GPM DPR产品在东北地区两类降水过程中的应用评估

全球降雨观测计划(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星自2014年2月发射以来,为高纬度地区的降水三维观测提供了基础,其搭载的双频星载测雨雷达(Double-frequency Precipitation Radar,DPR)反演的4种降水产品可以为中高纬度地区降水研究提供参考。本文利用GPM DPR提供的4种降水产品(Ka_HS、Ka_MS、Ku_NS和DPR_MS),对东北地区两次不同类型降水天气过程的降水结构特征进行分析,探究其宏微观特征的差异,并对GPM DPR的4种产品性能差异进行对比。结果表明:东北地区春季层状云降水的分布范围很广,大部分降水强度低于4.00 mm·h^(-1),且云系发展较为平缓,而夏季混合性降水的强度分布极其不均,且垂直方向发展较为旺盛,回波顶高度可达12 km。对比4种降水产品发现,Ka_MS降水强度、回波顶高度和降水类型划分都具有明显缺陷;Ka_HS可探测到更多的弱降水样本,但在雨强较大时也会出现严重衰减;Ku_NS能够提供较为可靠的回波顶高度和降水类型划分;DPR_MS产品具有独立表现,其中小于0.50 mm·h^(-1)的弱降水与Ka_HS的相关性较好,大于1.00 mm·h^(-1)的降水与Ku_NS有较好的一致性,此外,DPR_MS对降水和雨滴谱的垂直结构表征最合理。

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1. 2 dB和-1. 6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。

GPM双频降水测量雷达对降雪的探测能力分析

以双频降水测量雷达为主载荷的GPM卫星于2014年2月发射升空。由于轨道倾角以及仪器通道的设置,大大提升了对弱降水和降雪的探测能力。通过四次降雪个例,分析比较了双频降水测量雷达的三种扫描模式(Ku,KaMS和KaHs)对降雪探测能力的差异。结果表明:DPR相态产品和地面实际观测结果比较一致,固态降雪温度<-0.5℃并且降雪发生时的风暴顶高度大多<6 km。Ku波段雷达由于仪器灵敏度的大幅提高.对降雪的综合探测能力最强,而KaMs和KaHS也具有特定的作用。此外,为了保证衰减订正的精度,和非降雪部分的衰减相比,需要主要提高降雪衰减尤其是混合相态湿雪的衰减订正精度。

双频多极化空间降水测量雷达系统参数设计

新一代的星载降水测量雷达将普遍采用双频与多极化工作模式,双频率、多极化星载降水测量雷达是遥感探测技术发展的必然趋势。鉴于此,深入研究了新一代双频率、多普勒与多极化星载降水测量雷达系统技术,对双频多极化星载降水测量雷达与机载演示验证系统进行了系统参数分析与设计,着重分析了系统工作频率、极化方式、扫描角度、脉冲重复频率与发射功率等关键参数的选择,推导了脉压系统的雷达气象方程,为开展空间降水测量雷达系统研究提供了技术参考。

日美合作开发卫星双频降水雷达——能否续写TRMM的辉煌

2012年3月,美日合作项目GPM(the Global Precipitation Measurement,全球降水观测)中核心观测仪器——双频降水雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)研制完成后,从日本运抵位于马里兰州的NASA戈达德太空飞行中心。

基于双频星载降水雷达GPM数据的华南地区降水垂直结构特征分析

华南汛期作为我国雨季爆发的第一阶段一直是预报与研究的热点问题,对其降水-云宏微观垂直特性的认识还不够深入。双频星载雷达资料对强、弱降水三维探测进行优化,并补充对洋面降水的探测。借助这两方面优势,对华南对流性、层云性两类主要降水类型的垂直特征进行统计,分析降水反射率因子与降水粒子垂直分布、亮带特征与垂直分层降水贡献,对比华南陆地在回波顶高方面与南海洋面的异同,最后针对华南前后汛期的降水垂直分布特征进行分析。(1)对流性降水反射率因子快速增长区域主要发生在低层,层云性降水反射率因子快速增长区域位于亮带层附近。(2)当发生强降水时,对流性降水的粒子浓度并不是总高于层云性降水,但前者粒子半径大于后者;强层云性降水往往来自于大小均一的粒子聚集,并没有形成更大直径的液滴。(3)华南陆地回波顶高季节变化较南海洋面强烈,浅薄对流降水发生频率受季风影响从春至秋存在先增后减特征,深对流发生频率在夏季增幅显著。南海地区回波顶高虽无明显季节变化但在3 km和5.5 km存在明显的双峰特征。(4)前汛期对流性降水的高浓度、大尺度的粒子更利于向更高高度发展,而层云性降水粒子浓度及半径的垂直分布在华南前后汛期无明显差异。前后汛期回波顶高异同主要出现在广西中部,广东中部和沿海地区。

