基于滴谱分布的机载雷达波束匹配情况研究

基于机载双频测雨雷达外场校飞试验中获取的有效降水测量数据,利用Ku波段的雨衰系数和等效雷达反射率因子的比值估算了雨滴谱分布参数.在此基础上,通过米散射模拟计算了Ka波段在该滴谱分布下的等效雷达反射率因子,并和机载Ka波段衰减订正后的等效雷达反射率因子进行了比对.结果表明:两者的廓线基本重合,相关系数超过0.95,两部雷达探测的目标物一致,测量的雷达反射率因子的差异主要是由雷达频率的不同所引起的后向散射以及衰减的不同所造成的,波束匹配精度较高.此外,单频滴谱参数的估计依赖于单频衰减订正的精度.机载雷达外场试验中探测的都是弱降水,Ku波段衰减订正不会存在太大的误差,估计的滴谱较为可靠.必须指出的是,精确的参数估计仍然要借助双频雷达的反演方法.     

星载雷达与地基雷达数据的个例对比分析

采用几何匹配法将TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)和上海地基雷达(Ground-based Radar,GR)有效照射体积的观测数据进行时空匹配,得到了2007年下半年3个时次上海地区的降水个例。考虑到PR与GR工作频率的不同,本文将S波段GR探测到的回波强度值调整为Ku波段PR探测到的回波强度值(称为Ku调整),进而比较PR和GR测量的反射率因子数值差异,并分析了不同降水类型和不同高度层的PR-GR偏差。结果表明:(1)PR和GR探测到的降水回波分布型大体一致,但PR探测到的降水回波强度普遍比GR探测到的大;(2)在零度层亮带以内及以下的PR与GR反射率因子资料具有较好的相关性;(3)由于GR的波束充塞效应及回波衰减,高层PR-GR平均偏差比低层大;(4)GR和PR的回波强度变化特征一致性在层云降水情况下优于对流降水情况;(5)整体而言,Ku调整使GR和PR数据更接近。     

GPM卫星双频测雨雷达探测降水结构的个例特征分析

全球测雨卫星（GPM）携带首部Ka和Ku波段测雨雷达于2014年2月发射升空,继热带测雨卫星（TRMM）的单频测雨雷达探测后,实现双频测雨雷达（DPR）探测。本文基于DPR不同波段及不同方式探测反演给出的四种降水产品[Ka波段高精度探测（KaHS）、Ku波段探测（KuPR）、Ka匹配方式探测（KaMS）和Ka及Ku双频联合探测反演产品（DPR_MS）],对2014年的四个降水个例的降水结构特征进行了分析,并就DPR探测波段、扫描方式及反演算法所引起的降水产品中降水结构特征差异进行了比较与讨论。结果表明,所选四个个例分别位于中国东部、西北太平洋区域、风暴轴区域以及美国本土,四者发生背景及降水特征差异显著,但表现出了较为一致的产品差异特征。KaHS的回波顶高度最高,比KuPR高约0.1 km,其对弱降水（小于0.5 mm h-1）的观测性能好,但对10 mm h-1以上的强降水存在严重低估。KuPR继承了TRMM测雨雷达（PR）对强降水的观测性能,但受频率限制对0.5 mm h-1以下的弱降水观测能力有限。KaMS的整体降水强度分布与KaHS类似,但受高回波阈值限制,KaMS漏掉了大量弱降水样本,对强弱降水的观测性能均有限,且其平均回波顶高度比KuPR可低约1 km,常将融化层误判为回波顶高度,故不适宜单独使用。DPR_MS的降水反演算法具有独立性,对强降水和弱降水的反演能力都较强,而其回波顶高度主要继承于KuPR的回波顶高度。此外,DPR_MS双频反演的粒子谱最为合理,揭示了西北太平洋区域台风个例两侧眼壁粒子谱的不均匀性。     

双偏振雷达和双频测雨雷达反射率因子对比

为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因,将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar,DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配,并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明:GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好,经过衰减订正和波段修正,两者的相关系数约为0.86,达到0.001显著性水平,均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式,在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正,二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好;受干雪几何形状影响,探测干雪回波的相关性较低;探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异,DPR NS模式对强回波敏感,而DPR HS模式对弱回波敏感。     

