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星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究 总被引：2，自引：1，他引：1
使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D0）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D0单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D0曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。 相似文献
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对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究 总被引：1，自引：0，他引：1
针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。 相似文献
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利用离散偶极子近似法(DDA),研究了等效半径Re在0.8 mm范围内的柱状和片状冰晶在不同空间取向、温度和尺度比时,对94 GHz雷达发射的水平偏振波产生的后向散射,并讨论了等效雷达反射率因子Ze随粒子谱中值直径及冰水含量的变化。结果表明,温度对后向散射效率的影响较低,空间取向对后向散射效率的影响与粒子大小和形状有关。当雷达波垂直指向天顶,在冰晶粒子等效半径Re0.8 mm时,水平取向冰晶的后向散射效率比随机取向大,粒子越偏离球形,差别基本上越大;在同一取向时,粒子越偏离球形,后向散射效率基本上越大。在一定冰水含量下,取向、形状和冰晶谱的形状参数对Ze的影响和粒子谱中值直径有关;对于垂直指向的雷达,如果将六角形冰晶等效为等体积球形冰晶,当粒子较大(0.4 mmRe0.8 mm)时,其Ze将被低估。 相似文献
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为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因,将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar,DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配,并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明:GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好,经过衰减订正和波段修正,两者的相关系数约为0.86,达到0.001显著性水平,均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式,在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正,二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好;受干雪几何形状影响,探测干雪回波的相关性较低;探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异,DPR NS模式对强回波敏感,而DPR HS模式对弱回波敏感。 相似文献
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冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。 相似文献
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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。 相似文献
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在凝华增长过程中,冰晶的形状随着温度和湿度的改变而改变,准确模拟冰晶粒子的演变对于提高云模式的模拟能力起着非常重要的作用。在现有的云模式中,冰晶形状通常假设为球形,而在实际大气中,冰晶形状十分复杂。本研究中,我们根据冰晶凝华增长理论模型建立了一个单个冰晶粒子增长模型,模拟了温度分别为-1℃~-30℃时,单个典型非球形冰晶粒子的凝华增长过程。与风洞观测数据相对比,该模型能够抓住单个冰晶粒子的轴长,质量以及纵横比随温度和湿度的变化过程。我们进一步将该理论增长模型应用到群粒子的凝华增长过程的模拟。我们釆用欧拉二维正定平流输送法(MPDATA)模拟了典型非球形冰晶群粒子的凝华增长,并对比分析了在不同纵横比分辨率下的模拟效果以及温度变化对冰晶形状的影响,结果表明运用该数值方法可以合理地模拟出群粒子在凝华增长过程中纵横比的演变。与目前采用的拉格朗日-欧拉混合平流算法比较,该算法能够耦合到欧拉动力框架下的分档云模式中去,这对我们研究冰晶粒子形状对云微物理过程和动力过程的影响,以及它们对冰粒子凝华增长的反馈作用具有非常重要的科学意义。 相似文献
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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。 相似文献
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《高原气象》2020,(3)
由于湍流、雷达探测灵敏度等对单波长云雷达探测回波强度谱密度的影响,造成了云雷达探测空气垂直运动速度和雨滴谱的误差,而双波长云雷达利用Mie散射造成的不同粒子后向散射大小差异来提高空气上升速度探测精度,从而提高反演雨滴谱的能力,并且可提高订正雨区衰减的能力。为此中国气象科学研究院研发了Ka/Ku双波段云雷达,并于2019年4月开始在广东龙门进行了云降水观测。本文针对该双波段云雷达观测模式和灵敏度等参数,在Gamma滴谱假设条件下,模拟分析了Ka、Ku波段功率谱及其比值与云降水参数、温度和湍流的关系,研究了雷达灵敏度、湍流对空气垂直速度、雨滴谱反演和衰减订正的影响,并利用个例数据进行了风场反演试验,讨论了双波段探测微降水动力和微物理参数的优势。结果表明:(1)温度只能影响两个波段功率谱比值(Ratio)的大小,对其峰值位置基本没有影响,而湍流对其峰值位置的影响不超过0.5 m·s~(-1);(2)湍流、雷达灵敏度对单波段云雷达探测空气垂直速度的影响比较明显,湍流使空气上升速度被高估,雷达最小可测回波强度随高度的增加而增加使该参数被低估,其影响远远大于温度和湍流对双波段云雷达反演空气垂直速度的影响;(3)对于单波段雷达来说,雷达灵敏度和湍流明显影响雨滴谱、含水量和衰减系数的探测,湍流使得雨滴谱拓宽,低估含水量和衰减系数;而雷达灵敏度却使反演的雨滴谱变窄,增加小粒子数浓度,并高估了含水量和衰减系数;(4)选取2019年4月15-16日的个例进行空气上升速度的反演,并与模拟分析的结果进行对比。结果显示实际观测数据反演的空气上升速度与模拟分析结果中的趋势较为一致。这项工作为单波段和双波段云雷达的多普勒功率谱数据分析和云降水微物理和动力参数的反演可提供参考。 相似文献
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在假设冰云粒子呈球形以及粒子谱服从对数正态分布的条件下,利用离散偶极子近似法(DDA),计算出太赫兹频段(220 GHz)冰云粒子的雷达反射率因子,及其与瑞利假设下雷达反射率因子的比值。忽略衰减和多次散射的影响,根据太赫兹波段冰云的雷达反射率因子,基于最优估计理论反演冰云的微物理参数,并验证该算法的可靠性。反演结果表明,当冰云粒子大小在设定的尺度范围内时,有效粒子半径(re)的反演误差小于4%,粒子谱宽(σ)的误差小于2.5%、粒子数密度(NT)的误差小于1%,冰水含量(IWC)的误差小于5%。还分析了当NT和σ为定值时,反演结果随粒子尺寸的变化情况,当冰云粒子尺寸在模拟计算设定的范围内时,re的反演误差小于0.04%,σ的反演误差小于0.02%,NT的反演误差小于0.50%,IWC的反演误差小于0.08%,如果冰云粒子大小超出模拟计算设置的范围,反演误差随着re增加而增大。该结果证明了基于最优估计理论反演得到的冰云微物理参数与模拟设定值有良好的一致性,说明该方法可应用于太赫兹频段云雷达的冰云观测及云微物理参数的反演和研究。 相似文献