星载双频降水雷达数据融合技术

星载降水雷达是探测全球云雨分布的有效手段,可满足军事战场环境探测、武器精确打击、远距离兵力投送,全球气候与环境监测对云雨高精度定量观测和空间结构探测的迫切需求。1997年由美、日联合研制TRMM卫星,其主要载荷是降水测量雷达(Precipitation Radar,PR),用来研究大气和陆地对全球降水和气候的作用机理。PR运行以来发挥了巨大作用,但由于采用单一固定Ku波段工作,对小雨观测效果差。另外,PR采集的回波信息,对云的后向散射变化不敏感,因此观测的云雨目标准确性受到限制。

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明:卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。

GPM DPR雷达联合地面S波段雷达反演雨滴谱

针对GPM-CO DPR观测数据反演雨滴谱算法中存在的双值问题,提出通过匹配地面S波段天气雷达与GPM-CO DPR观测数据,为双值问题提供判断依据的方法。在建立反演查算方法的基础上,利用雷达仿真程序Quickbeam进行算法的理论验证,并使用观测数据进行实例验证。理论验证的结果表明,反演结果数据和输入数据的相关系数达到0.99以上;实例验证的结果显示,利用此反演算法得到的雨滴谱可以反映降水过程中雨滴粒径的分布情况,在一定程度上解决双值问题。

基于GPM卫星探测的夏季高原涡降水结构特征

利用GPM卫星的双频反演产品DPR_MS和ERA5再分析数据,对2016~2020年夏季青藏高原上空能被GPM卫星探测到的32例高原涡降水特征进行研究。结果表明:(1)高原涡在高原上降水强度偏小,绝大部分低于2 mm/h,雨顶高度主要在6~9 km。降水类型以深厚弱对流为主(占59.64%),其次是浅薄降水(占40.35%),深厚强对流极少。(2)高原西部降水涡绝大多数为深厚弱对流、平均雨顶高度明显高于东部涡,但东、西部涡的平均降水强度没有明显差异。浅薄降水频次呈“东高西低、北高南低”的空间分布特征,深厚弱对流降水则相反。(3)深厚弱对流降水受高原涡强上升运动影响显著,在6.5~7.5 km高度有大量有效半径为1.1 mm的雨滴粒子堆积,近地面较强降水(7 mm/h)的雨滴破碎过程明显。浅薄降水的反射率因子在各个高度持续增大,其地面降水主要由雨滴粒子碰并形成,地表雨强受雨滴浓度影响明显。

FY-3气象卫星降水探测能力分析与展望

降水是全球能量/水循环中的重要过程。本文着重分析FY-3气象卫星降水探测能力,展望风云卫星后续规划中降水探测技术的发展前景。分析表明,以FY-3降水星为主星,与其他FY-3极轨卫星组成的FY-3气象卫星降水探测体系,在设计层面上,从载荷类型、数量、通道设置等方面均优于由美国发起并已在轨运行的全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)计划核心星的设计性能。FY-3降水星设计装载Ka/Ku双频降水测量雷达,卫星轨道设计覆盖南北纬50°范围内的中低纬地区,对影响我国区域的台风暴雨等强对流天气系统结构具有三维探测能力。FY-3气象卫星星座的降水探测能力为气象防灾减灾提供了基础支撑。

基于GPM/DPR数据的北疆地区降雪云宏观结构和微物理特征分析

利用GPM/DPR双频降水雷达资料、FY-2E卫星资料和地面降水实况,对新疆北部四次成熟期降雪过程的红外亮温、水平分布和垂直结构特征进行了分析。结果表明:降雪云团的云顶亮温集中在210~245 K,降雪云主要为层状云,中云对降水率贡献最大,近地面降水率多分布于0.5~2.0 mm·h^(-1),回波顶高主要集中在3.0~4.5 km范围内,回波顶高与近地表降水率强弱变化存在正相关;雷达反射率因子(Z)范围在22~35 dBz,强回波中心高度主要分布在1.25~4.50 km;质量加权平均直径(D_(m))为1.01~1.25 mm和粒子数浓度(dB N_(w))为32~36的配置贡献的降水最多,对应的高度范围为2.19~2.50 km和2.13~2.67 km;近地表由碰撞-聚并过程产生的大粒子较多,近地表附近D_(m)达到了2.33~3.00 mm,Z和D_(m)朝地面几乎恒定或稍有增加,Z和D_(m)数值大小与地表降水量变化呈正相关特征。

