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。     

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...     

Ka波段毫米波云雷达对青藏高原东南缘降水回波的分析

利用丽江站新建的Ka波段毫米波云雷达获得的高时间分辨率的垂直观测资料,结合同址的地面自动气象站和雨滴谱的分钟数据、常规探空数据和附近C波段天气雷达的强度回波,分析了两次降水过程前后云雷达反射率因子Z、径向速度V_r、速度谱宽S_w的垂直变化规律。分析表明:在发生弱降水时,云雷达Z在垂直方向的变化不明显;但V_r、S_w值在0℃层稍低位置有一个明显的分界层(融化层),粒子通过融化层后V_r、S_w都是快速变大,这个变化主要是粒子的相态由固态变成液态引发的,可以通过V_r、S_w突变值的位置来识别0℃层亮带的高度。从C波段天气雷达回波强度、剖面图及云雷达位置的时间-高度图看,对毛毛雨和小雨的回波,强度和高度差异比较明显,毛毛雨比小雨回波高度低、强度弱,与云雷达相比C波段雷达对高一些的云观测不到,对距离较远的弱降水回波无法观测到;由于相同粒子对不同波长电磁波的散射不一样,造成两种雷达垂直方向观测到的Z变化不同。对比弱降水回波,云雷达在...     

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。     

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。     

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.     

Ka波段云雷达非云回波质量控制及效果评估

针对Ka波段毫米波云雷达观测中出现的非云回波,提出改进的质量控制方法,并利用2018年9月—2020年8月福建平和观测资料,定量评估质量控制效果及其对云-降水探测的影响。结果表明：提出的改进方法能较好改善雷达探测结果,可有效滤除非云回波。非云回波对3 km高度以下的弱云探测有重要影响,且非云回波的探测率与雷达灵敏度密切相关,整体随高度上升而下降;同时非云回波存在明显的日变化特征,午后—前半夜因湍流活动较强,非云回波的探测率也较高;后半夜—日出前因湍流活动减弱,非云回波的探测率逐渐下降。     

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。      

Ka波段云雷达晴空回波垂直结构及变化特征

利用2017—2019年中国气象局大气探测试验基地Ka波段云雷达资料,结合地面自动气象站、激光云高仪资料,从强度、速度、线性退极化比以及晴空回波高度等方面,分析晴空回波垂直结构和变化特征。基于激光和微波对粒子半径和数密度散射的差异,区分云和晴空回波。结果表明:Ka波段云雷达探测到的晴空回波在边界层主要包含层状湍流回波和点状昆虫回波,且回波顶高在3000 m以内。晴空回波强度和高度具有明显的季节和日变化特征,冬季回波顶高较低,夏季回波顶高较高,与地面气温具有很好的相关性,每年的1,2,11,12月几乎没有晴空回波,而7月和8月回波顶平均高度最高。晴空回波反射率因子为-40~-15 dBZ,其中层状湍流回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-35 dBZ,点状昆虫回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-30 dBZ。晴空回波垂直移动速度为-1.5~+0.5 m·s-1,整体呈下沉运动。层状湍流回波线性退极化比较点状昆虫回波稍大,一般为-10~-5 dB,点状昆虫回波线性退极化比一般为-15~-8 dB。     

Ka波段固态发射机体制云雷达和激光云高仪探测青藏高原夏季云底能力和效果对比分析

激光云高仪和云雷达是探测云底的两种设备,但其探测能力和探测结果有一定的差异,对比分析两种设备的测云效果有助于正确认识它们的探测优势,推进我国云雷达在云探测中的应用。本文提出了基于云雷达数据的云底和云顶高度分析方法,利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验云雷达、激光雷达和激光云高仪数据,统计了三种设备探测青藏高原低云、中云和高云的云底高度偏差、探测率,分析了激光云高仪探测云底偏高的原因,根据探测结果提出了固态发射机体制雷达探测青藏高原低云的优化观测模式,模拟分析了探测效果。结果表明:（1）云雷达对高云的探测能力要明显优于激光云高仪,但其对低云的探测能力有待改进,激光云高仪探测云底下部的边界层内的云雷达回波信号可能是非云降水回波;低层云的遮挡作用明显降低了激光云高仪对多层云的观测能力;与激光云高仪相比,云雷达仍然会漏掉一些高云和中云。（2）激光云高仪探测的中云和高云的云底很多在云雷达回波内部,云雷达和激光云高仪观测的云底的时空对应关系比较差。（3）增大激光发射功率和优化固态发射机体制云雷达观测模式可提高云的观测能力,微波和激光雷达数据融合可全面了解不同类型云的宏观特征。这一工作为云雷达和激光雷达数据的应用,评估激光云高仪和云雷达探测青藏高原云的能力,讨论设计优化的云观测方案,为推进我国云观测技术的发展提供了重要参考依据。     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

