ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱

徐睿 吴晓燕 鲁江伟 汪旭东 王涛

徐睿, 吴晓燕, 鲁江伟, 汪旭东, 王涛. 针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱[J]. 热带气象学报, 2024, 40(1): 127-135. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.013
引用本文: 徐睿, 吴晓燕, 鲁江伟, 汪旭东, 王涛. 针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱[J]. 热带气象学报, 2024, 40(1): 127-135. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.013
XU Rui, WU Xiaoyan, LU Jiangwei, WANG Xudong, WANG Tao. Retrieval of Atmospheric Vertical Motion Velocity and Raindrop Spectrum for a Convective Cloud Precipitation[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(1): 127-135. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.013
Citation: XU Rui, WU Xiaoyan, LU Jiangwei, WANG Xudong, WANG Tao. Retrieval of Atmospheric Vertical Motion Velocity and Raindrop Spectrum for a Convective Cloud Precipitation[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(1): 127-135. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.013

针对一次对流云降水反演大气垂直运动速度及雨滴谱

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.013
基金项目: 

广东省珠江创新团队项目 2019ZT08X751

广东省科技计划项目“广东省先进智能感知技术重点实验室” 2019B121203006

广东省重点领域研发计划项目 2019B111101001

详细信息
    通讯作者:

    王涛,男,河南省人,教授,主要从事雷达信号处理研究。E-mail:wangtao35@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: P412

Retrieval of Atmospheric Vertical Motion Velocity and Raindrop Spectrum for a Convective Cloud Precipitation

  • 摘要: 反演大气垂直速度和雨滴谱分布是研究云降水机制和云微物理信息的重要内容,对人工预报天气、干预天气都有重要意义。针对2021年8月29日安徽省内毫米波雷达探测到的一次对流云降水过程,处理毫米波雷达的功率谱数据并进行大气垂直速度和雨滴谱反演。在小粒子示踪法的基础上引入改进小粒子示踪法:选取有效云信号段中最小功率对应的谱点作为反演大气垂直速度的示踪物。首先,根据改进前后的小粒子示踪法分别从功率谱数据中反演大气垂直速度,并跟基数据反演大气速度的结果展开对比分析。进一步得到粒子在静止空气中的下落速度,根据现有粒子下落速度-粒子直径之间的经验公式计算反演粒子直径。研究表明:(1) 采用改进后的小粒子示踪法反演大气垂直速度得到的结果比小粒子示踪法得到的结果更精确,在云层内部两者误差较大;(2) 进一步得到粒子下落速度,结合探测时段的天气状况,得到的粒子速度与大气速度可很好地契合,跟对流云天气情况信息大致吻合;(3) 粒子浓度是反演雨滴谱分布时需要注意的主要参数,云在快速发展过程中,内部粒子持续朝外部扩张,云内部的粒子浓度较小,云边界的粒子浓度反而较大。

     

  • 图  1  回波强度的时间(a)、高度(b)演变图

    单位: dBZ。

    图  2  大气垂直速度时间-高度演变图

    单位:m·s-1。a. 基数据方法;b. 小粒子示踪法;c. 改进小粒子示踪法;d. 小粒子示踪法与改进小粒子示踪法之间的速度差值。

    图  3  粒子下落速度时间-高度演变图

    单位:m·s-1。a. 基数据方法;b. 小粒子示踪法;c. 改进小粒子示踪法;d. 小粒子示踪法与改进小粒子示踪法之间的速度差值。

    图  4  粒子直径时间-高度演变图

    单位:cm。a. 基数据方法;b. 小粒子示踪法;c. 改进后的小粒子示踪法。

    图  5  粒子浓度时间-高度演变图

    单位:10N·m-3(N为对应色标数值)。a. 基数据方法;b. 小粒子示踪法;c. 改进后的小粒子示踪法。

    表  1  毫米波雷达主要参数

    参数名称 毫米波雷达
    发射频率 33.4 GHz
    天线类型 偏馈抛物面
    垂直波束 0.4 °
    水平波束 0.4 °
    距离库长 30 m
    探测距离 0~18 km
    发射机类型 速调管
    发射机峰值功率 9 kW
    下载: 导出CSV

