利用星载双频测雨雷达与静止卫星红外信号研究降水云结构特征

发布时间：2020-07-15 18:47

【摘要】：降水是日常生活中最常见的天气事件之一,它在水循环、地气系统辐射收支等方面都扮演着极其重要的角色,并与区域和全球的气候变化有着紧密的联系。同时,降水存在着复杂性,其包含了锋面降水、对流降水、地形降水、气旋降水等多种不同类型的降水,各自的热-动力过程和微物理过程不同。因此,针对不同类型的降水云结构特征进行研究,可以帮助我们更好地认识不同类别降水云的形成和发展过程,为云和降水模式提供参数化依据,提高降水预报的准确性。本文利用2014-2018年共5年的全球测雨卫星(GPM)上搭载的双频测雨雷达(DPR)数据、向日葵8号(Himawari-8)静止卫星搭载的可见光红外扫描仪(AHI)数据及其它辅助数据,首先分析了DPR各类2级降水产品的差异和优劣性,接着重点研究了喜马拉雅南坡地形降水、中国东部不同云生命史阶段降水、北太平洋风暴轴区域温带气旋降水这3类不同的降水云的水平分布、垂直结构、大气环流、日变化等特征。论文主要取得的结论如下:1.DPR各降水产品差异分析依据扫描方式和反演方法的区别,GPM DPR提供了单频反演产品KaHS、KaMS、KuPR和双频反演产品DPR_MS。通过个例和统计分析显示,KaHS的回波顶高度最高,比KuPR高约0.1 km,其对弱降水(0.5 mm/h)的观测性能好,但对10 mm/h以上的强降水存在严重低估。KuPR继承了热带测雨卫星(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以下的弱降水探测能力有限。KaMS的整体降水强度分布与KaHS类似,但受高回波阈值限制,KaMS漏掉了大量的强降水样本,对强弱降水的观测性能均有限,故不适宜单独使用。DPR_MS的降水反演算法具有独立性,对强降水和弱降水结构的揭示能力都较强,其雨顶高度主要继承于KuPR的回波顶高度,并能够提供双频反演的粒子谱(DSD)廓线信息。2.喜马拉雅南坡地形降水特征在这一部分研究中,我们首先利用GPM DPR数据来识别降水系统,然后通过ERA-interim的地表风数据来将降水系统分为5类:上坡类、下坡类、自东的绕流类、自西的绕流类、微风类。地表风的引入是为了指示喜马拉雅南坡不同的地形降水作用机制,其有效性在我们的结果中得到了验证。通过个例及统计分析,我们的结果表明,上坡类降水系统由“热泵效应”触发,其数量最多,多于下午出现在海拔适中的山坡区域。下坡类降水系统主要由夜间的山谷风所驱动。它们均匀地分布在整个山坡和山脚区域,其近地表粒子浓度低、粒子半径小、降水率小且雨顶高度低。两种绕流类降水系统主要受喜马拉雅山脉的物理隔绝作用驱动,其多于早晨或傍晚处在山坡和山脚的交界处。其中自东的绕流类由于其底层气体来自水汽充沛的孟加拉湾,其降水率大且雨顶高度高。微风类降水系统是由地表感热作用(或者加热或者冷却)导致的,其大多数于正午或者午夜出现在山坡区域。它的雨顶高度较高但地表降水率却相对较小。3.云生命史对中国东部降水影响我们是利用2016年5-9月的GPM DPR数据识别了中国东部区域的降水系统。然后,通过观测降水事件前后Himawari-8 10.4μm亮温的变化将降水系统分为三种云生命阶段:发展阶段、成熟阶段、消散阶段。研究表明,不同云生命阶段的降水系统具有截然不同的特征,包括降水系统面积、对流比例、雨顶高度、云顶亮温等。发展阶段降水系统的对流比例最高,而消散阶段的降水面积最大。云的生命史同样影响了降水的垂直结构,各阶段降水云内的微物理特征不同,因此其降水粒子的特征各异。发展阶段降水粒子半径最大,但分布稀疏;成熟阶段降水粒子半径大、数浓度高;消散阶段降水粒子则半径小、分布稀疏。我们认为不同云生命阶段的降水结构特征各异与云内的水汽含量和气体垂直运动有关。4.风暴轴区域温带气旋降水通过使用GPM DPR和ERA-interim数据,我们统计研究了北太平洋风暴轴区域温带气旋的降水结构特征。根据温带气旋所处生命阶段的不同,其被分为4类:发展气旋、成熟气旋、消散气旋和短期气旋。我们结果表明各类温带气旋都有着一个“逗号”雨带,且降水在气旋中心的东北方向最为频繁。温带气旋的独特结构促进了气旋东侧的降水发展,但却抑制了其西侧的降水发展。相较于局地季节平均,温带气旋东侧的降水有着更大更密的降水粒子、强度更强、雨顶高度更高;而温带气旋西侧的降水则恰好相反。研究认为这两个区域内不同的水汽含量和气体垂直运动导致了温带气旋对降水截然不同的影响。此外,不同生命阶段的温带气旋对降水也有着不同程度的影响:发展阶段影响最强、成熟阶段其次、消散阶段影响最弱。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P412.2;P426
【图文】：

