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第15卷第24期2015年8月
科学技术与工程
Vo1.15 No.24 Aug.2015
1671—1815(2015)24—0008-10
Science Technology and Engineering
@2015 Sci.Tech.Engrg.
毫米波云雷达与地基微波辐射计联合
反演云微物理参数
韦凯华 , 黄兴友 , 管理 ’。 黄佳欢 , 何欢。 陈浩君 '
(南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室 ,大气探测系 ,南京210044;
湖北省荆门市气象局 ,荆门448001;上海市气象信息技术与支持中心 ,上海200030)
摘要使用地基微波辐射计与毫米波云雷达进行主被动遥感联合探测,从理论上能够更准确地反演云微物理参数。分别
以2010年7月于广东阳江和2015年3月于江苏南京进行的联合观测试验所获取的数据为例,对其中的层状云、层积云个例
进行联合反演微物理参数的试验和分析,获取云演变过程中微物理参数和其他环境场物理量的变化特征。结果表明:①云雷
达.微波辐射计联合反演法反演的云微物理参数与基于雷达反射率因子的经验法有较好的一致性,与实测经验值相比,结果比
较可靠;②在层状云发展初始阶段,凝结增长作用在云体中上部位置起主要作用,碰并作用主要导致云滴粒子的显著增长和
云层垂直方向的延展;在垂直上升速度较大的层积云中,云滴粒子通过碰并作用增长;③低层湿区高度与大范围层状云系出
现的高度较为一致,抬升作用和水汽通量的辐合为云的产生提供了动力和水汽条件。
关键词 毫米波云雷达 地基微波辐射计 联合遥感 云微物理参数
中图法分类号P413.21; 文献标志码B
云微物理参数是描述积云尺度大气状态的关键
要素之一,主要包括云粒子的等效直径,数浓度,液
态含水量LWC(或冰水含量IWC、云液水路径
LWP),云滴粒子相态等,其对气候、天气变化、航空
安全等众多领域都有着重要的影响。自Atlasl11于
1954年提出利用雷达探测云参数后,国内外的学者
相继开展了相关研究。Ovtchinnikov和Kogan 结
辐射计和毫米波雷达联合系统的测值通过迭代法反
演得到层云含水量的分布。林海等 通过数值实
验法严格讨论了联合反演方法的精度;魏重等 l_
分别使用毫米波雷达和微波辐射计探测反演了相关
云雨大气参数,获得了我国及西太平洋热带海域水
汽和云的一些变化特性,积累了一些基础观测数据
和经验理论。
合数值模拟,比较了Atlas…,Sauvageot_3 和Fox_4 提
出的反演LWC对经验公式,发现仅利用雷达回波反
演LWC不够准确的问题,并提出主被动遥感联合探
测的方法。L ̄hnert 利用雷达、微波辐射计和云模
式进行了云参数的反演研究,认为主被动遥感方式
的联合探测能显著提高LWC反演的可靠性。
Frisch 6 将毫米波雷达和微波辐射计联合反演的
LWC与飞机播云时的探测数据进行了对比研究,表
明主被动遥感联合反演的精度基本满足大多数的研
究需要。在国内,忻妙新等" 根据吕达仁提出的雷
达和微波辐射计联合测云雨的基础理论,利用微波
2015年5月4日收到 国家自然科学基金项目
(2013CB430101)资助
第一作者简介:韦凯华(1989一),男,壮族,广西贵港人,硕士研究
生。研究方向:天气雷达资料定量反演与应用。E—mail:wkh89@si—
na.com0
近20年以来,国内对于毫米波雷达与微波辐射
计联合反演云微物理参数的研究工作开展得较少,
过去已有的研究也多以毫米波或厘米波雷达的回波
强度和微波辐射计反演的含水量进行独立的反演为
(41475034)、国家重点基础研究发展计划项目
主,近年来联合反演试验也多针对降雨的情况。与
此同时,随着国产新型毫米波雷达与微波辐射计投
