) 科学技术与工程卷米波测云雷达和机载探测仪在我国吉林对层状云进行探测使用 9 的反演方法反演了层状云降水的滴谱参数与液态水含量并与飞机观测资料进行了对比现使用毫米波云雷达于年在云南腾冲的外场观测中收集的数据采用 - 等反演空气垂直运动的方法利用毫米波雷达功率谱反演了

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舜铭汤
5 years ago
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1 第卷第期年月科学技术与工程!"!#$%& '##!"! '## 利用云雷达反演层状云空气垂直速度及微物理参数的个例研究段艺萍刘寿东刘黎平李曦 ) 徐亚娟王冠华苏艳南京信息工程大学耶鲁大学南京信息工程大学环境中心南京 )) 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京江西省气象服务中心南昌 ) 成都信息工程学院 ) 成都江西省人工影响天气领导小组办公室南昌 ) 江苏省无锡市气象局无锡 ) 摘要为了研究层状云内空气垂直运动特征深入了解层状云微物理性质通过雷达功率谱估算层状云内空气垂直运动速度反演得到了层状云的微物理参数值利用雷达实测反射率分布与反演的反射率谱分布的对比分析验证了反演结果的合理性研究结果表明对受湍流影响较小的层状云利用毫米波雷达的功率谱数据能够比较准确地反演空气的垂直运动及层状云的微物理参数值关键词毫米波雷达层状云文献标志码 * 层状云是一种分布范围很广且易产生降水过程的主要云系利用雷达探测数据反演层状云微物理参数是研究层状云降水潜力内部结构的重要手段目前主要使用波长较短的毫米波雷达对层状云进行探测研究由于云雨大气结构在时间空间上的复杂多变性以及相对探测难度较大了解层状云内空气垂直运动及微物理性质对于灾害性天气监测全球水分和能量循环以及气候变化研究具有重要的应用价值目前国内外利用雷达反演层状云内空气垂直运动及微物理性质的研究已有一定的进展 % % 提出了基于小粒子的速度谱低端法即假设采样体积内有雷达探测的最小粒子将最小尺度粒子在静止空气中的下落末速度与实测多普勒平均速度之间的差值作为空气垂直运动速度但是由于雷达本身灵敏度的限制该反演方法精度不高年月日收到第一作者简介段艺萍女工程师硕士研究生研究方向雷达气象学 '+%"&-%=$#.!+ ;!%& 等在年的大西洋层积云变换实验 *'E 中使用了 ++ 波长的多普勒雷达对大西洋层云的云滴谱分布数浓度和通量谱分布进行了垂直探测研究结果表明 ++ 云雷达在云雨降水的研究中有一定的优势 2 # 和 2% ) 在 ;!%& 的研究基础上使用飞机观测数据得出估算空气湍流强度的经验公式并利用该公式对空气湍流强度进行了估算同时结合云雷达探测得到的雷达回波强度多普勒速度多普勒谱宽三个基本参量反演出云滴谱参数还估算了卷云的冰水含量粒子数密度粒子有效半径等微物理参数并对比飞机探测的实验数据验证了反演结果的合理性 - 等使用多普勒功率谱反演了空气垂直运动速度该方法适用于含有大量液态小粒子的层状云反演结果主要受大气湍流的影响周丽娜运用三维云模式分别用雷达辐射计联合系统和单雷达进行云中雨水分布的反演将联合反演的精度与单雷达反演进行了对比彭亮等利用 ++ 多普勒雷达反演了云内空气垂直运动速度并讨论了空气湍流对反演结果的影响刘黎平等利用毫

