基于Ka/Ku双波段回波强度差约束和多普勒功率谱的微物理和动力参数反演方法和应用

回波强度定标误差、天线水膜衰减和雨区衰减造成的回波强度偏差对云雷达反演微物理和动力参数有非常重要的影响,准确分析这些偏差对提高反演精度至关重要。为了消除云雷达因定标和天线罩等引起的回波强度和功率谱大小的影响,实现高精度和雷达全观测范围的反演,本文提出了基于Ka/Ku双波段云雷达回波强度差约束和回波强度谱密度数据的降水内空气垂直运动速度和雨滴谱反演方法(DWR-SZ),并将该方法应用到2020年6月8日和2021年6月1日华南两次对流性云降水垂直结构观测数据,利用雨滴谱仪数据分析了该方法反演结果的改进程度,分析了上升速度对反演的回波强度和微物理参数的影响。该方法首先融合双波段云雷达反演(DWSZ)和单波段小粒子跟踪方法(ST)方法反演的云内空气垂直速度V_(air),形成全观测域的V_(air),然后利用DWSZ方法得到微物理参数初估值,并计算衰减影响,最后利用双波段回波强度差(DWR)调整回波强度系统偏差和反演的微物理参数,使DWR-SZ方法正演得到的DWR与雷达观测值差到达极小。结果表明:(1)采用脉冲压缩技术的高雷达灵敏度模式与采用短脉冲的低灵敏度模式相比,DWSZ方法反演的V_(air)与雷达灵敏度相关性非常小,结果稳定,但这种方法只能应用于含有大粒子的液体降水区(粒子直径大于1.8mm);小粒子跟踪ST方法通常低估V_(air),但在低层的35 dBZ以下降水V_(air)低估程度不大,且灵敏度提高会极大改进Ka波段雷达反演能力;两种方法融合的V_(air)比较合理;(2)雨区衰减和距离是造成ST方法低估V_(air)的主要原因;而固态降水的功率谱非常窄而且陡,灵敏度对固态降水区V_(air)影响不大;(3)采用DWR作为约束,有效减小了回波强度的系统偏差和天线水膜影响,提高了微物理参数的反演准确率;(4)ST方法反演的V_(air)高估了粒子数密度,液体含水量(LWC)和衰减系数,低估了粒子大小,但对天线水膜引起的回波强度系统偏差影响不大。

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku(Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm)双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度(SZ)数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度(Vair)、雨滴谱(DSD)、含水量(LWC)、雨强(R)的反演方法(DWSZ),雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的Vair与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0~30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:Vair和粒子平均直径(Dm)在2 km高度层到达最大,粒子数密度(Nw)、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。

星载Ku,Ka和W三频雷达探测云雨三维结构模拟仿真

对星载Ku, Ka和W波段微波雷达联合观测中纬度陆地气旋、热带台风和热带洋面气旋个例中云和降水的三维结构进行了模拟仿真.首先利用Weather Research and Forecasting(WRF)云模式模拟了个例中各种水凝物的时空分布,并利用Aqua卫星MODIS观测结果直接检验了中纬度陆地气旋个例模拟结果;然后将模拟结果作为输入,利用星载雷达模拟器计算了相应的雷达回波反射率因子,并利用CloudsSat卫星的W波段云雷达CPR实测信号对之进行了验证;随后利用该模拟数据研究了不同粒子雷达回波反射率的特点.最后假设Ku,Ka和W波段雷达的灵敏度分别为15, 5和-35 dBZ,定量研究了这3个波段在探测云顶高度、云底高度上的优缺点和误差大小.模拟结果证实随着频率的增高,水凝物粒子的雷达回波反射率因子减小.非降水云水和云冰粒子回波明显弱于降水和降雪粒子,一般很难被Ku和Ka波段星载雷达观测到.研究发现W波段雷达对云顶的探测误差一般很小(不到30 m),而Ku,Ka雷达对云顶的探测误差可达数千米.对云底探测而言,W波段雷达可以有效穿透低层液态水含量低的天气系统,但对强降水天气系统云底探测误差较大;Ka波段雷达在台风眼壁云墙附近的强降水区也会出现较大探测误差;而Ku波段雷达云底的探测误差都较小.

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。