双频雷达探测一致性分析及云降水微物理参量反演的初步研究

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准确地反演云降水的微物理参量对于研究降水的微物理过程、降水系统的形成和发展都有重要的意义,可用以分析降水的分布特性和演变规律,进而提高雷达估测降水的精度。双频雷达联合雷达的两个频率通道的返回信号,能更准确地提供云降水的微物理参数和降水率的估测。中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室将广东省龙门县观测站已有的Ka波段毫米波雷达升级改造为双频雷达(Ka/Ku),依据此部雷达以及观测站中其他仪器的实际观测数据,从理论分析和观测数据反演两方面分别开展双频雷达反演云降水微物理参数的研究。研究首先利用上文所述双频雷达外场观测的基数据,对双频雷达两个频率通道及与微雨雷达之间观测回波强度的一致性进行了对比分析。选取2019年4月27日一次层状云降水过程中稳定均匀的3小时数据,计算了相邻时刻的反射率因子差随时间的变化、差分频率比(DFR)随高度的变化以及双频雷达两个频率通道之间的系统误差。得到结论如下:1)从相邻时刻反射率因子差随时间的变化来看,未做滑动平均之前反射率因子差的波动可达8d B左右,对数据平滑后,波动最大值可减小到4d B以下;2)Ka和Ku频率通道之间的系统误差很小,基本可以忽略;3)在零度层高度以下DFR随距离基本是稳定增大的趋势。其次利用龙门观测场雨滴谱仪的观测资料统计了衰减系数和液态含水量(LWC)的经验关系。选取了2019年4月27日16:00~19:00和2019年5月4日10:00~14:00两次降水过程,利用双频雷达的观测数据初步反演了液水总量随时间的变化,并用微波辐射计进行定性的对比。得到如下结论:1)双频雷达反演的液水总量的变化趋势与微波辐射计的观测结果以及降雨率的变化有着很好的一致性;2)相较于衰减,米散射效应对DFR的贡献较小,用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据对DFR进行订正前后液水总量的差异不大。最后利用广东龙门和西藏那曲两个地区的雨滴谱仪多年观测资料进行模拟统计分析。假定雨滴谱分布(DSD)为Gamma分布,讨论了DSD参数化在双频雷达降水估测中造成的不确定性。研究中以质量加权直径(Dm)、Ka波段衰减系数(k Ka)、Ku波段衰减系数(k Ku)和降水率(R)的反演值和真值之间的差异衡量双频雷达估测降水的准确性,其中将双频雷达算法模拟的结果作为反演值,用雨滴谱数据直接计算得到的结果作为真值,分别分析了Gamma分布中的形状因子μ取不同值时双频雷达反演四个降水参数的准确度,最后将广东龙门和西藏那曲的研究结果进行对比。结果表明:1)从Dm、k Ku、k Ka、R来看,当Gamma分布的形状因子μ取2、3、4时,在这两个地区,这四个参数的反演都能得到较为稳定准确的结果,相对误差基本小于10%;2)就k Ka和5~40 mm·h-1的降水率而言,在龙门地区,当μ取3时相对误差最小,都在0值附近波动,而在那曲地区μ值取4、6时相对误差达到最小,说明DSD参数化对双频雷达估测降水的不确定性有一定的地域差异。
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