基于星载测雨雷达2004-2014年观测的川渝地区降水垂直结构的气候特征

使用热带测雨卫星（TRMM）搭载的测雨雷达（PR）2004-2014年长达11 a的连续观测资料对青藏高原东南缘川渝地区不同季节不同降水类型的垂直结构特征进行了统计分析,并建立了相应的气候态反射率垂直廓线（Vertical Profiles of Reflectivity,简称VPR）。结果表明,由于不同的微物理及动力过程,降水类型对反射率垂直廓线的结构特征影响很大,90%的层云0℃层亮带峰值强度低于32 dBz,50%的对流云最大反射率强度超过35 dBz。降水类型及强度均对反射率垂直廓线的形状影响很大,层云系统发生中及大雨时其冰雪区的聚合反应效率明显较发生小雨时高。反射率垂直廓线特征参数具有一定的区域性和季节特征,且地表加热和地形高度的作用会加强上升气流对反射率垂直廓线形态的影响,上升气流的强度影响着冰雪及雨水区的碰并增长率以及低层的蒸发作用,从而进一步影响低层雨区的反射率垂直廓线斜率,边界层的相对湿度是另一个影响雨区反射率垂直廓线斜率及蒸发率的重要因素。星载测雨雷达的云分类算法在青藏高原东南缘地区受到一定的挑战,仍有改进的空间;未来可以将基于星载测雨雷达建立气候态层云典型反射率垂直廓线应用于联合地基天气雷达网观测以弥补后者在复杂地形条件下探测范围及能力受限的缺陷,从而改进雷达定量降水估测的误差。      

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。     

双基雷达联合探测降水廓线的研究

利用1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)中的一次地面雷达与星载雷达(简称为双基雷达)联合探测雨强的资料,比较了现有的几种测雨雷达回波衰减订正方法.选取了一条比较有代表性的降水廓线,利用地基雷达数据对其进行衰减订正.结果表明,在雨区的中上部,星载雷达探测效果优于地基雷达;从"零度层亮带”往下至近地面,地基雷达探测效果优于星载雷达.     

我国Ka频段降水测量雷达机载校飞试验结果

2010年6—10月在天津与江苏地区开展了国内首次Ku/Ka频段星载降水测量雷达机载校飞试验。此次校飞试验获得了宝贵的机载雷达观测数据和地面、海面同步观测数据,目前已开展了外定标、数据对比与衰减订正等工作。该文给出了天津校飞试验中Ka频段降水测量雷达实测结果,对Ka频段降水测量雷达资料与天津地区S波段地基多普勒雷达资料进行了详细的对比分析,有利于更好地了解Ka频段降水测量雷达仪器本身的性能及其探测降水的能力;利用由GPS探空资料、地基多通道微波辐射计观测亮温结合微波辐射传输模式得到的雷达路径积分衰减量,对Ka频段降水测量雷达进行了衰减订正,为继续开展降水反演工作奠定了基础。     

不均匀性束内充塞效应对星载测雨雷达 反演算法的影响

星载雷达在地面的足印可达数公里,强降雨团的特征尺度也仅为几公里,加上波束内各部分对回波的贡献是非线性的,研究不均匀性束内充塞效应（Non Uniform Beam Filling,或简称NUBF）对星载测雨雷达反演雨强算法的影响就显得非常重要。利用TOGA/COARE期间Ku波段机载雷达实测资料提供的不同的降雨结构进行不均匀性束内充塞效应的研究。     