2 ) 科学技术与工程卷米波测云雷达和机载探测仪在我国吉林对层状云进行探测使用 9 的反演方法反演了层状云降水的滴谱参数与液态水含量并与飞机观测资料进行了对比现使用毫米波云雷达于年在云南腾冲的外场观测中收集的数据采用 - 等反演空气垂直运动的方法利用毫米波雷达功率谱反演了层状云内部的空气垂直运动速度并以此为基础反演得到了层状云微物理参数值同时对比分析了反演得到的层云粒子反射率谱分布和云雷达实测反射率谱的差异讨论了反演结果的合理性毫米波雷达与观测资料本次观测收集了年月至年月的数据中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与云南省腾冲县气象局合作的外场观测数据在毫米波雷达观测中为提高数据的可用性采用垂直观测模式对层状云卷云毛毛雨大雨等天气过程都进行了完整观测收集了大量雷达探测数据外场观测使用的毫米波测云雷达是由中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与中国航天二十三所联合研制的该雷达波长为 ++ 探测距离达 1+ 距离分辨率达到 + 速度分辨率可达 + 回波强度精度小于 & 为单发双收极化机制采用定向扫描主要用于对各种类型云及弱降水的探测毫米波雷达采集的基数据包括回波强度多普勒速度速度谱宽退偏振因子经过改进后雷达还可收集功率谱数据试验表明该雷达可以探测云过程或带毛毛雨的厚层云过程的微物理结构具有高灵敏度高分辨率等特点其具体的探测指标如表所示反演方法介绍利用雷达功率谱估算空气垂直运动速度在层状云中由于典型的液态云粒子较小 4 + 其下落末速度小于 + 远远小于空气运动速度一般小 4 个量级因此在静态空气中雷达探测到的小粒子的多普勒平均速度应接近 + 即在雷达实测的功率谱分布中小粒子所占据的最左端的功率谱点所对应的多普勒速度接近 + 在雷达实际探测中最左端功率谱点所对应的多普勒速度即可作为空气垂直运动速度表毫米波雷达探测指标探测对象层状云卷云带毛毛雨的厚层云初生的积云等频段 :% 波段探测距离 1+ 峰值功率 < 工作频率 )) ;56 波长 ++ 距离库长 + + 噪声系数速度分辨率时间分辨率 99 点数 & + - 等使用该方法并利用毫米波雷达较高的速度分辨率以及对小粒子较高的灵敏度反演得到了北方层积云中的空气垂直运动速度并与飞机观测数据进行了对比对比结果发现该方法能够比较准确地反演出空气的垂直运动速度但是空气湍流对多普勒谱的扩展效应会对反演的结果造成影响 - 等研究后认为空气湍流造成的最大不确定性不超过 + 而彭亮等利用 ++ 多普勒雷达反演了云内空气垂直运动速度并讨论了空气湍流对反演结果的影响结果发现当湍流强度较大时利用该方法反演的空气垂直运动速度误差较大现在首先讨论毫米波雷达实测多普勒谱宽的有效性分析多普勒谱宽的主要影响因子选择使用空气湍流对多普勒谱影响很小的个例进行研究利用空气运动速度反演层云微物理参数在毫米波云雷达观测中收集的雷达基数据包括回波强度径向速度速度谱宽退偏振因子其中云雷达探测到的径向速度是指云粒子在静态空气中的平均运动速度和空气垂直运动速度 + 的矢量和其关系式为本文均取向下为正 + 而粒子在静止空气中的平均运动速度可表达为

3 期段艺萍等利用云雷达反演层状云空气垂直速度及微物理参数的个例研究 7 & & 式中 7 是在静止空气中直径为的粒子的下落末速度在层状云中云粒子的下落末速度与粒子直径的关系可表示为 7 在式中当粒子直径 + 时粒子为典型云粒子根据不同形状冰晶下落末速度经验公式换算取 + 当粒子直径 + + 时粒子主要为弱降水的毛毛雨粒子取 ) 层状云中考虑粒子均为液态云粒子其粒子质量的质量幂指数关系为式 ) 中 + + # + + ) 现假定层状云粒子分布为指数分布即 0 式中表示粒子数浓度表示粒子分布参数可以得到将式和式 ) 代入式并利用阶矩法利用式 4 式反演可以得到粒子数密度液态水含量 ( 平均直径有效半径. 等微物理参数反演公式 4 式 & + ( ) ( + ) ). 在式 4 式中代表了伽马函数其定义为, 1, 1 &1 利用分部积分法可以得到,,, 且个例分析天气情况与雷达回波特征毫米波测云雷达于年月日在云南腾冲对层状云进行了连续的垂直模式观测月日当天属于多云天气云层较厚地面未出现降水现选取月日 F F) 的雷达资料进行分析图是 FF) 这个时间段内的雷达回波图包括雷达回波强度 &B 多普勒速度多普勒谱宽退偏振因子等结合图的雷达回波图及图的 FF) 的 + 平均垂直廓线图可以看到该时段的云层分为上下两层上部云层云底高度约为 ) 1+ 云顶高度为 1+ 而下层云底接近地表云顶高为 ) 1+ 如图图所示横坐标表示毫米波雷达实测的多普勒速度单位为 + 纵坐标为雷达功率谱分布单位为 & 图图中的雷达回波强度定义为 &B"# 其中为雷达反射率因子多普勒速度为雷达照射体积内的平均速度定义为 )2 " 2 " &2 " 其中 '2 " 表示雷达功率谱分布函 )2 " &2 " 数多普勒速度谱宽表示粒子速度的分布宽度定义为槡 " )2 " 2 " &2 " 退偏振因 )2 " &2 子是指雷达通过水平通道发射水平偏振波而接收到垂直偏振波时反射率因子与雷达通过水平通道发射并接收水平偏振波的反射率因子的比值它主要是用来反映粒子形状的物理量图是 4 1+ 高度范围内层状云回波强度多普勒速度速度谱宽的垂直分布廓线图从图可以看到在下层云范围里回波强度最小值为 ) &B 最大值 &B 且随高度先递减后递

