降水微物理过程的C波段垂直指向雷达反演研究

降水微物理过程是对空中雨滴的蒸发、碰并和凝结等演化过程的最直接描述。对降水过程中微物理特征的分析,有利于提高对云体的认识,为降水估计与数值模式参数化提供技术支撑。研究依托中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在广东龙门建立的超级观测站,基于C波段调频连续波雷达高时空分辨率的多普勒功率谱数据。分析了2020年6月6-9日(前汛期),受西南季风影响,形成的一次持续时间长、累积雨量大、降水分布不均的降水过程中的几种典型对流单体的空中微物理特征。

C波段调频连续波天气雷达探测系统及观测试验

对降水云更高时、空分辨率观测资料的需求推动了天气雷达技术的发展,调频连续波雷达(FMCW)系统采用收发分置双天线体制,采用数字直接移相(DDS)技术和快速傅里叶变换(FFT)信号处理技术,获取高度分辨率达到15、30 m,探测周期2—3 s的回波功率谱分布和谱参数,具有脉冲多普勒雷达无法比拟的探测优势。C波段FMCW(C-FMCW)雷达最小可测信号功率达到-170 dBm,微弱信号的定量标校是技术难点。采用标准信号源输出单频信号,经过数字直接移相扩展为与雷达系统相同扫频范围信号,得到最小输入功率可达-169.77 dBm的定标曲线,由定量标校后的谱分布计算得到回波强度谱密度分布。该雷达于2013年6月起在安徽定远开始观测,利用8月24日降水过程探测数据,与距离该地48 km的蚌埠和83 km的合肥SA扫描雷达观测数据,分别进行对流云与层状云的观测比对分析。对于均匀分布的层状降水云,C-FMCW雷达与SA雷达探测结果基本接近,C-FMCW雷达与蚌埠SA雷达的平均均方根误差为1.75 dB,与合肥SA雷达的平均均方根误差为2.02 dB,C-FMCW雷达与两部SA雷达探测的回波强度差异小于1 dB。对观测试验谱参数及回波强度谱密度分布进行了初步分析,C-FMCW雷达在研究降水云体的相态分区、晴空大气边界层回波等方面有较好的应用前景,有助于加深对强降水云中垂直运动的强烈变化的探测和认识。

不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题,常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息,该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论,以期改进衰减订正方法。对2014 2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明:3部雷达功率谱谱型基本一致,具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降,当降水下落末速度达临界速度时,会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短,受衰减影响越大,衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移,最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水,单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大,此时需要考虑降水粒子谱分布,在功率谱层面上对订正进一步改善。

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。

多种波长雷达数据一致性分析

利用'华南季风降水试验'联合观测资料,对比了Ka波段云雷达和C波段连续波雷达对非降水云和降水云宏观结构的观测结果,定量对比了Ka波段云雷达、C波段连续波雷达、Ku波段微降水雷达和雨滴谱仪的探测回波强度和径向速度,对比分析了Ka波段云雷达和Ku波段微降水雷达云-降水的功率谱密度数据,得到了如下结论:(1) Ka波段云雷达和C波段连续波雷达对不同类型云的探测结果在回波整体的形状、高度及随时间演变上是一致的,云雷达对云的探测灵敏度要略高,对云边缘、云底和云顶的弱回波探测能力更强,但云雷达探测积云和降水云时稍微回波强中心偏弱,两部雷达探测的径向速度和谱宽较为一致;(2)弱降水条件下,Ku波段微降水雷达探测的回波强度较雨滴谱仪偏弱,但偏弱的最大平均误差在-2. 84d BZ,微降水雷达的探测结果基本可靠;(3)弱降水条件下,云雷达和连续波雷达探测的回波强度较微降水雷达分别偏弱4. 81 d BZ和3. 01 d BZ,三者回波强度统计的相关系数分别为0. 842、0. 887和0. 920 (Ka-Ku,C-Ku,Ka-C),在考虑衰减、雷达采样体积差异、雷达灵敏度和天线积水等因素后认为3种雷达回波强度探测结果均较为可靠;(4)微降水雷达探测的径向速度分别比云雷达和连续波雷达偏小0. 59m/s和1. 02m/s,统计的相关系数分别为0. 835、0. 690和0. 9442 (Ku-Ka,Ku-C,Ka-C),云雷达和连续波雷达探测的结果较为一致,造成微降水雷达径向速度偏小的原因与多普勒速度谱偏移和多普勒速度谱速度模糊现象有关。

FMCW技术在气象雷达中的应用及青藏高原云探测

调频连续波技术(FMCW)探测气象目标具有测距测速精度高、测距盲区小、峰值功率低,系统动态范围大,灵敏度高等优势。文中给出了C波段调频连续波雷达(C-FMCW)探测原理、系统构成、微弱信号的定标以及相关微弱信号定标的解决方案。C-FMCW雷达于2014年7月和8月在西藏那曲地区开展了高原观测试验,文中给出了三类典型的高原降水云观测实例,揭示了高原降水云的结构特征。