94GHz云雷达回波及测云能力分析

重点利用英国的94 GHz Galileo测云雷达,结合35 GHz云雷达、地面雨滴谱仪、雨量计和探空资料等,分析了94 GHz 雷达的回波特征及测云能力。结果表明：（1）94 GHz云雷达能清楚反映出云及弱降水过程的云系结构变化和云内小尺度变化,可以探测到雾,雾的多普勒速度杂乱;（2）94 GHz云雷达区别于厘米波雷达的较显著的回波特征是层状云降水的0℃层亮带下面雷达反射率因子降低不明显或没有降低及0℃层亮带上面存在0℃层暗带,分别是因为雨滴较大及冰晶较大产生非瑞利散射引起的,暗带区域的宽度一般在600 m以下,暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过3 mm,有些暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过6.8 mm,多普勒速度及谱宽显著增大的地方是融化层顶;（3）与35 GHz测云雷达相比,由于衰减和非瑞利散射,降水时的94 GHz雷达反射率因子远小于35 GHz雷达反射率因子,使探测到的高云云顶高度偏低,但94 GHz云雷达抑制地物杂波的能力更高,在晴空低云探测方面具有优势。这些结果为中国正在研制的94 GHz云雷达回波可靠性分析提供了参考。94 GHz云雷达与其他探测手段结合,可揭示各种天气形成的物理机制,对天气预报、云物理的发展、人工影响天气、气候变化的研究均有重要意义。     

基于Ka波段云雷达的六盘山顶云特征分析

利用宁夏六盘山气象站2017年9月至2018年8月的Ka波段云雷达观测资料,统计分析了六盘山顶不同云的出现频率及宏观特征.结果表明:六盘山顶云出现频率最高值在7月,为61％,最低值在12月,为26％;按云层数划分,六盘山顶出现的云主要以1层云、2层云及3层云为主,相对总云的月平均出现频率分别为68％—86％、14％—2...     

西藏羊八井Ka & W双频毫米波云雷达性能及观测分析

雷达作为一种遥感探测仪器,在云和降水的观测中发挥着重要作用。然而,由于不同水凝物粒子在形状、密度、粒径、主轴取向和谱分布等方面的巨大差异,单部雷达的反射率因子对云降水系统内部微物理特征的准确量化存在困难。近年来,水凝物粒子散射理论、电子计算机和毫米波器件技术的进步加速了多波长雷达遥感技术的应用,为进一步认识云微物理过程和改进云微物理方案提供了重要观测依据。多波长垂直探测雷达技术已经从散射理论催生新的观测方法进入到观测试验揭示关键云降水微物理过程的阶段。本文从雷达反演液态和固态水凝物的角度,讨论基于水凝物粒子衰减和散射特性的地基双波长和三波长垂直探测雷达遥感技术研究进展,介绍了国内外地基多波长云雷达实验的研究进展,并从粒子散射理论出发,提出多波长雷达正在从传统波段组合(如W/Ka/X波段)向结合更短波长和更长波长的“三波长+”方向发展。随着卫星雷达载荷从单波长到双波长,地基多波长气象雷达遥感技术的发展将为下一代星载多波长雷达载荷的研制提供有力支撑。

     

一次基于飞机探测的降雪云系微物理特征研究

利用一架搭载云和降水粒子探头的国王350飞机对2020年1月5日邢台皇寺上空降雪云系的微物理特征进行探测和分析。结果表明：飞机探测时段处于系统发展初期阶段,同一位置垂直上升阶段和垂直下降阶段云微物理特征差距较大;云体结构不均匀,表现为云粒子在垂直高度上呈多层分布,中间有夹层。4 300～3 100 m高度层的过冷水含量最丰富,峰值达0.3 g/m³,对应温度约-9℃。过冷水丰富区出现在逆温层上方,该层最适合开展碘化银增雪作业。     

Verification and Correction of Cloud Base and Top Height Retrievals from Ka–band Cloud Radar in Boseong,Korea

