基于地基毫米波雷达等多种资料的云高观测对比研究

发布时间：2020-06-02 01:42

【摘要】：云高是云物理学研究中最基本且十分重要的参数之一。当前云高探测手段多样,但由于探测原理的不同会造成云高观测数据的不一致。进行探测和反演理论分析,开展不同方式的测量结果的对比验证,系统地比较和分析其准确性和差异性,从原理上进行数据订正以提高多源云高观测数据的可比性和一致性,十分必要。本研究基于国产地基毫米波雷达、激光云高仪、无线电探空、FY-2静止卫星、地基红外传感器(IRT)等观测设备和数据,研究并探讨各仪器原理、性能和云高参数反演方法,以毫米波雷达观测的云高为参考分别与探空、卫星和地基红外传感器反演云高进行对比验证,分析其一致性、差异性及其主要影响因素,并综合考虑各资料特点构建云高数据集。主要研究结果如下:(1)对布设于北京南郊观象台Ka波段地基毫米波雷达2016年观测的云垂直结构特征进行统计,平均云底高度4.39 km,平均云顶高度7.69 km,北京地区晴空占比较多,夏半年有云样本比例比冬半年偏多,中高云样本数高于低云样本数,云高分布呈现春夏高、秋冬低的季节变化特征。(2)毫米波雷达与激光云高仪云底高度比较结果显示,二者相关系数高达0.95,但激光云高仪因衰减强烈,除测量云底高度外基本不能进行云垂直结构的探测,受大气低层气溶胶影响,其整体上对于云底高度高于6 km的云来说检出率较低。毫米波雷达是探测云宏观垂直结构的有力手段。(3)用无线电探空温湿廓线判定云垂直结构并与毫米波雷达观测结果对比,二者云底高度差值平均小于200 m、云顶高度差值平均为1400 m,云高变化趋势相关系数大于0.8。某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较好的一致性。(4)用FY-2 CTT产品反演云顶高度并与毫米波雷达观测结果对比,二者云检测一致率78.1%,云顶高度差值平均值为1.46 km,云层越厚、回波强度越大、云体越连续,二者云顶高度的一致性越好,中低云的云顶高度差异明显小于高云。针对FY-2静止卫星反演高层卷云云顶高度偏低的问题,提出了相应的订正方案,订正后的卫星云顶高度与毫米波雷达云顶高度更加一致。(5)基于地基红外亮温数据反演云底高度并与毫米波雷达观测结果对比,二者云检测一致率81.6%,云底高度相关系数0.62、偏差为0.1 km,该结果优于IRT云底高度原始产品。但低层薄云IRT探测的云底高度偏高,高层薄云IRT探测的云底高度偏低。(6)基于毫米波雷达、IRT、FY-2G云高观测数据,初步构建了一个2016年北京地区1 h分辨率的云高综合数据集。与单独的观测相比,该数据集将缺测率降低至1%。与毫米波雷达相比,其与“第三方云高观测”(如探空云高)的欧氏距离更小,相关系数也有所提高。
【图文】：

外形图,雷达系统,外形图,毫米波雷达

２．１．１．１系统参数逡逑本研宄所使用的毫米波雷达是由中国气象局气象探测中心和西安华腾微波有限责逡逑任公司联合研制的Ｋａ波段３５邋ＧＨｚ全固态多普勒雷达（图２．１）。发射功率＞５０邋Ｗ，测逡逑量高度约为１２邋ｋｍ，垂直分辨率３０邋ｍ，，时间分辨率１邋￣邋６０邋ｓ可调。毫米波雷达系统参数逡逑见表２．１。逡逑该雷达采用２．４邋ｍ邋口径圆形抛物面天线，固态功率器件合成发射机，高稳定度、低逡逑相噪频率源，大动态接收机，数字式信号处理机，并具有发射机脉冲功率测量、接收机逡逑１３逡逑

毫米波雷达,昆虫,杂波,夏季气温

逑灰尘、昆虫、水汽等较为敏感（周唯一，２００８）所致。接地杂波呈现明显的季节变化，逡逑夏季气温高，湿度大，昆虫、鸟类的活动频繁，对雷达干扰加大。另一种是类似于图２．３ａ逡逑所呈现的“随机噪声”状态的杂波，可能是由于雷达工作状态不稳定、信号处理过程等逡逑所致。逡逑—ｉ—－—ｉ—ｉ—ｉ—！—ｉ—Ｉ—ｉ—ｉ—ｉ—｜邋＿２0逡逑■邋－２0｜邋＇逦？逦Ｊ逡逑；逦ｊ逦Ｊ逡逑００：００邋０２：００邋０４：００邋０６：００邋０８：００邋１０：００邋１２：００邋１４：００邋１６：００邋１８：００邋２０：００邋２２：００逦逦逦逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ｉ邋ｉ逦，逦ｉ邋，邋ｉ逦＾２0逡逑；「逦：逦Ｉ邋ＢｊＨｆｌ逡逑！邋６－逦－逦１－２０邋ＩＩ逡逑Ｉ逦ｊ３０『．一ｊ逡逑■逦．逦．逦．逦，逦，？？？，：？邋．？逦－邋ｒ逦；－逦Ｈ－４０逡逑００：００邋０２：００邋０４：００邋０６：００邋０８：００邋１０：００邋１２：００邋１４：００邋１６：００邋１８：００邋２０：００邋２２：００逡逑２０１５．０１．１９逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图２．２毫米波雷达地物杂波对比（ａ．夏季，ｃ．冬季）及相应时刻的全天空成像仪图（ｂ．邋２０１５年７逡逑月３日１３时，ｄ．邋２０１５年１月１９日１２时）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｌｏｕｄ邋ｒａｄａｒ邋ｃｌｕｔｔｅｒ邋ｉｎ邋（ａ）邋ｓｕｍｍｅｒ邋ａｎｄ邋（ｃ）邋ｗｉｎｔｅｒ邋
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P426.51

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