X波段双偏振雷达不同衰减订正方法对比分析

利用旬邑X波段双偏振雷达数据,采用Zh-KDP综合法、Zh-KDP综合分类法、ZPHI降水廓线法和初始相位法进行衰减订正对比分析,并将订正后数据与西安C波段天气雷达数据进行对比检验。结果表明,4种订正方法均能对反射率因子进行有效订正,订正后强回波中心与KDP强中心基本吻合,可基本还原降水分布特征;采用ZPHI降水廓线法订正后出现条纹状误差回波,订正效果较差;不同订正方法均可使X波段雷达反射率因子与C波段雷达反射率因子间的相关性提高;采用Zh-KDP综合法、Zh-KDP综合分类法和初始相位法订正后,强回波中心位置与C波段雷达较接近,订正后的反射率因子平均值与C波段雷达反射率因子值接近,绝对偏差和相对偏差减小;Zh-KDP综合分类法和初始相位法订正效果相对不稳定,Zh-KDP综合法订正效果较好且稳定。     

星载测雨雷达探测频段选择仿真研究

在星载测雨雷达必须满足的3个基本条件的基础上,开展了风云三号(FY-3)星载测雨雷达最佳波段组合的研究.文中将高精度GCE(Goddard cumulus ensemble)模式中BOB飓风资料的大气廓线和水凝物廓线作为三维Quickbeam气象雷达模拟软件的输入,分别模拟了5、10、14、35和94 GHz 5个频点...     

A study of air/space-borne dual-wavelength radar for estimation of rain profiles

In this study, a framework is given by which air/space-borne dual-wavelength radar data can be used to estimate the characteristic parameters of hydrometeors. The focus of the study is on the Global Precipitation Measurement （GPM） precipitation radar, a dual-wavelength radar that will operate in the Ku （13.6 GHz） and Ka （35 GHz） bands. A key aspect of the retrievals is the relationship between the differential frequency ratio （DFR） and the median volume diameter, Do, and its dependence on the phase state of the hydrometeors. It is shown that parametric plots of Do and particle concentration in the plane of the DFR and the radar reflectivity factor in the Ku band can be used to reduce the ambiguities in deriving Do from DFR. A self-consistent iterative algorithm, which does not require the use of an independent pathattenuation constraint, is examined by applying it to the apparent radar reflectivity profiles simulated from a drop size distribution （DSD） model. For light to moderate rain, the self-consistent rain profiling approach converges to the correct solution only if the same shape factor of the Gamma distributions is used both to generate and retrieve the rain profiles. On the other hand, if the shape factors differ, the iteration generally converges but not to the correct solution. To further examine the dual-wavelength techniques, the selfconsistent iterative algorithm, along with forward and backward rain profiling algorithms, are applied to measurements taken from the 2nd generation Precipitation Radar （PR-2） built by the Jet Propulsion Laboratory. Consistent with the model results, it is found that the estimated rain profiles are sensitive to the shape factor of the size distribution when the iterative, self-consistent approach is used but relatively insensitive to this parameter when the forward- and backward-constrained approaches are used.     

对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究

针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。     

双线偏振雷达资料在数值模式中的应用: 模拟器的构建

基于Rayleigh-Gans散射原理构造一个S波段双线偏振雷达模拟器。模拟器考虑了云冰、雪、雨和雹4种水凝物,以水凝物的混合比和数浓度以及水凝物粒子的轴比、相对介电常数、下落倾角为输入量,计算得到水平/垂直偏振反射率因子、差分反射率、比差分相位等偏振量。通过二维理想飑线模拟的试验结果表明,模拟器合理地再现了二维理想飑线系统成熟期的主要偏振特征:雹的反射率较高,差分反射率较低(又称Zdr洞);对流云区的Zdr柱;层云区的反射率和比差分相位的0℃层亮带特征;雨滴反射率与差分反射率因子的“雨线”统计特征。利用该模拟器建立了模式变量和偏振雷达观测的联系,有助于未来将偏振雷达观测资料应用于模式预报效果评估及对流尺度资料同化等方面的研究和应用。      

Influence of drizzle on Z–M relationships in warm clouds

This paper addresses the sensitivity of the relationships between radar reflectivity (Z) and liquid water content (M) for liquid water clouds to microphysical drizzle parameters by means of simulated radar observation at a frequency of 3 GHz of modeled cumulus clouds. A power law relationship for non drizzling clouds with water content as high as 3 gm^− 3: Z_c = 0.026 M_c^1.61 is numerically derived and agreed with previous empirical relationships relative to cumulus and stratocumulus. This relationship is then used to explore the influence of drizzle on the correlation between radar reflectively and water content. Due to their large diameters with respect to cloud droplets, drizzle sized drops dominate radar reflectivity but do not carry the cloud water content so that reflectivity and liquid water content are expected to be not correlated in clouds containing drizzle. It is shown that for congestus or extreme congestus cumuli, microphysical conditions for which the Z_c–M_c relationship can be used with a tolerance of 5 and 10% are provided whereas for humilis or mediocris cumuli, the presence of drizzle breaks down the Z_c–M_c relationship whatever the situations.     

