不同波段垂直探测雷达对降水云雨滴谱反演效果对比分析

在对云微物理的研究中,雨滴谱是一个重要参量,对理解云内成雨机制的探索、人工增雨效果的检验等方面都具有重要意义。利用2016年4-5月广东龙门的个例,讨论Ka波段毫米波雷达和C波段调频连续波雷达探测能力的差异,对比它们在不同云个例中雨滴谱的反演情况,得到如下结论:由于C波段雷达的波束宽度比Ka波段雷达大很多,故在小粒径区的探测上,其粒子数浓度略大,但最终对雨滴谱分布的拟合影响较小。探测层状云时,两部雷达对雨滴谱的反演效果基本一致;探测积层混合云及积雨云时,Ka波段雷达反演的雨滴谱数浓度从粒径约为1.2 mm处开始小于C波段雷达。米散射和衰减对雷达反演雨滴谱的影响本质上是作用在功率谱密度上,导致大粒径雨滴谱反演的偏低及回波强度的偏低,故在雷达回波订正上可以考虑从功率谱密度入手进行订正。

X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究

X波段双偏振雷达观测参数能够完成雨滴谱反演,但是由于X波段雷达波长较短,降水观测时存在较大的衰减,本文采用自适应约束算法进行反射率和差分反射的衰减订正。通过对雨滴模型的散射模拟以及对雨滴谱进行Gamma谱拟合,建立了雨滴谱参数与双偏振雷达目标参数之间的函数关系和雨滴谱参数相互之间的关系,用于进行雨滴谱反演。将雨衰减订正前后的雷达目标参数进行雨滴谱反演并与实测雨滴谱进行对比,结果表明,所建立的X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法能够较好地反演雨滴谱,并且经过订正后反演得到的雨滴谱在浓度、尺度和谱形上都优于订正前的反演结果,通过对距离高度扫描和平面位置扫描数据进行雨滴谱反演,可以得到雨滴谱参数的垂直结构和水平分布,可用以进行降水分析。

风廓线雷达资料反演雨滴谱和水汽通量的研究

对2010年7月20日南京浦口地区发生的一次强降水过程,用WP-3000风廓线雷达反演了其雨滴谱分布和垂直水汽通量。并对雨滴谱进行了M-P指数拟合,求得了降水前期、中期、后期和即将停止时的浓度参数n0和尺度参数λ随高度的变化。同时利用该雷达反演了这次降水过程的回波强度、折射率结构常数和信噪比时间序列图,发现三者有很好的对应关系。结果显示:(1)n0和λ随着降水的发展而发生变化,n0在降水达到最强之前达到最大值,λ在降水最强时出现最小值;(2)n0在大气低层波动比高层明显,λ则在整层少有波动;(3)雨滴大小,随雨强的变化而变化,小雨滴数量多于大雨滴,但影响雨强的主要是大雨滴;(4)整个降水过程中近地面垂直水汽通量处在不断变化之中,但在雨后,表现为水汽向上输送。

测雨雷达反演雨滴谱剔除垂直气流方法的研究

在测雨多普勒雷达反演雨滴谱中,垂直气流对反演结果影响较大(下沉气流大于1m/s时,直径误差超过40%)。用平均末速度法估计垂直气流速度,反演雨滴谱。与地面雨滴谱对比观测表明,消除垂直气流影响后测雨雷达反演的雨滴谱分布更加合理,和地面雨滴谱仪的一致性更好,平均相对偏差减小8%以上;从通过雨滴谱计算的雨强分析,大雨强时偏差减小得更明显,平均达到25%。说明这种方法在测雨雷达反演雨滴谱中具有重要参考价值。

基于新型观测算子的双偏振雷达雨滴谱变分反演

提出一种基于变分理论的双偏振多普勒天气雷达反演雨滴谱方法,最优反演雨滴谱的同时可实现衰减订正。反演过程中使用一种新型观测算子,利用滴谱仪实测数据计算状态变量和双偏振参量,使观测算子更能代表本地降水特性。将新型观测算子、误差协方差矩阵和状态变量的先验估计用于代价函数中,基于高斯-牛顿迭代方法求解代价函数得到最优雨滴谱。利用理想模拟试验和南京信息工程大学C波段双偏振多普勒天气雷达实测个例对算法进行验证和评估。结果表明:算法反演得到的状态变量(液态水含量LWC和质量权重平均直径Dm)与滴谱仪数据计算结果的相关系数达到了0.96和0.80,相对偏差为25.19%和10.63%,均方根误差比常规反演结果改善了50%左右,比基于模拟观测算子的变分反演结果改善了30%左右,最优反演雨滴谱得到的降雨率R和雨量计数据相关系数达到0.89,相对偏差为14.78%。

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。

反卷积算法在风廓线雷达探测降水中的应用

大气垂直运动的不均匀性展宽了降水信号谱,影响了雷达探测反演的雨滴谱分布。为了消除大气运动不均匀性对雨滴谱反演精度的影响,需要对雷达接收到的降水谱进行反卷积处理。文章通过一种改进的反卷积算法对实际雷达探测降水信号进行了处理,比较分析了反卷积处理对雨滴谱反演的影响。