源不断得从海洋向陆地输送，使得水资源不断更新，促进了区域间的物质能量逡逑交换，在塑造地表形态多样性和生物多样性中起着至关重要的作用（Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ，逡逑２００６；０１＜：丨３１１（１１＾１１３６，２００６）（见图１．１）。由于降水２？中粒子密集，降水：２３：通常具逡逑有很强的消光性（Ｌｉｕ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００８），其通过吸收和反射短波辐射、吸收和发射长逡逑波福射，对地气系统的福射收支有着重要影响（Ｒａｍａｎａｔｈａｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８９；邋Ｋｉｍ邋ａｎｄ逡逑Ｒａｍａｎａｔｈａｎ，２００８；Ｗｉｌｄｅｔａｌ．，邋２０１３）（见图１．２）。此外，降水的发生还伴随着潜逡逑热的吸收和释放，对区域间以及大气各层结的能量输送也有着至关重要的影响逡逑（Ｊａｋｏｂ邋ａｎｄ邋Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ，邋２００８；邋Ｍｉｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３；邋Ｌｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３ａ）。然而，由于降水逡逑云的复杂性，对于降水云的微物理过程、动力热力特征、生命历程等相关认知逡逑仍然不足。采取多个角度对降水云的三维结构进行研究有助于提高这方面的认逡逑知，并为云模式乃至降水模式的发展提供观测依据（Ｓａｓｓｅｎ邋ａｎｄ邋Ｗａｎｇ，邋２００８）。逡逑Ｅｖａｐｏｒａｔｏ逦Ｔｂｔｅｌｗｒａｓｔｒａｌ逦Ｗａｔｅｒ邋ｖａｐｏ

源不断得从海洋向陆地输送，使得水资源不断更新，促进了区域间的物质能量逡逑交换，在塑造地表形态多样性和生物多样性中起着至关重要的作用（Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ，逡逑２００６；０１＜：丨３１１（１１＾１１３６，２００６）（见图１．１）。由于降水２？中粒子密集，降水：２３：通常具逡逑有很强的消光性（Ｌｉｕ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００８），其通过吸收和反射短波辐射、吸收和发射长逡逑波福射，对地气系统的福射收支有着重要影响（Ｒａｍａｎａｔｈａｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８９；邋Ｋｉｍ邋ａｎｄ逡逑Ｒａｍａｎａｔｈａｎ，２００８；Ｗｉｌｄｅｔａｌ．，邋２０１３）（见图１．２）。此外，降水的发生还伴随着潜逡逑热的吸收和释放，对区域间以及大气各层结的能量输送也有着至关重要的影响逡逑（Ｊａｋｏｂ邋ａｎｄ邋Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ，邋２００８；邋Ｍｉｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３；邋Ｌｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３ａ）。然而，由于降水逡逑云的复杂性，对于降水云的微物理过程、动力热力特征、生命历程等相关认知逡逑仍然不足。采取多个角度对降水云的三维结构进行研究有助于提高这方面的认逡逑知，并为云模式乃至降水模式的发展提供观测依据（Ｓａｓｓｅｎ邋ａｎｄ邋Ｗａｎｇ，邋２００８）。逡逑Ｅｖａｐｏｒａｔｏ逦Ｔｂｔｅｌｗｒａｓｔｒａｌ逦Ｗａｔｅｒ邋ｖａｐｏ

逦（３３ｓ，邋３４８１邋＾ｂｉｐ逡逑＾＾ｂｍｋｍ｜逡逑图１．２全球地气系统平均辐射收支示意图，引自Ｗｉｌｄ邋ｅｔａｌ．邋（２０１３）逡逑根据形成机理的不同，降水可被分为锋面降水、对流降水、地形降水、气逡逑旋降水等等。由于这些复杂的形成机理，不同类别的降水受到不同因素的影响。逡逑例如，云生命史影响着云的电荷、对流比例、面积等特征（Ｔａｋａｈａｓｈｉ，邋１９７５；邋Ｃｈｅｎ，逡逑１９８８；邋Ｍａｔｈｏｎ邋ａｎｄ邋Ｌａｕｒｅｎｔ，邋２００１；邋Ｗｉｔｔｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４），进一步地对中尺度对流降水逡逑的面积、降水率等有着重要影响（Ｆｉｏｌｌｅａｕ邋ａｎｄ邋Ｒｏｃａ，２０１３ｂ；邋Ｋｏｎｄｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００６；逡逑Ｉｎｏｕｅｅｔａｌ．，邋２００９）。复杂地形附近，由于地形的不同影响，其局地的环流存在多逡逑样性，这些不同的环流对地形降水有着重要影响（Ｈｏｕｚｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７ａ；邋Ｂｏｏｓ邋ａｎｄ逡逑Ｋｕａｎｇ

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本文编号：2756875