4 %'"( 科#学#技#术#与#工#程!" 卷图 $#$&!$ 年 % 月!% 日!!p $'!!!p "A 平均廓线 [之间' 谱宽范围在 &<$ R&<A) CZ 从图 $ 的回波强度*多普勒速度*速度谱宽的平均廓线$ 可以看到雷达探测参量随高度的变化趋势&从层云顶部到云内高度为 " IC 附近的范围内$ 回波强度* 多普勒速度* 速度谱宽随高度减小而增大%而在 " R!<* IC的层云范围内$雷达探测参量随高度减小先减小后增大$且在 $ IC附近取得雷达探测参量极小值%在!<* R&<( IC$ 雷达探测值出现先减小后逐渐增大的变化趋势' 在毫米波雷达垂直观测模式中$ 多普勒谱方差是由粒子谱方差* 空气湍流方差* 风切变方差和雷达波束宽度方差组成' 在忽略风切变方差和雷达波束宽度方差的情况下$ 多普勒谱方差由粒子谱方差*空气湍流方差决定$ 即多普勒谱宽主要由粒子谱宽*空气湍流谱宽决定' 在本例中$ 毫米波雷达探测的三个基本参量随高度的变化基本一致$ 其中多普勒速度谱宽变化范围较小$ 且与回波强度* 多普勒速度的变化趋势相吻合 " 图 $ 所示 # ' 这说明本个例中的多普勒谱宽主要由粒子谱宽决定$ 空气湍流对多普勒谱宽的影响较小$ 在利用雷达功率谱反演空气垂直运动速度时$可忽略空气湍流的影响' 图!#$&!$ 年 % 月!% 日!!p $%!!!p "& 雷达探测参量 *$ #"利用雷达功率谱估算云内空气垂直运动速度 "< $<!#小粒子的识别增$在 $ IC附近存在回波强度的最小值% 多普勒速要使用雷达功率谱估算空气垂直运动速度就度范围在 &<) R$<$CZ [之间$ 均为下沉气流% 速度必须判断云中是否存在液态小水滴' 在雷达的实

