激光云高仪与Ka波段云雷达测云能力对比分析

文章基于激光云高仪和Ka波段云雷达2种仪器协同测量云技术,对2021-06-01/07-31宁夏六盘山气象站的数据进行对比分析。在几乎相同的地理位置下比较2种设备所获取的云底高度和云时间数据,进一步分析2种设备的观测性能受天气状况影响的程度。结果表明:在观测条件相同的情况下,2种设备的观测结果不尽相同。原因是激光云高仪易受特殊的天气现象影响,其中受雾、霾、降水等影响较大,导致云的观测数据出现了偏差。

基于机载Ka波段云雷达和粒子测量系统同步观测的积层混合云对流泡特征

利用机载Ka波段云雷达(Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar, KPR)和粒子测量系统(Droplet Measurement Technologies, DMT),分析了2018年4月22日黄淮气旋背景系统下积层混合云中对流泡的动力和微物理特征。首先,对Ka波段云雷达观测的山东地区春季36个对流泡样本按照回波强度、水平尺度、回波顶高三个参量进行统计,结果表明平均回波强度为20~30 d BZ的对流泡占69%。对流泡水平尺度为15~30 km,占61%。对流泡最大回波顶高集中在6~8 km,比周边层云高2~4 km。之后,对4月22日积层混合云中的对流泡个例微物理参数进行统计,结果表明对流泡内部以上升气流为主,最大上升气流速度达到1.35 m s^-1,平均上升气流速度为0.22 m s^-1;对流泡内过冷水含量比较高,最大含水量为0.34 g m^-3,平均含水量为0.15 g m^-3。对流泡内冰晶数浓度是泡外的5.5倍,平均直径是泡外的1.7倍。结合云粒子图像探头,发现对流泡前沿和尾部冰粒子以柱状和辐枝状为主,而对流泡核心区域冰粒子以聚合体形式存在。冰粒子通过凇附过程和碰并过程增长,过冷水含量不足时冰粒子的凇附增长形成柱状粒子,含量充足时可迅速凇附成霰粒子。对流泡内降水形成的微物理机制不完全相同,主要依赖过冷水含量。当云中有充足的过冷水分布时,高层冰晶通过凇附增长形成霰粒子,通过融化层后形成降水;当云中缺少过冷水时,降水的形成主要通过水汽凝华过程形成冰雪晶,然后雪晶通过聚合过程实现增长。

垂直指向的Ka波段云雷达观测的0℃层亮带自动识别及亮带的特征分析

利用2013年垂直指向的Ka波段云雷达在广东观测的弱降水个例,分析了回波强度Z、径向速度Vr和退偏振因子L_(DR)在0℃层附近的变化规律,利用建模样本提出了基于云雷达垂直观测Z、Vr和L_(DR)数据的0℃层亮带自动识别方法,并利用独立观测样本进行了识别算法的检验,分析了Vr数据对识别效果的影响,与每天四次探空得到的数据进行了对比。结果表明,在0℃层亮带内,Z和L_(DR)的极大值的高度和Z、Vr、L_(DR)这三个物理量在垂直方向上的突变范围都一致,0℃层亮带的厚度与Z、Vr和L_(DR)的变化量有一定的关系,在0℃层亮带特征较明显的回波上部也存在明显的空气上升运动。Vr和L_(DR)是识别0℃层亮带的关键因子,而Z可能因云的位置和复杂的云层而产生剧烈的垂直变化。该算法可以较好识别典型的0℃层亮带,正确提取主要参数,而云的边缘和多层云等情况会影响0℃层亮带的识别。为利用Ka波段云雷达数据分析弱降水的性质提供了算法。