自动激光雨滴谱仪在雷达降水估测中的应用

利用Parsivel激光降水粒子谱与地面雨量计对2008年9月9号山西的一次混合降水天气过程进行分析,根据汾阳、介休两站的雨滴谱资料,利用最小二乘法拟合出反射率因子Z与雨强I的关系Zott=159Iott1.5,利用最优化关系法计算出地面雨量计与雷达反射率因子的关系Zrad=200Irain1.2,WSR_88D中默认的关系ZDef=300I1.4,然后分别利用3种Z-I关系对此次降水过程进行估测,计算过程累计雨量,并将估测降水结果与地面雨量计实测结果进行对比.结果表明:利用雨滴谱关系的估测降水效果最好,利用雨量计关系的估测降水结果次之,默认关系计算结果最差;第一者相对第二者提高4％左右,相对第三者则提高近18％左右.     

Radar measurements of integral parameters of hailstorms used on hail suppression projects

The exact quantitative estimation of hailstorm precipitation intensity, allowing determining successfully the crop hail damage, is extremely necessary while carrying out of programs of experimental researches of the hail clouds as well as at realization of operative projects on hail suppression. On the other hand, the possibility of obtaining a trustworthy information about changes of hailfall intensity during cloud seeding operations enables to judge more objectively about seeding effect and to make a decision about its beginning and termination. Just because of such a parameter, the kinetic energy of hailfalls presents a great interest for the researchers. As it is known, measuring the kinetic energy of hailfalls is carried out both directly by ground network of hailpads, and by radar methods. The accuracy of the radar methods of the hail kinetic energy measurement strongly depends not only on the choice of an optimum formula for calculation but also on the algorithm used for separating hail and rain parts of radar echo and on the way it was used in the hail–rain mixture zone of precipitation.The method of calculating the kinetic energy of the hailfalls, based on empirical dependence of hail probability P_h on a height of a zone of a radar echo with a reflectivity of 45 dBZ above a level of zero isotherm ΔH₄₅, is offered in the given work. The algorithm of separating hail and rain parts of a radar echo and the way it was applied in a hail–rain mixture zone is described. The examples of hail streaks in contours of radar reflectivity and in isopleths of hail kinetic energy obtained using the given algorithm are shown.In Mendoza province (Argentina), a hail suppression project (1993–1997) for the analysis of the vertical structure of a radar echo with Z_max > 45 dBZ, such new parameter is an integral altitude, was used. This dimensionless parameter is most sensitive to such a condition of radar echo when all four contours of increased reflectivity Z₄₅, Z₅₅, Z₆₅, and Z₇₅ synchronously reach the maximal values. The analysis of time distributions of the main radar parameters of hailstorms on a background of values of integral altitude is resulted. It is shown that local hailfall maximum intensities on the ground are observed after the achievement of maximum integral altitude with a certain delay. It enables to predict zones of the greatest hail damage in a mode of radar observation.     

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

Diurnal Variation in the Vertical Profile of the Raindrop Size Distribution for Stratiform Rain as Inferred from Micro Rain Radar Observations in Sumatra

The diurnal variation in the vertical structure of the raindrop size distribution(RSD) associated with stratiform rain at Kototabang, West Sumatra(0.20°S, 100.32°E), was investigated using micro rain radar(MRR) observations from January 2012 to August 2016. Along with the MRR data, the RSD from an optical disdrometer and vertical profile of precipitation from the Tropical Rainfall Measuring Mission were used to establish the microphysical characteristics of diurnal rainfall.Rainfall during 0000–...