5 期段艺萍等利用云雷达反演层状云空气垂直速度及微物理参数的个例研究际探测中主要是利用退偏振因子判断雷达的退偏振因子是指雷达发射水平偏振波而接受垂直偏振波所测到的反射率因子和发射与接收水平的反射率因子的比值退偏振因子反映了粒子对入射波正交分量散射能量的大小与非球形粒子的空间取向有关在实际探测中当退偏振因子小于 & 时粒子为球形液滴当退偏振因子大于 & 时粒子为非球形冰相粒子和翻转粒子从图的雷达退偏振因子图上可以看到下层云层的退偏振因子小于 & 可判断下层层云存在大量液态球形液滴是典型的层状云分布因此我们将 4 1+ 高度范围内的下层层云作为本次研究的主要反演对象功率谱数据的处理及云内空气垂直运动速度的估算毫米波雷达的功率谱数据是对雷达回波信号进行时域积累脉冲压缩以及快速傅里叶变换等操作后得到的数据功率谱数据是雷达采集到的基础数据利用功率谱数据进行阶矩计算即可得到回波强度径向速度速度谱宽等雷达基数据我们对毫米波雷达收集的回波信号采用快速傅里叶变换 99 得到功率谱密度数据并选择连续测量的功率谱数据文件进行谱平均计算这样处理后的功率谱数据可以提高信噪比然后对同一高度层不同高度层进行三点谱线滑动平均这样得到的功率谱数据剔除了地物杂波的干扰有利于下一步分析在处理后的功率谱数据基础上采用分段法确定功率谱的噪声电平去除噪声电平后得到的雷达功率谱即可用来反演空气垂直运动速度图是毫米波云雷达采集的原始功率谱数据由于受到外界的干扰原始功率谱是由回波信号噪声杂波混杂在一起的分布谱图 ) 是经过谱平均三点平滑滤波处理后的功率谱数据在图 ) 中噪声电平与雷达功率谱相交的最左端边缘功率谱点所对应的径向速度即为空气垂直运动速度 FF) 毫米波云雷达同时收集了相应的功率谱数据经过快速傅里叶变换 99 共得到了个功率谱文件对连续的个功率谱文件图毫米波雷达实测功率谱图 ) 经过谱平均平滑处理后的雷达功率谱数据进行谱平均三点平滑噪声电平计算等操作后利用雷达功率谱共反演得到了组空气垂直运动速度值图是将得到的组空气垂直运动速度值进行平均三点平滑处理后的结果从图可以看到空气垂直运动速度范围在 4) + 之间而在 4 1+ 高度范围内空气为上升气流在 4 1+ 范围内空气为下沉气流图是利用估算的空气垂直运动速度通过公式得到的静止空气中的粒子平均多普勒速度如图所示粒子平均多普勒速度范围为 4 + 由于粒子末速度较大考虑层状云中主要为弱降水粒子我们取弱降水中的粒子下落速度公式并考虑层云粒子为指数分布对层云进行反演研究

6 科#学#技#术#与#工#程 %'")!" 卷图 *#功率谱估算得到的空气运动垂直廓线图 (#静态空气下的粒子下落平均速度 *$*"利用空气垂直运动速度反演层云微物理参数图 % 是利用粒子平均多普勒速度反演得到的云微物理参数值$包括粒子平均直径 2$ 有效半径 F/$ 粒子数密度 '& $ 液态水含量 N`c等' 如图 % 所示$ 在假定的指数分布情况下$ 反演得到的平均直径在 "&<% R'!<" #C 之间$ 有效半径在!*< A RA*<( #C 之间$数密度范围为 $( R* *$% 个 Z C" $ 而液态水含量的范围为 &<&&& &(! R&<&&! 5Z C" ' 从变化趋势上看$ 随着高度的减小$ 粒子尺度存在先减小后增大$ 再减小的变化过程$ 粒子数密图 %#反演的微物理参数值度和液态水含量均在 $ IC 附近存在极大值中心' * IC范围内$层云回波强度的变化是由于到云内!< 从反演结果的变化趋势可以看到&从云顶的 "<* IC * IC到云底回层云粒子尺度的变化引起的$而从!<