W波段和Ka波段云雷达探测回波对比分析

通过分析W波段和Ka波段云雷达同时探测回波的差异,验证了W波段云雷达初样机的探测性能。结果表明:1)W波段云雷达初样机工作稳定,两个波段雷达都可以探测云层、云的边界、云厚等宏观参数,也可以反映出云的精细结构及云内微物理参数的变化,回波强、速度小、谱宽大的冰晶云含有上升气流及较多过冷水。2)增强模式的W波段云雷达在近地面探测雾、霾的能力比Ka波段云雷达强;两部云雷达对云层较薄的云探测能力基本相当,对多层云、云层较厚、含水量较多的云及降水的探测,由于强衰减的作用,W波段雷达所测云厚度小、云顶低、回波强度小,并且非瑞利散射也会造成W波段雷达的回波强度降低。

利用Ka波段云雷达对青藏高原三类重要天气系统云宏观参数日变化特征的研究

青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System)的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,得到了统计回归方程。主要结论有:(1)西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%。(2)尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。(3)低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。(4)得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。

Ka波段毫米波云雷达数据质量控制方法

针对国内首部固态、多观测模式体制的Ka波段毫米波云雷达观测资料,提出速度模糊、噪点-径向干扰杂波和悬浮物杂波的质量控制方法,并对方法效果进行了检验和分析.结果表明,该方法具有很好的成功率和稳定性,15个云过程检验的退模糊成功率都达到100%;能准确判断出速度模糊和类型并纠正平均多普勒速度和谱宽;能较好地滤除噪点和径向干扰杂波,并对缺测进行补值;能较好去除低空悬浮物杂波,同时保留小尺度的云.

青藏高原那曲夏季云中水成物分布特征的毫米波雷达观测

结合2014年7-8月第三次青藏高原大气科学试验获得的毫米波雷达资料与探空温度资料,利用模糊逻辑法反演了西藏那曲地区夏季云中水成物的相态并对其分布特征开展了研究。首先,分析了层积云、雨层云以及深对流云的典型个例,发现三类云反射率因子、多普勒速度、速度谱宽以及退偏振因子垂直分布均有较大差别,相应的云中水凝物的回波特征与相态分布差别也较大。其次,研究了液相、混合相和冰相云层的云雷达探测特征,发现液相云层在0℃层以下的暖云层和0℃层以上的过冷水云层均具有反射率因子高值中心,混合云层的反射率因子高值中心随高度上升变化不大,冰云层的反射率因子高值主要集中在6 km以上,且随高度上升而趋于集中;三种相态云层出现频率高值分别集中在地面以上1、2~3、3~4 km高度层;液相云层在上午出现频率最高,混合相云层高频率发生在下午,冰相云层在晚上的出现频率最高。三种相态云层出现在上午的高度与下午和晚上相比较低,出现在晚上的高度范围最大;液相云层厚度一般小于0.3 km,冰相云层云顶位于9 km左右高度层时平均厚度最大,中云内的混合相和冰相厚度变化较小。

利用机载探测设备研究云中零度层附近云雷达反射率与液态含水量的关系

利用机载Ka波段云雷达(an airborne Ka-band Precipitation cloud Radar,KPR)与DMT(Droplet Measurement Technologies)粒子测量系统对山东一次积层混合云进行同步穿云观测。对获取的KPR资料进行飞行轨迹误差订正和数据插值处理,与DMT粒子测量系统计算的云中的液态含水量进行相关性研究。从试验飞行云层中选取了两段云区,共划分成9个时段(累计飞行18 min)展开讨论,其中有3个时段相关性比较好,相关系数超过0.7,并且利用相关系数最大的时段拟合出KPR反射率与云中液态含水量之间的关系式。针对每个时段的粒子特征参数、云滴谱型、冰晶谱型及典型粒子图像展开详细分析,结果表明,较强相关性时段内,大云滴浓度要高于小云滴,且观测粒子多为小于100μm的小粒子;较弱相关性时段,CIP(Cloud Imaging Probe)探头观测到的粒子多为针状或板状冰晶,尺度为毫米量级。

