W波段和Ka波段云雷达探测回波对比分析

通过分析W波段和Ka波段云雷达同时探测回波的差异,验证了W波段云雷达初样机的探测性能。结果表明：1）W波段云雷达初样机工作稳定,两个波段雷达都可以探测云层、云的边界、云厚等宏观参数,也可以反映出云的精细结构及云内微物理参数的变化,回波强、速度小、谱宽大的冰晶云含有上升气流及较多过冷水。2）增强模式的W波段云雷达在近地面探测雾、霾的能力比Ka波段云雷达强;两部云雷达对云层较薄的云探测能力基本相当,对多层云、云层较厚、含水量较多的云及降水的探测,由于强衰减的作用,W波段雷达所测云厚度小、云顶低、回波强度小,并且非瑞利散射也会造成W波段雷达的回波强度降低。     

机载W波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究

考虑到大气和云对W波段雷达波的衰减,数值仿真4种非降水云的机载W波段雷达(94GHz,3.2 mm)回波强度;基于雷达回波强度Z与云衰减系数k之间的经验关系,进行雷达回波衰减订正.结果表明,在云厚、云滴粒子浓度和含水量参数的一般取值情况下,可以获得比较好(相对误差＜15%)的订正效果.随着云体加厚、云中大滴增多和含水量...     

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数k_c之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优k_c-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段k_c-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳k_c-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用“φ≤10%或20%”来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致“可订正厚度”减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。      

W波段毫米波云雷达技术的研究进展

毫米波雷达相比于厘米波雷达对非降水云的观测具有更高的灵敏度,因此世界发达国家已经广泛利用毫米波雷达进行云的观测实验。国内的毫米波云雷达受器件及加工工艺的限制仍处于发展阶段,在此背景下本文从地基、机载以及星载3个方面对国内外W波段毫米波云雷达进行总结,根据毫米波雷达的天线、发射电路、接收电路以及信号处理4个方面分析其原理框图及性能参数,最后利用英国Chilbolton观测场的94GHz Galileo雷达对2008年4月4日的非降水云进行回波数据的分析,结果表明Galileo毫米波雷达能够很好地对云以及雾进行探测,其结论为国内W波段毫米波云雷达的设计提供借鉴。     

国内外W波段毫米波云雷达定标技术的研究进展

为了利用毫米波雷达的回波数据精确地反演得到云的宏微观物理特性,必须对研制的毫米波雷达进行定标.本文重点介绍了国外几种定标方法：单个系统各参数贡献的定标;大雨滴对毫米波雷达的定标;三角反射器以及金属球对毫米波雷达的定标;利用海洋表面后向散射技术的定标以及Cloudsat 作为雷达校准器的定标.这些定标方法对于国内毫米波雷达更好地应用于实际探测具有重要的研究价值.     

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。     

垂直指向的Ka波段云雷达观测的0℃层亮带自动识别及亮带的特征分析北大核心CSCD

利用2013年垂直指向的Ka波段云雷达在广东观测的弱降水个例,分析了回波强度Z、径向速度Vr和退偏振因子L_(DR)在0℃层附近的变化规律,利用建模样本提出了基于云雷达垂直观测Z、Vr和L_(DR)数据的0℃层亮带自动识别方法,并利用独立观测样本进行了识别算法的检验,分析了Vr数据对识别效果的影响,与每天四次探空得到的数据进行了对比。结果表明,在0℃层亮带内,Z和L_(DR)的极大值的高度和Z、Vr、L_(DR)这三个物理量在垂直方向上的突变范围都一致,0℃层亮带的厚度与Z、Vr和L_(DR)的变化量有一定的关系,在0℃层亮带特征较明显的回波上部也存在明显的空气上升运动。Vr和L_(DR)是识别0℃层亮带的关键因子,而Z可能因云的位置和复杂的云层而产生剧烈的垂直变化。该算法可以较好识别典型的0℃层亮带,正确提取主要参数,而云的边缘和多层云等情况会影响0℃层亮带的识别。为利用Ka波段云雷达数据分析弱降水的性质提供了算法。     

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。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.     