入科学研究试验,云参数的地基遥感观测自动化的
需求也较为迫切。中国气象局《综合气象观测研究
计划(2013~2020年)》指出,急需开展针对云和降
水精细化结构观测的外场试验,研究云雷达、微波辐
射计等主动和被动遥感设备相结合的大气三维结构
和廓线垂直探测方法。本文利用2010年7月在广
东阳江和2015年3月于江苏南京进行的联合观测
试验所获取的毫米波云雷达与地基微波辐射计数据
进行云参数反演研究,并与经验公式反演结果及已
有的直接探测经验结果进行对比分析。
通信作者简介:黄兴友,教授,硕士生导师。E—mail:hxyradar@
126.com。
1资料选取和预处理
选取2010年7月在广东阳江和2015年3月在
24期 韦凯华,等:毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数 9
江苏南京开展的外场观测试验期间南京信息工程大
学的35 GHz毫米波云雷达和Radiometric—WVP一
3000地基微波辐射计资料进行云微物理参数的反
演研究,得到云滴有效半径,云中液态水含量和云滴
数浓度等参数。
筛选合适资料进行联合反演试验的原则是尽量
选取非降水性云,以尽可能避免降水粒子对毫米波
云雷达及微波辐射计相应频段电磁波的严重衰减和
散射作用导致的探测结果误差,同时使得尽可能探
测及反演的是云滴粒子而非降水粒子。主要选取试
验当中的层云、层积云进行联合反演试验,评估单雷
达反射率因子算法及联合反演算法对于相应云型的
适用性和反演效果。
鉴于实际情况中,微波辐射计探测的温湿参量
数据空间分辨率在不同高度范围内在50~250 nl不
等,均使用线性插值法统一插值到30 m格点上,与
云雷达数据30 ITI库长对应后再与云雷达资料做联
合反演试验。
2联合反演云参数方法
使用毫米波云雷达和地基微波辐射计联合遥感
反演云参数的基本思想是:在一定的假设条件下,利
用微波辐射计获得的云液水路径(LWP)和毫米波
云雷达获得的反射率因子(z)与云滴含水量
(LWC)、云滴有效半径( )之间的关系,计算出
LWC和 ,由LWC与云滴数浓度Ⅳ的关系计算出
J7、r,有了LWC、R 和Ⅳ这三个云滴谱分布的基本量,
就可以进一步计算其他与之相关的物理量 。
云水路径(LWP)可以使用微波辐射计本身提
供的产品结果。毫米波云雷达可提供云滴粒子的反
射率因子(z)、速度( )、谱宽( )产品,可直接用
于云微物理参数的反演计算。
在云滴谱为对数正态谱分布且谱宽标准差 一
定的假设条件下,可以通过如下算法来反演获得一
些云微物理参数。算法中or可以采用通过实测滴谱
拟合得出的经验值,也可以采用与反演的云滴数浓
度之间的关系确定的值。本文中or取0.35。
n( ):一
 ̄
/2-rro-R
。 p『
2o"
_=
1(1)
式(1)为云滴数浓度尺度谱分布函数,式中,Ⅳ为数
浓度, 为云滴半径, 为中值半径,or为标准差,该
对数正态分布的K阶矩函数为:
r . ,T 2 、
I (R)dr=Ⅳ尺0kexpf /-g ) (2)
J 、 ,
云滴水含量(LWC)即采样体积内所有云滴含
水量之和(P为云水密度),
c= R3 n( r: N3 Ro3exp(\2詈 ) }
(3)
在瑞利散射条件下,毫米波云雷达测得的云滴
反射率因子与云滴的后向散射截面有关,即与云滴
粒子直径六次方之和成正比,有
z=f(2 ) n(R)dr=26Ⅳ 06exp(18or )(4)
联立式(3)、式(4),消去R ,有
=
詈 ( 9 2) (5)
对式(5)在某层云上对高度积分,可得云液水
路径 :
詈 』厕 (6)
式
一
(6)中,( ̄/J)v)=L—_————一
J Ⅳ(h) z(h)dh
代表以反
J z( )dh
射率因子z的平方根为权重,在采样体积内云滴数
浓度的平均值。对式(6)进行变换,有
6L
WP
ex
( :—_——一:—
p(
9 2
.