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94GHz云雷达回波及测云能力分析 总被引：11，自引：1，他引：10
重点利用英国的94 GHz Galileo测云雷达,结合35 GHz云雷达、地面雨滴谱仪、雨量计和探空资料等,分析了94 GHz 雷达的回波特征及测云能力。结果表明：（1）94 GHz云雷达能清楚反映出云及弱降水过程的云系结构变化和云内小尺度变化,可以探测到雾,雾的多普勒速度杂乱;（2）94 GHz云雷达区别于厘米波雷达的较显著的回波特征是层状云降水的0℃层亮带下面雷达反射率因子降低不明显或没有降低及0℃层亮带上面存在0℃层暗带,分别是因为雨滴较大及冰晶较大产生非瑞利散射引起的,暗带区域的宽度一般在600 m以下,暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过3 mm,有些暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过6.8 mm,多普勒速度及谱宽显著增大的地方是融化层顶;（3）与35 GHz测云雷达相比,由于衰减和非瑞利散射,降水时的94 GHz雷达反射率因子远小于35 GHz雷达反射率因子,使探测到的高云云顶高度偏低,但94 GHz云雷达抑制地物杂波的能力更高,在晴空低云探测方面具有优势。这些结果为中国正在研制的94 GHz云雷达回波可靠性分析提供了参考。94 GHz云雷达与其他探测手段结合,可揭示各种天气形成的物理机制,对天气预报、云物理的发展、人工影响天气、气候变化的研究均有重要意义。 相似文献
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为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。 相似文献
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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。 相似文献
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基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。 相似文献
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Cloud profiling radar (CPR) onboard CloudSat allows for deep penetration into dense
clouds/precipitation. In this study, tropical cyclones (TCs) are classified into three stages
as developing, mature, and decaying. The circular TC area with the radius of 500 km is divided
into five regions. The vertical structure characteristics of 94 Western Pacific TCs at
different stages in different regions from June 2006 to February 2014 are statistically
quantified using the CloudSat tropical cyclone overpass product (the CSTC Product). Contoured
frequency by altitude diagrams (CFADs) of radar reflectivity show an arc-like feature and
exhibit opposite distributions with a boundary at 5 km. Bright bands are found at this
altitude, indicating melting layers. Deep convective (DC) clouds have the largest occurrence
probability in the inner region, while Ci clouds occur more frequently in the outer region at
10-15 km. As clouds have the second largest vertical scale after DC clouds. Distributions of
Ac, Cu, and Ns clouds at different stages have few distinctions. As the altitude increases,
the ice effective radius and the distribution width parameter decrease while the particle
number concentration increases. Moist static energy (MSE), cloud thickness (CT), liquid water
path (LWP), ice water path (IWP), water vapor (WV), and rain rate (RR) all diminish along the
radial direction and are significantly larger at the mature stage. The average value of MSE at
the developing stage is larger than that at the decaying stage. 相似文献
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根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。 相似文献
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基于2012—2014年CloudSat卫星数据,按照热带气旋强度分类的6个等级以及沿台风中心的径向距离,分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征。研究表明:(1)不同强度的台风云系中均是单层云占主导,多层云中双层云出现比例最高;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内,单层云分布位置更加集中且垂直厚度较厚,而450km之外的单层云一直集中在7~15km,厚度较薄;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内的双层云中的底层云和顶层云均增厚且分布位置更加趋于集中,云间距变窄,而450km之外顶层云和底层云较薄,云间距一直较大。(2)台风云系中,深对流云、高层云、卷云与其他云类型相比,分布的垂直范围较广,出现频率较高,分布的位置会随着台风强度变化和沿台风中心径向距离的增加有明显的变化。(3)随着台风强度的增强,近台风中心5km以上的回波有明显增强,除此高值区外,发展较为成熟的台风,距台风中心450km之外也会出现多个明显的柱状回波高值区。(4)近台风中心液水含量的值和冰水含量的值随强度变化均有明显增加,但外围云系中也有分散的冰水含量高值中心但分布高度相对较低,在10km附近;液水粒子数浓度的高值区域与液水含量的高值区非常对应,而冰水含量的高值区位于冰粒子数浓度的高值区下方,表明小的冰粒子被较强的对流活动带到了高处,而大的冰粒子集中在云系较低处。 相似文献
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A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars. 相似文献