气象雷达探测云雨湍流和微物理参数的研究

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湍流是影响云和降水形成、发展的重要因素,与复杂的云雨微物理过程息息相关。本文利用L波段边界层风廓线雷达和Ka波段毫米波云雷达探测数据分别进行了云雨湍流以及微物理参数的反演和分析。一方面通过分离风廓线雷达的双峰型功率谱数据,反演得到雨区湍流耗散率和雨滴微物理参数,并对二者的关系进行初步分析;另一方面利用毫米波云雷达功率谱数据,分析不同云型的湍流特性,对湍流耗散率反演误差进行评估,并反演得到层云微物理参数,进一步研究了云内湍流和云微物理参数变化的关系。论文主要结论分析如下:(1)降水条件下,弱湍流有利于促进小雨滴的碰并增大,而在强湍流下则有利于大雨滴的破碎。但湍流强、弱分界值并不固定,不仅随降雨属性变化,还可能随降雨不同阶段而发生变化。例如在混合云降雨个例中湍流耗散率的强弱临界值约为10-2.4m2/s3,在层状云降雨个例中约为10-1.8m2/s3。(2)云内湍流不仅能引起谱宽增大,还能促进小云滴间的碰并聚合,使云滴增大,云粒子数浓度减少。Kolmogorov湍流理论假设所提出的“-5/3律”,在云回波多普勒速度能谱得到了应证。同时经分析表明,在湍流较弱时,受噪声影响较大,反演得到的湍流耗散率相对误差较大。(3)个例研究表明,雨区湍流耗散率整体数值较大,量级在10-3.5~10-1m2/s3之间,且与速度谱宽分布具有较好的对应。云内湍流耗散率大约为10-8~10-1m2/s3,通常分布在云顶或云底较大,而云内较小。云层较薄时,云内湍流分布较为均匀;而在弱降水过程中,降水前云内湍流会迅速增强,并且在降水过程中湍流耗散率整体数值较大且分布均匀,随后随着湍流减弱,云体进入消散阶段,降水停止。(4)湍流对于云雨的形成和发展主要有两方面的作用,一方面湍流会增加粒子碰撞效率,促进液滴间的碰并聚合和破碎;另一方面湍流会加强热量、水汽等物质的输送,还可能加强蒸发作用,从而导致含水量发生缓慢变化。
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