- ̄-o
)
—
———
_
(7)
'rrp I Vz( )dh
在式(7)中,Z(h)为雷达距离库内的反射率因子
值, 为微波辐射计反演获得的云水路径,谱宽
标准差or已经假定为常数,则等式右边均为已知量,
在云层内云滴数浓度变化不大的假设条件下,可以
计算出( ),再由式(4)求出中值半径 。。
云滴粒子有效半径定义为:
JrR3n(R)dr
= ——一
(8)
J 2T/,( )dr
将式(2)的形式代人式(8),有
:
Roexp( ̄or 1 (9)
此时谱宽标准差 已经假定为常数,中值半径
已求得,故可解出有效半径 。
3云微物理参数的反演
云水含量(LWC)与云冰水含量(IWC)因云类
型不同和所处地域不同具有一定差异,对于与滴谱
相关的云滴有效半径(R ),此种差异可以很
大 ¨,H 。Atlas 的研究在根据实测谱的基础上,经
24期 韦凯华,等:毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数
d日S嗣8l }壬
2 2 l 1 O 0
2 2
星氤Ia雹
l 1
因子大值区。
O 0
-
35 -30—25—.20 -15 -10
RetiectivityldBZ
2 4 6 8 10 12 14
Efiective Radius/gm
(a)液态水含量
Hq I{
2 2 l 1 O O
0U U.2 U.4 U.O U. 1.U
Liqui
喜
d Wat
最 }I
er Cont
ent/(g m- 、
3 2 2
fb)平均垂直廓线
1 1 0 0
图3 09:44~09:45反射率因子与单参数和联合
反演的云滴有效半径(a)液态水含量(b)
平均垂直廓线
Fig.3 Average vertical profile of reflectivity factor,
cloud effect
喜最 墨
3
ive r
2
adius(a)and
2 1
liqui
1
d wat
O
er cont
0
ent(b)
retireved by si
0 5
ngle and combined retr
0 5 O
i
5
eving met
0
hod
during 09:44—09:45
较厚时段数据作一分钟平均,绘出云雷达探测的各
基本量垂直廓线如图4所示。可以看到在约1.2
km处有最大反射率因子值,约在5 dBZ,同时有最
大上升速度约6 m/s,在此之上反射率因子值和速
度减小。在约2 km高度上速度为一1.5 m/s,速度
谱宽约1.4 m/s,此层上速度变化剧烈,粒子的速度
差异明显,反射率因子由一25 dBZ增加到一15 dBZ
以上,并进一步增长到大滴或毛毛雨的尺度。在总
体为上升气流的环境场中,此高度处突然出现一下
沉气流区,这个下沉气流区的出现可能是因为其下
较大垂直上升速度所引起的补偿性下沉气流,由此
抑制了该较厚层积云块的进一步向上对流发展。大
量观测数据经验表明,及地的云体回波若在一1O~
一
5 dBZ之间,地面多是毛毛雨-小雨的情况。该下
沉气流区阻止湿空气继续向上抬升凝结,并使得已
形成的云滴有向下运动的趋势,在其下云滴通过下
落及上升气流反复的碰并作用,进而形成了反射率
-
40-20 0
—
2 0 2 4 6 0.3 0.6 0.9 1 2 l 5
z| ・
rm・sq) SW/(m S’ )
图4 09:42—09:43反射率因子z、多普勒速度 、
速度谱宽 平均垂直廓线(从左至右)
Fig.4 Average vertical profile of reflectivity factor Z.