In this study,cloud base height(CBH) and cloud top height(CTH) observed by the Ka-band(33.44 GHz) cloud radar at the Boseong National Center for Intensive Observation of Severe Weather during fall 2013(September-November) were verified and corrected.For comparative verification,CBH and CTH were obtained using a ceilometer(CL51) and the Communication,Ocean and Meteorological Satellite(COMS).During rainfall,the CBH and CTH observed by the cloud radar were lower than observed by the ceilometer and COMS because of signal attenuation due to raindrops,and this difference increased with rainfall intensity.During dry periods,however,the CBH and CTH observed by the cloud radar,ceilometer,and COMS were similar.Thin and low-density clouds were observed more effectively by the cloud radar compared with the ceilometer and COMS.In cases of rainfall or missing cloud radar data,the ceilometer and COMS data were proven effective in correcting or compensating the cloud radar data.These corrected cloud data were used to classify cloud types,which revealed that low clouds occurred most frequently.     

2019年7月17日江苏东南部特大暴雨的双偏振雷达观测分析

利用S波段双偏振雷达数据,结合再分析数据、自动气象站、探空和二维闪电探测数据,采用多普勒雷达风场反演和粒子相态识别等方法,分析了2019年7月17日江苏省东南部多站破历史记录的超强降水对流风暴的偏振特征和云微物理特征;并选取了打破当地强降水历史记录如皋站和潞城站,分析了影响两站的对流单体的异同。影响如皋的对流风暴几无闪电活动,对流质心接近地面,上升气流相对较弱。且0℃和-35℃层间霰粒子数目相对较少,闪电几乎不存在。在融化层以下,由于强烈的暖雨过程,较大的冰相粒子落下并融化和低层雨滴的聚并增长,导致低层雨滴数量迅速增加,带来地面极端强降水。潞城地区雷暴活动明显,影响其对流风暴发展旺盛。-35～0℃层存在强烈的上升运动,抬升低层大量的液相粒子通过淞附作用形成的霰,并与高层冰晶不断碰撞,在云层中形成强大的电场,产生强烈的负闪,且在地面产生了极强的降水。这表明融化层以上的冰相微观物理过程,对于降水的发生和增强非常重要。     

基于Ka波段毫米波云雷达资料对水凝物相态的识别研究

利用不同水凝物相态下反射率因子、多普勒径向速度、谱宽、线性退偏比等云雷达探测参量以及温度的阈值,采用不对称的T型成员函数,建立了识别水凝物相态的模糊逻辑算法,可识别的水凝物类型包括雪花、冰晶、混合相态、液态云滴、毛毛雨滴、雨滴。利用分级逐库订正法衰减订正后的Ka波段双偏振雷达探测数据和ECMWF再分析资料温度廓线数据对水凝物相态进行了识别研究。结果表明,识别出的水凝物相态结果基本合理,反映出了空中水凝物相态的演变过程,可进一步应用于降水微物理过程研究和人工影响降水应用研究。     

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

A Ka-band Solid-state Transmitter Cloud Radar and Data Merging Algorithm for Its Measurements

This study concerns a Ka-band solid-state transmitter cloud radar, made in China, which can operate in three different work modes, with different pulse widths, and coherent and incoherent integration numbers, to meet the requirements for cloud remote sensing over the Tibetan Plateau. Specifically, the design of the three operational modes of the radar(i.e., boundary mode M1, cirrus mode M2, and precipitation mode M3) is introduced. Also, a cloud radar data merging algorithm for the three modes is proposed. Using one month's continuous measurements during summertime at Naqu on the Tibetan Plateau,we analyzed the consistency between the cloud radar measurements of the three modes. The number of occurrences of radar detections of hydrometeors and the percentage contributions of the different modes' data to the merged data were estimated.The performance of the merging algorithm was evaluated. The results indicated that the minimum detectable reflectivity for each mode was consistent with theoretical results. Merged data provided measurements with a minimum reflectivity of -35 dBZ at the height of 5 km, and obtained information above the height of 0.2 km. Measurements of radial velocity by the three operational modes agreed very well, and systematic errors in measurements of reflectivity were less than 2 dB. However,large discrepancies existed in the measurements of the linear depolarization ratio taken from the different operational modes.The percentage of radar detections of hydrometeors in mid- and high-level clouds increased by 60% through application of pulse compression techniques. In conclusion, the merged data are appropriate for cloud and precipitation studies over the Tibetan Plateau.