基于雷达资料的降水云微物理参数反演及垂直结构研究

发布时间：2017-04-30 04:07

  本文关键词：基于雷达资料的降水云微物理参数反演及垂直结构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于L波段风廓线雷达(L-WPR)和C波段调频连续波雷达(C-FMCW),利用灾害天气国家重点实验室(LaSW)组织开展的2011年云南腾冲、2013年安徽定远、2014年5-6月广东阳江和2014年7-8月西藏那曲外场观测试验获取的高时空分辨率探测数据,进行新型探测系统的定量标校方法和返回信号谱分布处理,开展降水云的精细结构研究和雨滴谱反演研究,获取降水云垂直结构、降水云的融化微物理过程和融化层下的雨滴谱分布描述。算法研究包括：①计算雷达回波强度谱密度分布及回波谱参数；②垂直探测雷达的零度层亮带识别以及降水云分类；③回波功率谱分布反演雨滴谱分布,基于反演的雨滴谱分布进行降水云中降水微物理参数计算；④雷达回波谱参数反演雨滴谱参数。分别采用三种方法使用地面雨滴谱、雨量观测数据与雷达反演的空中雨滴谱结果进行了比较。降水云垂直结构分析表明孟加拉湾水汽通道上游层状降水云是主要降水云,对流降水较少；江淮地区雨季层状降水、混合降水和对流降水系统中,混合降水云是主要降水云；青藏高原那曲地区主要是对流云降水,发展深厚的对流降水云高度接近对流层顶部,生命史为几分钟-十几分钟的局地弱对流云连续出现,多层云结构明显。融化层回波强度变化主要受到折射指数改变、粒子下降速度变化和冰相粒子形状改变造成散射截面变化的共同影响。零度层融化带的分区分析表明融化层上半部表现为冰相粒子的融化和表层融化,下半部是粒子数浓度、粒径、形状、密度等变化引起了回波强度的快速减小。雨滴谱分布及变化在层状降水云中也存在差异,对雨滴谱分布进行模型拟合,gamma模型拟合率为0.92,优于M-P的0.83；两种模型的平均截断参数、斜率参数接近,随高度增加斜率参数逐渐增大。本文较为完整地从雷达系统、反演算法、数据处理及分析等几个方面开展降水云垂直结构与降水微物理参数研究,数据分析中发现了一些新的现象并揭示和解释了降水云中的一些微物理过程,还需要开展更多研究并对数据进行深入分析。
【关键词】：垂直探测雷达 降水云垂直结构 雨滴谱反演 亮带 融化微物理过程
【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】：2015
【分类号】：P412.25;P426.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-20
• 1.1 研究背景、目的和意义10
• 1.2 地基垂直探测雷达系统10-12
• 1.3 降水云垂直探测研究进展12-18
• 1.3.1 国内外观测试验进展12-15
• 1.3.2 降水云垂直结构研究进展15-16
• 1.3.3 融化层中微物理过程研究进展16
• 1.3.4 雨滴谱反演研究进展16-18
• 1.4 论文研究选题18-20
• 第二章 雷达系统及综合观测试验20-35
• 2.1 风廓线雷达探测降水云原理21-24
• 2.2 新研制调频连续波天气雷达概况24-29
• 2.2.1 FMCW雷达探测能力及技术优势24-25
• 2.2.2 C-FCMW雷达探测原理及信号处理方法25-27
• 2.2.3 C-FMCW雷达系统构成及研制技术难点27-29
• 2.3 开展的雷达系统联合观测试验29-33
• 2.3.1 L-WPR雷达开展的观测试验30-31
• 2.3.2 C-FMCW雷达开展的观测试验31-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 雷达系统定量标校技术35-53
• 3.1 风廓线雷达定量标校技术35-42
• 3.1.1 标准信号源绝对定标技术35-36
• 3.1.2 定量标校流程及实施36-39
• 3.1.3 数据比对试验39-42
