华北地区云物理特性与特征分析的天、地基雷达联合探测

The accurate understanding of cloud physical characteristics is very important for the study of the surface radiation budget, weather forecast model, weather modification and so on. The formation of clouds and precipitation is associated with the weather system and affected by local geography, topography and surface conditions. The cloud distribution has obvious regional and seasonal complexity. Cloud radars with different wavelengths are powerful means to observe the internal structure of cloud. Satellite and ground-based observations play an irreplaceable and important role in the study of cloud physical characteristics. This project aims to analyze physical structures of clouds and their changes deeply and systematically over North China using ground-based Ka-band radar data, the CloudSat W-band radar data and GPMCO radar data. This work is hoped to get more fine and new knowledge of cloud physical characteristics over North China. It is conducive to the cloud parameterization improvement of regional climate model and numerical prediction model as well as contributes to improvement of the ability of weather modification. Comparisons of detection between satellite radars and ground-based radar help to improve and enhance the development of space-borne millimeter wave radar in our country.

云的物理特征描述对开展地表辐射收支、天气气候模式、人工影响天气等理论研究工作非常重要。云和降水的形成与天气系统有关，也受局地地理、地貌与地表状况影响，云的分布特征和降水特征具有明显的区域性、季节性与多尺度系统的复杂性。不同波段的测云雷达是观测云内部结构的强有力手段。在云微物理结构特征的研究中，卫星与地基观测各有优势，均有不可替代的重要作用。本项目拟应用连续多年的地基Ka波段雷达数据、CloudSat卫星雷达探测数据，以及GPMCO雷达探测数据，从多角度更深入而全面地研究我国华北地区典型云系宏微观物理特征及变化特征，所获得的新的、更加符合实际的研究结果有利于提高华北地区数值预报模式云参数化能力，有助于改进地区天气预报预测水平。通过天、地基探测数据的比对和相互检验，深入分析天、地基雷达探测的优势和不足，以利于改进和提高我国毫米波雷达探测和应用水平，为开展我国国内星载毫米波雷达研究提供经验。

云在全球水循环及地气辐射系统中起着十分关键的作用，其宏观与微观物理特征的分布与耦合至今仍是科学研究的前沿。云雷达是目前唯一能够观测云三维结构的探测工具。本研究利用地基Ka（35GHz）波段云雷达在华北地区开展了长期连续观测并积累了长期的云雷达数据资料集，运用卫星探测数据，通过观测与理论分析相结合，对华北地区典型云系的宏微观特征开展了系列研究工作。针对地基雷达探测资料集，建立了雷达数据质量控制方法、云聚类及云型分类方法，进行了云微物理参数反演算法的研究与开发工作；联合利用天、地基观测数据，分析了我国华北地区典型云系的宏微观物理特征、结构特征、季节变化、日变化等演变特征。研究揭示了华北地区卷云冬季由原位机制形成，而夏季则多由液态机制和少部分原位机制形成；揭示了冰云粒子运动的双向特征；研究发现-45°C更易形成卷云浓度高值区等；通过天、地基对比观测，详细地评估了被动遥感卫星云顶高度在我国的探测精度，研究结果表明北京地区卫星平均低估云顶高度达1km左右，云层厚度与反演精度密切相关，地区差异与地区地表温度差异有关等。通过开展研究工作，我们取得了华北地区云宏微观分布特征的新知识，获得了卫星和地基云参数观测差异的定量知识，研究结果补充了云物理特征认识的不足，对降低天气气候模式中云参数的不确定提供有价值参考。