布鲁克201 2年8月8日22:00到8月9日04:00的层状云降水过程进行探测试验研究。利用垂直速度功率谱数据计算得到谱参数,根据谱参数的变化特点确定了0℃层高度为1100~1900 m。并对0℃层以下600~1100 m进行了雨滴谱的反演,反演结果说明了中粒子和大粒子浓度的多少是引起回波强度大小的主要因素。由雨滴谱计算得到了此次降水过程的降水强度和液态水含量的时空演变图,在变化趋势上和回波强度是一致的,建立回波强度和降水强度的关系为:Z=76.5 I~(1.6)。     

毫米波测云雷达融化层自动识别技术

为了充分利用雷达数据中的融化层信息,通过分析融化层在反射率因子和线性退极化比(LDR)参量中的特性,结合国内某型毫米波测云雷达的特点,提出了一种融化层边界自动识别的技术。利用2010年5-10月国内某型毫米波测云雷达在杭州的探测资料及相应的探空资料,对识别结果以及算法中参数的敏感性进行了对比和分析。对比结果表明,该方法能有效识别亮带的存在,得到的融化层上边界平均高度与实测零度层高度的误差小于100 m。参数的敏感性分析表明,融化层在反射率和LDR中的特性存在差异,其厚度在600～1500 m。毫米波测云雷达距离分辨率高、LDR对融化层敏感以及使用反射率和LDR双重约束是识别出的融化层边界误差较小的原因。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

云微物理参数的地基探测反演研究综述

云相态、云滴谱分布和云液态水含量作为重要的云微物理参数,对气候变化、天气变化、人工影响天气和飞行安全等很多方面都有着重要的影响。云微物理参数的研究已是国际气象学研究领域中的热点之一,而在国内这方面的研究较少。简要论述了地基方法在云微物理学研究的优越性,扼要总结了国内外地基探测技术的发展现状,重点概括了云相态、云滴谱和云液态水3个参数的地基反演算法,并予以评价,展望了未来发展趋势,为国内云微物理研究提供了参考与借鉴。     

河南春季一次层状冷云的微物理结构特征分析

利用2007年3月3日PMS粒子测量系统对河南层状云的探测资料,分析了云的微物理结构特征。结果表明,云垂直和水平分布不均匀特性很明显。在云的中上部,FSSP-100测量的小云粒子(云滴、冰晶)最大浓度为125个·cm~(-1),平均值为21.3个·cm~(-1),平均直径多在6～20μm。2D-C观测大云粒子(50d≤300μm)随高度上升浓度增多,浓度值变化在5.24～192个·L~(-1),平均直径为211μm。此层云中过冷液态水含量变化在0.035～0.118 g·m~(-3),随高度增加过冷液态水含量减少。在云的底部区域,观测到两个逆温层顶的下方分别存在有云水含量的峰值。由不同高度云粒子谱分析表明,在4046～4600 m高度层,粒子谱型有负指数型、单峰型、双峰型和多峰型;0℃层以下融化带内的粒子谱型多为负指数型;云的底部粒子谱型以负指数型和单峰型为主。     

太行山东麓一次低槽冷锋降水云系云物理结构和作业条件的飞机观测研究

2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程,河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统在太行山东麓区域对积层混合云进行了5次垂直探测。依据这些飞机探测资料结合石家庄天气雷达和邢台皇寺观测站的Ka波段云雷达资料分析了积层混合云的微物理结构和增雨作业条件。结果表明,降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云由冷、暖云组成,云厚大于5 km,暖云厚度大于2 km,冷云厚度大于3 km,0℃层高度位于3577～4004 m,云底温度为15. 4℃,云顶温度为-17℃。云内出现最强雷达回波达45 d BZ的对流雨核,人工增雨作业应在雷达回波强度不超过40d BZ,且4000 m以上雷达回波强度不超过30 d BZ积层混合云区实施增雨作业。嵌入对流核的积层混合云中,5000 m以上冷云中上层过冷水含量达0. 2 g·m-3,比稳定的层状云中过冷水含量提高2～4倍;丰富的过冷水从雨核发展初期维持到雨核发展盛期,且该高度层是冰晶重要增长区,温度在-15～-5℃之间,适合催化作业。     

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。     

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。     

基于CALIPSO卫星资料的京津冀地区MODIS卷云云顶高度订正

卷云在大气辐射中扮演着重要角色,对天气系统和气候变化产生重要影响。相比传统地基观测手段,卫星遥感更容易探测到高层卷云的信息,本文利用CALIOP主动遥感仪器可获取较为准确的薄卷云特性的特点,针对MODIS被动遥感探测器反演的薄卷云云顶高度的偏差开展订正研究。研究选取2013～2017年京津冀地区MODIS云产品,结合CALIPSO卫星的卷云云顶高度数据,基于交叉验证的方法得到线性拟合方案,对MODIS卷云云顶高度进行订正。订正后的MODIS与CALIPSO卷云云顶高度差值的分布区间由?3～2 km变为?2.0～2.5 km,峰值由?0.8 km左右变为0.2 km左右。订正效果随云顶高度和云光学厚度的不同有所变化,其中较低层卷云和光学薄卷云的订正效果更明显。     

C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。     

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。     

黄河上游地区秋季云中液态水含量的微波遥感

本利用布设在黄河上游增雨基地的地基双频段(31．65GHz和23．87GHz)微波辐射计遥感资料反演了黄河上游地区秋季云中液态水含量，计算分析得到该地区的云中液态水含量的反演公式，并揭示了该地区降水前后云中液态水含量的变化情况。