7 $% 期段艺萍$等&利用云雷达反演层状云空气垂直速度及微物理参数的个例研究 %'"' 波强度的增大是由层云粒子数密度增大引起的' +"结果分析比较反演结果的粒子反射率谱与反演时段内雷达实测反射率谱之间的差异$ 讨论反演结果的合理性' 在假定层云粒子为指数分布情况下 " +L&# $取粒子直径间隔 &<&&$ C$ 粒子最小直径 &< &&! C$ 利用反演得到的粒子数密度 '*分布参数!$ 得到了反演粒子的反射率谱分布% 同时$ 对反演时段内的雷达实测功率谱数据进行谱平均处理后$ 即可得到反演时间段内雷达实测的反射率谱分布$ 也即实际层云粒子的反射率谱分布' 图 ) 是选取高度分别为 &<( IC*!<)' IC*"<&' IC反演得到的反射率谱与同高度的雷达实测谱比 ( IC处较' 从图 ) 可以看到&在位于层云底部的 &< 的$反演得到的反射率谱与雷达实测反射率谱形状与分布范围比较类似$ 而雷达探测的反射率强度稍大于反演的反射率强度% 在高度为!<)' IC 的层云中部$反演谱与实测谱基本一致$ 差别不大% 而在层云顶部的 "<&' IC$层云粒子呈现双峰分布$ 这与反演谱的指数分布有一定的差异' 从上面的对比结果$ 可以看到& 反演的反射率谱与雷达实测反射率谱分布基本一致$ 差别不大$ 这证明利用空气垂直运动速度反演得到的层云微物理参数是合理的',"结论使用 $&!$ 年 % 月!% 日毫米波云雷达在云南腾冲的层状云观测个例$ 对云内的空气垂直运动速度及层云微物理参数进行了反演研究' 首先$ 介绍了该时间段的雷达回波特征$ 然后利用雷达功率谱反演了空气垂直运动速度$ 并以此反演得到了层云的微物理参数$通过毫米波雷达反射率谱数据验证了反演结果' 主要得到以下结论' 图 )#反演反射率谱与雷达实测反射率谱 "$# 通过对比反演的反射率谱分布及雷达实测 "!# 本次层状云过程从云顶到云内高度!< * IC 的反射率谱分布$发现利用雷达功率谱得到的空气处$层状云回波强度的变化是由粒子尺度变化引起垂直运动速度以及反演得到的层云微物理参数值的%而!<* IC以下$层云回波强度主要是由层云粒基本合理' 子数量决定'

8 ) 科学技术与工程卷参考文献 %% A!+!,%!!7%""!%& %! 6 %-&!+A!-%"!7*+! ) )) ;!%& ''2%-+!7"!-& &!"6%,$&!" %&%A!-%"!7*+! %& (%!"!#$ ) ;!%& '' &A?"!%-0'' 01!%"!7++ %&%7!+!"$#"!-& &! 6&,-!A!-%"!7 *+! %& (%!"!#$ ) )2 # 2%;;?-+! $%"!%& %+!! %-#"!-& %&%!"+!+@% *"#!+ &!A!-%"!7*"& 2!!"!#$*&?"+%!"!#$ ) 2%"@!"! 01( &# %"%+!!7!+"!-& %&%!"%A!-%"!7*+! %& (%!"!#$ ) 周丽娜 E 波段雷达和微波辐射计联合反演云中雨水含量分布的数值试验贵州气象 ) 彭亮陈洪滨李柏 ++ 多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究大气科学刘黎平宗蓉齐彦斌等云雷达反演层状云微物理参数及其与飞机观测数据的对比中国工程科学 )) 盛裴轩毛节泰李建国等大气物理学北京北京大学出版社 34),5)0! ))6)'6',)- 7 8,+-'.),. 8'.)03',5 *D#!-&!# # E ) ED%-% <*;;-%-% D% D%"?! *+! %:$%,!7<%?*%&+$!72!!"!#%" A%#02!!"!#%"? $!77!+%!!"!#$ A%#0<%2!&7%! %&#;!- (7 <-0+!!"!#%",-%- ))!&!-&$%%"+!! %%/ %"%$"!-& %& -&%& "!-& +! $%"!!-# %&%!/-++%!!7%""!$%""!-& +! $%"%%+%"-%#!!+%%%%"$!7%&%+%-& 7"$&,-!%& & 7"$-+&,-!7$%!%"$!7%"-"-"!/%7! "%$"!-& "%7&,$-,-" +"+/%%&%!/-+&%%%,%-%"$& %%"+!! %& "!-& +! $%"%%+%"- -, +"+/%%&%"%$"!-&%" 勘误表年卷期页栏行误正通苏洪波苏洪波通倒 5!#,! 5!#,!

气象第卷第期对流不稳定度

气象第卷第期对流不稳定度张芳华张涛周庆亮杨克明国家气象中心北京中国气象科学研究院灾害天气重点实验室利用上海自动观测站资料的逐小时分析资料水汽云图和多普勒雷达探测等资料对年月日上海飑线天气过程进行天气动力学诊断分析结果表明上海处在上干冷下暖湿的不稳定大气层结中对流层上层干冷空气的侵入和边界层暖湿气流强烈辐合是飑线天气的触发机制飑线以断续线型与后续线型相结合的型式形成在对流单体的右侧不断新生单体