Doppler velocity V.speed spectrum width during
09:42~09:43(from left to irght)
对于此阶段,两种反演方法的结果体现了一定
差异性(图5)。单参数反演法的云滴有效半径在
5.7~25.8 m之间,双参数反演法在9.8~44.5
m之间;反演的液态水含量分别在0.08~7.4
m 和0.O1~0.93 g/m 之间,有效半径和含水量大
值区均在约1.2 km处,大滴主要在云体中下部生
成,往上由于下沉气流的抑制作用和干空气的混合
作用,使得云滴粒子半径及含水量减小。讨论反演
结果的合理性并与一些实测经验值比较,认为在本
例中双参数反演法的结果比较符合实际。本例中双
参数反演法的云滴粒子数浓度在15~190/i ̄/cm 之
间。通常将r=100 m视作云滴与雨滴的分界线,
r=50 m视作大云滴的典型值¨ 。而White【17]和
Frisch 使用多普勒雷达对海洋性边界层内的云的
观测事实统计,将r=6O m和Z=一5 dBZ视作毛
毛雨粒子与云滴粒子的分界线来进行区分。本例中
在0 dBZ以上回波处双参数反演的云滴粒子半径在
35~44 Ixm之间,而单参数反演法的仅在20~25
Ixm之间,如该高度上确实为毛毛雨粒子,则单参数
反演法的结果仅比普通云滴略大,不太符合实际,双
参数反演法反演的云滴半径更接近于大滴的尺寸。
再比较反演的液态水含量,单参数反演法一5 dBZ
以上区域对应的液态水含量在3.0~7.4 g/m 之间,
而双参数法仅在0.5~0.9 g/m 。黄美元、徐华英指
出¨ ,层积云的对流泡中,含水量可达2—3 g/m ,
由于各地云特性的差异,虽然在积云中曾观测到10
~
20 g/m 的含水量,1964年对于上海地区夏季积
云的观测中 含水量平均值也有1.5 g/m ,但这些
观测值都是针对有较大降水潜势或发生降水的浓积
24期 韦凯华,等:毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数 15
650 m左右,饱和湿层与本次过程中层状云出现的
高度较为一致,也满足在抬升凝结高度上成云的条
偏大。由于求得尺。还需在比值上开6次方关系,使
得相对误差又不是很大。对于液态水含量(LWC)
件。注意到925 hPa下方有一温度露点差大值区,
对应前述13:27层状云发展过程中底部受湍流和干
空气混入影响,含水量和有效半径在云底处均减小
的事实。这也说明云雷达对云的观测事实,可以从
侧面印证大气中垂直方向温湿度的演变情况,在缺
乏探空实测资料的情况下,这些特征也可以粗略作
为大气层结状况的一种辅助判断。
图12 2015年3月19日20时南京站探空T-lgP图
Fig.12 T-1gP diagram from upper air sounding
in Nanjing,March 19th,2015
3.3误差分析
进一步分析两种反演方法对云滴粒子有效半径
和液态水含量结果的差异,认为在试验中云雷达.微
波辐射计联合反演法相比基于雷达反射率因子Z
值的单参数反演法,变化趋势较为一致,能够较好地
反映上述云微物理参数在云内的演变。对式子的物
理量关系进行分析,可知加入微波辐射计反演的云
水路径LWP作为约束条件之一进行联合反演,可能
是带来较大相对误差的原因。LWP的反演准确程
度又受到微波辐射计本身定标以及湿度参量(水汽
含量、液态水含量)随高度分布反演准确度的影响。
参考与本文层状云个例相近季节及天气状况下,与
南京纬度地理位置相近的武汉暴雨所武汉站微波辐
射计反演结果,证明本文试验中所用微波辐射计资
料反演的LWP结果是略偏小的,这就给所反演的有
效半径和液态水含量带来了一定误差。Turner 通
过辐射模式的模拟计算指出,在给定的云滴有效半
径条件下,微波辐射计接收到的辐射通量在小LWP
值情况下变化较大,使得辐射计的探测准确度和所
采用的反演算法对 值的影响相对明显,会进一
步影响云微物理参数的反演。
LWP测值偏低首先影响的是云层内云滴数浓
度Ⅳ,使得Ⅳ偏小,由式(4),反而使得有效半径
的反演,若计算出的云滴数浓度比实际情况偏小,由
式(5),分子开平方关系使得液态水含量偏小,故引
入微波辐射计反演的LWP进行联合反演计算时其
准确度需要有一定的保证。
对于前述层积云个例中,双参数反演法也可能
存在一定误差。主要原因是在所采用的算法中,将
云层中的云滴粒子数浓度平均值近似地看作在云层
内是均一的,这样近似地处理会给反演带来一定误
差。在09:44~09:45层积云云体相对均一的时段,
这种误差就不明显,同时两种反演方法的结果具有
较好的一致性。而对于09:42~09:43积云性质较
明显的阶段,云体垂直结构存在不均匀性,实际上在
大滴聚集的地方,大滴的数浓度相对较小,整层数浓
度视为均一时,大滴的数浓度应比实际偏大,由反演
理论公式,会使得反演的云滴粒子有效半径比理论
略偏小。
相比而言,依靠雷达反射率因子Z—LWC,Z—R
经验关系的反演法是基于统计关系拟合的经验公
式u2引,不一定对任一地方每次云生消过程都适用,
特别是这种统计拟合关系多数是根据一定量的实测
滴谱统计,或者基于云滴数浓度一定的假设(如N=
200 ̄'/cm ),实际情况中由于云的生消演变和大气
中凝结核,水汽情况等影响,云滴数浓度并非常值,
在此种情况下,联合反演法的结果相对可靠。而由
于试验条件所限,又不能去直接穿云探测获得对应
时刻实际的云滴谱进行验证,故目前只能对反演结
果作一个较为粗略的定量分析。
4 结论
联合毫米波雷达与地基微波辐射计观测资料对
试验中的层状云、层积云演变过程个例进行分析和
云微物理参数特征的反演,可以得到一些初步结论:
(1)云雷达一微波辐射计联合反演法能够较为
有效地反演层状云、层积云的云滴有效半径、液态水
含量和数浓度等微物理参数,与基于云雷达反射率
因子的经验公式反演方法相比,虽然存在一定差异,
但趋势较为一致,与实测数据经验相比绝对误差不
太大,结果比较准确。
(2)反演个例分析表明,在垂直上升速度较大
的层积云中,云滴粒子通过碰并作用增长,若云体中
上部存在下沉运动区,云滴粒子可通过反复抬升降
落中的碰并作用较快增长。在层状云发展阶段,云
内各宏微观参量垂直方向变化明显,云体上部云滴
主要通过抬升凝结增长,云体中下部主要通过粒子