初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

为分析层状云垂直微物理结构,了解雷达参数特征,揭示降水机制,利用机载Ka波段云雷达和DMT(Droplet Measurement Technologies)粒子测量系统,针对2019年11月17日山东冷锋层状云系开展从云顶至云底的垂直探测。结果表明:观测云层由高层云(3100~4500 m高度)和雨层云(800~2600 m高度)两部分组成。高层云过冷水含量较低,平均值为0.0026 g·m^(-3),最大值为0.008 g·m^(-3),云内冰晶通过水汽凝华增长,平均浓度为8.2 L^(-1),最大直径为900μm,平衡谱状态下冰晶浓度与雷达反射率因子具有较好相关性,相关系数最大为0.84。雨层云过冷水含量丰富,最大含水量为0.354 g·m^(-3),过冷水区平均雷达反射率因子为7.48 dBZ,多普勒速度为-2.3 m·s^(-1),速度谱宽为0.7 m·s^(-1);雨层云中上部以冰晶为主,下部为暖区融化粒子,冰晶通过凇附过程增长,平均浓度为208 L^(-1),最大直径为450μm;雷达反射率因子随高度降低至1500 m不断增大,在1200~1500 m高度保持不变,1200 m高度以下减小,未出现明显0℃亮带,速度谱宽随高度降低增大。

基于云粒子衰减截面和气体吸收的回波强度订正技术

利用地基Ka波段(35GHz)云雷达在安徽寿县观测层状云数据,在基于云滴谱分布模型和忽略湍流对速度谱宽的影响下,利用雷达反射率因子和速度谱宽反演得到云滴谱参数,并计算出云体中值直径、粒子数浓度、液态水含量;利用离散偶极子近似(discrete dipole approximation,DDA)算法计算出云体中不同大小云粒子的衰减截面,得到云层衰减系数。对毫米波云雷达的探测数据进行衰减订正时,需要考虑大气吸收对电磁波所造成的衰减,大气衰减系数可以通过Liebe模式计算。结果表明:传播路径上的云层衰减系数主要受云层内的液态水含量影响,深厚且回波较强的水云对雷达电磁波的衰减较大;在Ka波段,气体衰减有限,但当水汽丰富时,不能忽视;经过衰减订正后的毫米波雷达数据质量有明显改善。

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的强上升气流增加了云滴的峰值半径和数浓度,拓宽了云滴谱;较低的空气温度有利于粒子的凝结增长,并产生较大的液滴.

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。

SACOL站冰云微物理特性的反演

冰云是全球分布范围最广的云类型之一,对地气系统的辐射收支有重要作用.本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)Ka波段毫米波云雷达(KAZR)2013年8月至2014年7月的观测数据,结合微脉冲激光雷达(MPL)观测数据,分别使用传统经验算法、考虑温度订正的反演算法和KAZR-MPL联合反演算法,反演了冰云的冰水含量和有效粒径两个微物理量,形成了云微物理量的反演数据产品.在此基础上对SACOL站上空云微观特性进行了统计分析,并进一步结合Fu-Liou辐射传输模式,模拟了冰云在大气层顶处对长短波辐射通量的影响,与CERES卫星观测的辐射通量值进行比较,用以评估不同冰云微物理量的差异对辐射所造成的影响.结果发现:SACOL站冰云主要出现在2~14 km的范围内,在7 km处出现频率最高,达到13.02%;3种云微物理方法反演的冰水含量相差不大,均呈现单峰型分布,概率密度最大处的冰水含量集中在10-3g/m^3左右,而有效粒径的谱分布呈现出较大差异,KAZR-MPL反演算法模拟的冰晶粒径普遍偏大,也正是由于这种差异,造成了对大气层顶的短波辐射通量模拟的偏差.而各种算法对于大气层顶出射的长波辐射模拟效果远好于对短波的模拟,平均误差为5.04%,相关系数均大于0.6,而模拟效果较差的部分,主要存在于光学厚度较薄的个例当中.