• 3.2 C-FMCW雷达标校技术42-51
• 3.2.1 定量标校技术难点42-44
• 3.2.2 定量标校流程实施44-45
• 3.2.3 谱参数计算方法45-46
• 3.2.4 空间代表性分析46-48
• 3.2.5 数据比对试验48-51
• 3.3 本章小结51-53
• 第四章 数据处理及反演算法53-70
• 4.1 回波强度谱密度分布53-55
• 4.1.1 回波强度谱密度分布定义53-54
• 4.1.2 回波谱参数计算54-55
• 4.2 零度层亮带识别算法55-57
• 4.2.1 零度层亮带结构模型55-56
• 4.2.2 零度层亮带识别流程56-57
• 4.3 雨滴谱分布反演算法研究57-66
• 4.3.1 雷达探测信号功率谱密度分布58-59
• 4.3.2 大气垂直运动谱分布提取59-61
• 4.3.3 静止大气下的降水粒子谱分布分离61-64
• 4.3.4 降水粒子下降速度谱反演雨滴谱64-65
• 4.3.5 雨滴谱分布模型的建立65-66
• 4.3.6 雨滴谱分布计算降水参数66
• 4.4 回波谱参数反演雨滴谱参数66-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 降水云体垂直结构研究70-98
• 5.1 降水云垂直探测分类及数据处理70-72
• 5.1.1 降水云的垂直探测分类方法70-71
• 5.1.2 概率分布CFADs方法71-72
• 5.2 青藏高原东南边缘降水云垂直结构72-79
• 5.2.1 L-WPR雷达数据处理72-73
• 5.2.2 降水云分类73-77
• 5.2.3 降水云垂直结构特征分析77-79
• 5.3 C-FMCW雷达探测江淮梅雨锋降水79-90
• 5.3.1 C-FMCW雷达数据处理79-80
• 5.3.2 降水云分类处理80-87
• 5.3.3 提取三类降水云的亮带特征87-90
• 5.4 青藏高原主体降水云垂直结构特征90-96
• 5.4.1 设备与背景91-93
• 5.4.2 C-FMCW雷达探测降水云的典型特征93-96
• 5.5 本章小结96-98
• 第六章 层状降水云融化微物理过程98-113
• 6.1 零度层亮带中融化微物理过程98-99
• 6.2 垂直探测雷达探测零度层亮带99-103
• 6.2.1 亮度层亮带结构99-100
• 6.2.2 零度层亮带附近谱参数特征100-103
• 6.3 亮带回波强度谱密度分布特征103-105
• 6.3.1 回波强度谱密度分布展宽103-104
• 6.3.2 谱密度分布中的微物理过程104-105
• 6.4 垂直指向雷达融化层的探测研究105-111
• 6.4.1 亮带厚度与雷达回波强度105-106
• 6.4.2 亮带中的融化微物理过程106-111
• 6.5 本章小结111-113
• 第七章 层状降水云雨滴谱反演试验113-139
• 7.1 L-WPR雨滴谱分布反演113-121
• 7.1.1 雷达回波谱参数分析114-115
• 7.1.2 降水云雨滴谱分布特征115-116
• 7.1.3 雨滴谱参数时空演变特征116-121
• 7.2 C-FMCW雷达雨滴谱反演121-130
• 7.2.1 雷达回波谱密度分布反演雨滴谱分布121-127
• 7.2.2 空中与地面雨滴谱联合分析127-130
• 7.3 雷达回波谱参数估算雨滴谱参数130-137
• 7.3.1 算法检验130-134
• 7.3.2 个例试验134-137
• 7.5 本章小结137-139
• 第八章 全文总结与讨论139-145
• 8.1 总结139-142
• 8.2 技术难点及创新点142-144
• 8.3 问题和未来工作计划144-145
• 参考文献145-150
• 致谢150-152
• 个人简介152-154

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