    表  2  毫米波段下不同相态和温度条件下的|K|2

    水粒子 冰粒子
    温度/℃ |K|2 温度/℃ |K|2
    0 0.870 0 0.200
    100 0.900 -10 0.176
    20 0.930 -20 0.176
    下载: 导出CSV
  • [1] HOGAN R J, GAUSSIAT N, ILLINGWORTH A J. Stratocumulus liquid water content from dual-wavelength radar[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2005, 22(8): 1 207-1 218.
    [2] 郑佳锋. Ka波段-多模式亳米波雷达功率谱数椐处理方法及云内大气垂直速度反演研究[D]. 北京: 中国气象科学研究院, 2016.
    [3] 仲凌志. 毫米波测云雷达系统的定标和探测能力分析及其在反演云微物理参数中的初步研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2009.
    [4] LHERMITTE R. Attenuation and scattering of millimeter wavelength radiation by clouds and precipitation[J]. J Atmos Oceanic Technol, 1990, 7(3): 464-479.
    [5] 宗蓉. 毫米波雷达对云宏微观特性的探测和研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2013.
    [6] 郑佳锋, 刘黎平, 刘艳霞. 云雷达回波强度谱密度定标及云内大气垂直运动速度反演试验[J]. 高原气象, 2016, 35(6): 1 650-1 661.
    [7] 马宁堃, 刘黎平, 郑佳锋. 利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究[J]. 高原气象, 2019, 38(2): 325-339.
    [8] 刘黎平. 毫米波云雷达观测和反演云降水微物理及动力参数方法研究进展[J]. 暴雨灾害, 2021, 40(3): 231-242.
    [9] 孙豪, 刘黎平, 郑佳锋. 不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比[J]. 应用气象学报, 2017, 28(4): 447-457.
    [10] 张坤, 郭凤霞, 谭涌波, 等. 一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 478-489.
    [11] ROGERS R R. An extension of the Z-R relation for Doppler radars[C]. The 11th Weather Radar Conference AMS, Boston, MA, Goulder, C. 1964, Sept, 14-18.
    [12] ROGERS R R, BAUMGARDNER D, ETHIER S A, et al. Comparison of raindrop size distributions measured by radar wind profiler and by airplane[J]. J Appl Meteor, 1993, 32(4): 694-699.
    [13] GOSSARD E E. Measurement of cloud droplet size spectra by Doppler Radar[J]. J Atmos Oceanic Technol, 1994, 11(3): 712-726.
    [14] SHUPE M D, KOLLIAS P, POELLOT M, et al. On deriving vertical air motions from cloud radar doppler spectra[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2008, 25(4): 547.
    [15] ATLAS D, SRIVASTAVA R C, SEKHON R S. Doppler radar characteristics of precipitation at vertical incidence[J]. Rev Geophys, 1973, 11 (1): 1-35.
    [16] WAKASUGI K, MIZUTANI A, MATSUO M, et al. A direct method for deriving drop-size distribution and vertical air velocities from VHF Doppler radar spectra[J]. J Atmos Oceanic Technol, 1986, 3(4): 623-629.
    [17] RAJOPADHYAYA D K, MAY P T, VINCENT R A, et al. A general approach to the retrieval of raindrop size distributions from wind profiler Doppler spectra: Modeling results[J]. J Atmos Oceanic Technol, 1993, 10(5): 710-717.
    [18] 黄伟, 张沛源, 葛润生. 风廓线雷达估测雨滴谱参数[J]. 气象科技, 2002, 3(6): 334-337.
    [19] 刘黎平, 谢蕾, 崔哲虎. 毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和在弱降水滴谱反演中的应用研究[J]. 大气科学, 2014, 38(2): 223-236.
    [20] KOLLIAS P, ALBRECHT B A, MARKS F. Why Mie?: Accurate obserrations of vertical air velocities and raindrops using a clond radar[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2002, 83(10): 1 471-1 483.
    [21] FRISCH A S, FAIRALL C W, SNIDER J B. Measurement of stratus cloud and drizzle parameters in ASTEX with a Ka-band doppler radar and a microwave radiometer[J]. J Atmos Sci, 1995, 52(16): 2 788-2 799.
    [22] GIANGRANDE S E, LUKE E P, KOLLIAS P. Automated retrievals of precipitation parameters using non-rayleigh scattering at 95 GHz[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2010, 27(9): 1 490-1 503.
    [23] FIRDA J M, SEKELSKY S M, MCINTOSH R E. Application of dual-frequency millimeter-wave Doppler spectra for the retrieval of drop size distributions and vertical air motion in rain[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2009, 16(2): 216-236.
    [24] TRIDON F, BATTAGLIA A. Dual-frequency radar Doppler spectral retrieval of rain drop size distributions and entangled dynamics variables[J]. J Geophys Res Atmos, 2015, 120(11): 5 585-5 601.
    [25] 樊雅文. 云雷达资料订正及应用研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2012.
    [26] 彭亮, 陈洪滨, 李柏. 3mm多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究[J]. 大气科学, 2012, 36(1): 1-10.
    [27] ZHENG J F, LIU L P, ZHU K Y, et al. A method for retrieving vertical air velocities in convective clouds over the Tibetan Plateau from TIPEX-Ⅲ cloud radar doppler spectra[J]. Remote Sensing, 2017, 9(9): 964-983.
    [28] LHERMITTE R M. Observation of rain at vertical incidence with a 94 GHz Doppler radar: An insight on Mie scattering[J]. Geophys Res Letts, 1988, 15(10): 1 125-1 128.
    [29] KOLLIAS, PAVLOS. Cloud radar observations of vertical drafts and microphysics in convective rain[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2003, 108(D2): 11-23.
    [30] 陈垚, 寇蕾蕾, 蒋银丰, 等. 基于新型观测算子的双偏振雷达雨滴谱变分反演[J]. 热带气象学报, 2022, 38(6): 854-869.
  • 加载中
图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  76
  • HTML全文浏览量:  14
  • PDF下载量:  22
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-02
  • 修回日期:  2023-09-28
  • 网络出版日期:  2024-04-12
  • 刊出日期:  2024-02-20

目录

    /

    返回文章
    返回