科学技术与工程 15卷
下落的碰并作用增长,且下落末速大值区均大致位
于云滴粒子有效半径大值区以下。在云底和云顶边
界处,分别由于湍流与干空气的 昆合作用以及蒸发
作用,使得云滴粒子半径减小。
(3)层状云云底高度与探空资料计算的抬升凝
结高度LCL较为一致,同时天气尺度的弱抬升运动
和对应高度上水汽通量的辐合是大范围层状云出现
的有利动力和水汽条件。
由于云雷达和微波辐射计的联合观测试验对于
仪器观测同步性要求很高,还需要积累更多的联合
观测数据来开展反演云微物理参数的试验。同时应
针对微波辐射计在小LWP时的观测误差,改善微波
辐射计的定标准确度并对反演结果进行修正,以改
善联合反演的效果,并在条件允许的情况下与更多
的实测谱或经验结果比较,更深入地解释云生消过
程中微物理参数的演变情况,以期能完全满足对云
和降水的精细化结构观测的业务需求。
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24期 韦凯华,等:毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数
2011;69(2):352—_362
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bration of the new generation of millimeter-wavelength cloud radar
(HMBQ)and its detection capability.Acta Meteorologyca Sinica,
Experiment of Retrieving Cloud Micro—physics Parameters by Combining
Millimeter.wave Cloud Radar and
WEI Kai—hua ' ,HUANG Xing-you ’ ,GUAN Li ' ,HUANG Jia—huan , ,HE Huan。
CHEN Hao-jun
,
(Key Laboratory for Aerosol—Cloud—Precipitation of China Meteorological Administration ,Department of Atmospheric Sounding .
Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,P.R.China;Meteorological Bureau of Jingmen in Hubei Province
Jingmen 448001,P.R.China;Shanghai Meteorological Information Technological and Support Center4,Shanghai 200030
P R.China)
,
[Abstract] Cloud micro・physics parameters can be retrieved more accurately in theory with the use of combining
millimeter—wave cloud radar(MWCR)and ground base microwave radiometer(MWR)on cloud sounding.The
change of retieved mircro-physics parameters and other physical properties in atmosphere were got by analyzing stra.
tus and stratocumulus cases during the experiment in Yangjiang,Guangdong in July 2010 and in Nanjing,Jiangsu
in March 2015.The results show that:①the micro—physics parameters retireved by combing MWCR and MWR are
fairly reliable compared with the method which only based on MWCR’S reflectivity and the experience value from
actual measurement;②during the growth of stratus cloud,condensation takes effect on the middle and upper parts
of the cloud at beginning,while the significant growth of the cloud drops and vertical expending of cloud mostly re-
lies on collision—coalescence process.In the stratocumulus which has a large vertical uplifting vertica1
the cloud
.
drops grows through collision-coalescence process;③the height of wet areas on low level is roughly consistent with
that of stratus cloud.Air uplifting and water vapor flux convergence in certain level provide dynamic and vapor con-
ditions for growth of cloud.
[Key words] millimeter—wave cloud radar
ing cloud micro—physics parameters
ground--based microwave radiometers combined remote sens--
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