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。     

山东一次暴雨过程的云降水微物理特征分析

以2013年7月29日发生在山东的一次暴雨过程为例,利用高空间分辨率的MODIS极轨卫星资料以及布设在章丘的THIES激光雨滴谱仪连续采样获取的降水粒子谱资料,并采用Rosenfeld等提出的云微物理分析方法,对云和降水的微物理特征进行了分析。结果发现,这个暴雨云团由多种不同高度的云系组成,其中对流云团在-10℃以上存在深厚的混合相增长带和冰化增长带,冰化增长起始温度基本都在-20℃左右。系统性层云中存在凝结增长、碰并增长和混合相增长过程,但无冰化增长过程。此降水过程多次出现强度>100 mm·h^-1的高雨强值,最大雨滴数浓度达10⁴量级,并存在接近8 mm的特大滴,降水强度与雨滴数浓度和谱宽的关系极为密切;直径>2 mm的雨滴数浓度不足1%,但对降水的贡献却占绝大多数。从雨滴谱谱型分布来看,多峰型结构所占比例最大,单峰型次之,指数型分布出现频率最少。     

一次暴雨过程中云微物理特征的卫星反演分析

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,以陕北2006年7月2日发生的暴雨过程为例,反演了云顶粒子有效半径(Re)、云顶温度(T)等云物理特征参数,通过卫星不同时次对暴雨云团的探测资料,分析了暴雨发展过程.暴雨云团表现为多单体特征,发展旺盛期对流单体的数量明显增加、云团尺度大幅增加.根据暴雨云系中的对流云、层云、过冷水云、低云(未被高云遮挡住)4种类型,分别选择了9个代表区,用于分析这次暴雨过程中不同类型云的物理特征和垂直结构.结果表明:此次暴雨云团由多种高度的云组成,低云高度较低,温度较高,云顶在0--10℃;层云高度略高,T为-10--20℃,Re为10-20 μm,并含有连片分布的过冷水云(Re为10 μm左右);高度最高的云为对流云,镶嵌在系统性层云中或在其上发展,T最低达到-80℃左右.从云底至0℃层存在一个较厚的凝结增长带,Re为5-10μm;0--10℃层存在一个碰并增长带,Re从13-15μm增长到20～25μm,但其厚度小于凝结增长带;T<-10℃层以上存在一个深厚的冰相增长带,表明在对流云团的发展成熟期,冰相增长过程为优势云物理过程.随着云的逐渐发展,混合相增长带由厚变薄,冰化增长带增厚,晶化温度升高、高度降低,表明在对流云团发展到成熟的过程中,冰化增长带在下传,云中冰化增长过程向下传递明显.     

利用毫米波云雷达数据反演层云微物理参数和云内湍流耗散率

利用地基毫米波雷达进行云参数及云内湍流特性的探测和反演。根据云雷达回波的功率谱数据,反演出大气垂直运动速度和云微物理参数,得到云内湍流耗散率ε的大小和分布情况,并进一步研究和分析了云内空气垂直运动与云微物理参数、反射率因子、多普勒速度、速度谱宽变化的关系,更好地了解云的演变情况。对2016年8月8日四川稻城的一次层状云过程的探测和反演表明：1）粒子有效半径随着上升气流的增强而增大,由于碰并聚合的作用,粒子数浓度也呈现相应减小的趋势。2）云内湍流耗散率ε在云底、云顶较大,云内较小,量级在10^-8~10^-2 m²·s^-3,多普勒速度能谱验证了假设雷达探测湍涡的尺度在惯性副区的合理性。3）随着上升气流的增强,云粒子的下沉运动相应减小,速度谱宽相应增大。     

X波段双线偏振气象雷达反射率的衰减订正

X波段天气雷达的强衰减是影响其探测精度与应用推广的主要问题.本文旨在寻求适用于降水过程中对X波段双偏振雷达进行衰减订正的一种方法.在订正前先对雷达数据进行了质量控制和预处理;在分析了国内外已有订正方法的基础上,选择并改进了自适应约束算法作为雷达反射率进行衰减订正的方法;最后进行方法的效果验证.既对衰减订正前后反射率与同...     

