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

发布时间：2020-04-25 14:17

【摘要】：云降水系统的产生与发展的动力、热力过程及内部的微物理特征是云物理研究的重点,其中,大气垂直运动和雨滴谱分布是人们重点获取云降水的微物理参量之一。中国气象科学研究院2016年于广东省龙门县观测站进行“华南季风云-降水试验”,垂直观测的Ka波段毫米波雷达作为云降水动力过程和微物理量的有效探测手段,参与本次实验的连续观测,本文据此开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究。首先,进行一次层状云降水过程的大气垂直速度和雨滴谱反演的试验,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。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MRR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。此外,运用2016年5月6日“华南季风云-降水试验”中Ka波段毫米波雷达的基数据和功率谱数据进行一次飑线过境的对流云降水个例的分析,并运用广东省广州雷达站的S波段双偏振雷达(简称SA雷达)为探测结果提供参照。根据SA的PPI图和CR的时间-高度演变图获得飑线过境过程。个例分析的主要结论如下:1)在18:00-18:30的飑线强对流云区,SA观测的回波强度、差分反射率因子、差分相移率的值表征在飑线对流区存在着较大的雨滴、强烈的降水。飑线主体的对流云区和层状云区,在零度层高度附近可能存在冰晶粒子或是冰雹的融化物;2)CR反演的大气垂直速度和雨滴谱中,飑线强对流区过境时,0-4km皆出现明显的达到4-5m/s的强上升速度,随着飑线逐渐转化为层状云区,上升速度逐渐微弱。16:04时刻的较大上升速度可能触发了16:50时刻较强的垂直对流。零度层以下的雨滴大小在1-4mm之间,高空雨滴较小,随着高度降低雨滴增大;3)比较SA和CR回波强度的偏差,两部雷达回波范围不同,CR在强对流部分由于强衰减,高空部分回波观测不到。定量比较中,CR和SA回波强度主要集中在12-24 dBZ,集中高度在8-10km,SA整体回波强度数值较大,数值分布集中;SA的平均回波强度在各个高度上均大于CR,随着高度增加回波相差减小,8.41km的平均偏差约为3.45dBZ,10.66km的平均偏差约为1.75dBZ;在3km处,CR和SA反演粒子平均直径的大小和变化趋势类似,粒子大小基本分布在0.8-2.0mm之间。
【图文】：

15图 4-1 2016 年 6 月 4 日 16:51 分不同高度的功率谱密度数据(单位：dB)：(a) SNRmin 阈值限制前、(b)SNRmin 阈值限制后

图 4-2 2016 年 6 月 4 日 16:07-17:21 各物理量时间-高度演变图:(a)衰减订正后回波强度、(b)衰减订正前回波强度、(c)雷达观测径向速度、(d)反演大气垂直速度4.2.2 大气垂直速度反演结果影响主要因素
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P407

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1 本报记者 杨s，

本文编号：2640334