基于GPM资料的四川盆地及周边地区夏季地形降水垂直结构研究

基于ETOPO1高程资料将四川盆地及其周边区域分为平原、山地、高山三类地形,利用2014-2021年5-9月的GPM DPR资料,对发生在三类地形上的层云和对流性降水事件进行统计,并分析对比不同地形下强降水的垂直结构特征。研究表明:(1)相较于其他雨强等级的降水,平原对流性弱降水的降水粒子在近地层受蒸发作用最为明显,反射率因子波动较大且呈减弱趋势。对流性强降水中,随着地势抬升,反射率因子中心高度也随之升高。(2)对流性强降水中,随着地势升高,因地形作用形成的强上升气流利于雨滴碰并聚合成大雨滴的同时也更易使降水粒子破碎形成小雨滴,从而导致大雨滴(粒子质量加权平均直径Dm≥2.6 mm)出现的概率增大,D_(m)分布域宽度增宽;层云性强降水中,高山冻结层高度以下的中等直径降水粒子(1.4 mm≤D_(m)≤1.65 mm)出现的概率比平原大。(3)对流性强降水中,平原的粒子数浓度参数dBNw高频区的分布较山地和高山更为集中,而层云性强降水的情形正好相反。相较于平原,高山的降水粒子在10 km以上呈现数浓度较低、尺度较大的特征。(4)雷达反射率、D_(m)和dBN_(w)三者之间关联密切。冻结层以下,对流性强降水粒子的D_(m)高频区分布范围与雷达反射率高频区的分布区间高度吻合。对流性强降水的降水粒子在近地面的D_(m)比层云性强降水的大,但其dBN_(w)却比层云性强降水的小。本研究有助于从云微物理过程和降水垂直结构视角深入认识地形对强降水的影响。

基于GPM卫星双频降水雷达的地面降雪识别算法

继搭载在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星上的降水雷达PR(Precipitation Radar)之后,GPM(Global Precipitation Measurement)核心观测平台搭载了全球首个双频降水雷达DPR(Dual-Frequency Precipitation Radar),其对降雪的探测能力备受人们关注.本文基于GPM双频降水雷达的探测数据,以三次降水过程(包含降雪、积层混合性降雨和冬季层状云降雨)为例,利用Ku和Ka双波段三个参量(即测量双频比DFRm垂直廓线斜率、回波顶高、垂直方向上Ku波段最大反射率因子)计算的降雪指数SI(Snow Index)来识别地面降水相态.结果表明,若不使用辅助信息(0℃等温线高度等),利用SI原计算公式能很好地区分夏季降雨和降雪,但较难区分冬季降雨和降雪.为了提高冬季降雨和降雪的分辨效果,改进了反射率因子的质量控制方法,用最小二乘法计算DFRm垂直廓线的斜率,结果显示改进后地面降雪识别结果与地面自动站观测结果有较好的一致性.

中国星载降水测量雷达首次校飞试验——雷达性能指标分析

2010年9月—10月成功开展的中国首次Ku/Ka双频星载降水测量雷达校飞试验,获得了宝贵的机载雷达实测数据和地面、海面同步观测数据,以及热带降雨测量卫星所携带降水雷达的同步观测数据。本研究给出了校飞试验中获得的Ku/Ka双频降水测量雷达探测结果;对Ku/Ka频段机载雷达与车载气象雷达数据进行了点对点比较,计算了定量指标,从统计意义上表明观测的一致性;并对比分析了校飞雷达数据与星载降水雷达数据,揭示降水测量雷达仪器的降雨探测能力;利用降雨和晴空海面实测数据给出了Ku/Ka频段雷达探测灵敏度和实际距离分辨率的分析结果,验证了Ku/Ka频段降水测量雷达的性能指标。

基于非表面参考技术的机载双频降水反演结果分析

双频降水测量雷达是我国计划发射的风云三号降水测量卫星上的主载荷。双频测量能够较好地估计粒子谱分布参数,提高降雨率定量反演的精度,对双频降水反演算法的研究是降水产品业务化的基础。首先介绍基于非SRT的双频降水反演算法的主要原理,随后采用模拟数据对反演算法的精度进行检验,并选取机载雷达外场校飞试验中的实测数据,分析了机载雷达降雨探测的合理性。结果表明:双频反演的DSD参数基本合理,能够准确地反映出层云降水中亮带的峰值信息,并且和在轨同步观测的星载降水测量雷达PR的探测结果相近。此外,还探讨了随机选取的机载反射率因子廓线的双频反演结果以及可能引起反演误差的原因,结果发现相态转换的高度以及水的体积比可能对4km附近及其以上的区域有一定的影响,对4km以下的部分则影响不大。同时温度对反演结果的影响主要集中在3.5km附近,在其他高度层,温度的影响基本可以忽略。同时降雨率的精度还受到雷达系统误差的制约。总体而言,机载双频降水反演结果具有一定的精度,基本符合当时机载外场试验的实际天气状况,从而验证了机载雷达降雨探测的合理性。