X波段双线性偏振雷达电磁波衰减对冰雹识别的影响

利用X波段双线性偏振雷达2009年4-10月降雨的ZH-ZDR统计分布,得到基于ZH-ZDR分布的冰雹识别参量(HDR)表达式。雷达发射的电磁波经过雨区导致的衰减会使HDR识别冰雹不准确,需要进行衰减订正。文中利用差分相移(DP)订正了HDR表达式中经过雨区衰减的反射率(ZH)和差分反射率(ZDR)。个例分析表明,经雨区衰减订正后X波段双线性偏振雷达回波与北京南郊观象台CIN-RAD/SA多普勒天气雷达回波具有较高的一致性,在零度层之下,HDR>0的区域能有效地反映出地面降雹情况;在零度层之上,HDR>0的区域可能是冰雹或湿霰,订正后HDR判别冰雹的虚警率有可能提高。     

通辽市一次锋面降水过程云物理特征分析

文章利用2012年9月2日影响内蒙古通辽市的一次锋面降水过程的机载大气粒子测量系统（PMS）的资料,结合飞机宏观记录、天气形势、雷达回波和卫星云图等资料,对云层的物理特征进行了初步分析：锋面降水云系中的PIP粒子浓度变化随高度变化成正相关,5200m高度达到最大。底部的云体降水粒子浓度随时间减小,说明底部的云层正在消散。航线飞行过程中探测到降水粒子浓度在16：35之后变大,说明云体在下层有发展的趋势。云中CAS粒子总浓度整体相差不大,浓度在100~600个·cm-3之间,峰值浓度在4200m高度处,达到800~900个·cm-3。SPP-200粒子总浓度呈现双峰结构,分别在5200m和3450m高度层。     

X波段双偏振相控阵雷达的衰减订正算法研究

粤港澳大湾区正在组建X波段双偏振相控阵雷达(XPAR)网,以提高观测精度并增强低空观测的能力.为了解决X波段雷达的雨滴衰减问题,以适应观测和组网的要求,引入自适应约束算法,针对降水目标造成的衰减加以本地化研究.评估结果表明,强降水个例反射率因子的订正幅度达6 dB,差分反射率因子的负值也得到有效约束.经过质量控制后,相...     

星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力

从2008年1月10日起,受强冷空气和暖湿气流共同影响,中国南方大部分地区遭遇1954年以来罕见的冰冻天气,此次天气过程持续时间长、冰冻范围广、受灾程度重.文中简要介绍了毫米波雷达的探测特点及衰减特性;重点利用CloudSat 卫星上搭载的3 mm波长云廓线毫米波雷达(CPR)的探测结果分析了1月28日、2月10日南方冰雪天气形成的云物理机制,并且与C波段测雨雷达探测结果对比;结果表明:(1)毫米波雷达具有高空间分辨率,能够清楚地反映云的垂直和水平结构,且清晰地反映云中0℃层融化带的垂直特征.(2)1月28日湖南冻雨、2月10日贵州冻雨分别是"冰雪-雨-过冷雨"和"过冷云-过冷雨"两种典型的云物理机制,云内0℃层融化带的强度和厚度与近地面温度的高低是能否形成冻雨天气的关键因素.(3)毫米波雷达在冰冻天气研究中有很大的应用潜力;充分将毫米波雷达与天气测雨甫达以及其他遥感手段结合,可以取长补短、相得益彰.发展毫米波探测技术将对研究各种天气形成的微观物理机制、云物理的发展、气候变化的研究及人工影响天气等工作均有重要意义.     

一次冻雨天气的云雷达回波特征分析

利用2014年12月10—12日的地面和探空资料、ECWMF再分析资料、Ka波段毫米波云雷达资料,采用特征分析、物理诊断量方法及回波特征分析方法,得到了较天气雷达更精细的垂直微观特征,对贵州冻雨的形成和演变提供了新的观测事实。结果表明:(1)此次冻雨过程地面温度在0℃附近,且云系形成后的温度随高度下降始终维持在-10～0℃之间,为过冷暖雨过程。(2)冻雨在初生、成熟及消亡阶段的回波强度随高度下降逐渐增大,强度值为-30～12dBz。空气垂直速度集中在-0.4～1.6m/s之间,粒子下落速度集中在2.4m/s以内。(3)冻雨初生及消亡阶段上升运动弱,粒子尺寸小。成熟期间,上升气流加强,小粒子所占比例减小,大粒子增多。云体中下部谱宽大值区和强反射率因子对应,反映了液态过冷水下落过程中的碰并增长结果。     

改进的C波段天气雷达定量降水估计算法研究

针对我国新一代C波段天气雷达,提出了综合考虑雷达波束阻挡、信号衰减以及雷达波束随距离增加而抬高和展宽等因素影响的定量降水估计算法。该算法基于高分辨率地形高度数据计算极坐标中每个方位-斜距库上不受地形阻挡的最低观测仰角,依此从雷达体扫数据中提取用于降水估计的混合反射率因子;结合雷达和雨量计资料对雷达系统标定偏差进行估计后...