C波段调频连续波雷达降水云结构研究及降水参数反演

Using the accurate quantitative return signal detection by the C band frequency modulation continuous wave (C-FMCW) vertical radar, improve and enhance the ability of C-FMCW radar for meteorology dispersion target signal's recognition and data acquisition. Study the analysis and retrieving method of precipitation parameters with the 15-30m and 2-3 seconds of high spatial and temporal resolution data to understand the the precipitation cloud structure, strengthen and improve the precision of radar rainfall estimation. Base on the development of C-FMCW radar return signal power spectrum distribution of quantitative measurement technology , the main research contents include: (1) the radar detection parameters retrieve the Raindrop size distribution parameters; the analysis the temporal and spatial evolution change of rain parameters and microphysical parameters in the precipitation cloud; (3) the analysis the microphysical process of ice and snow particles in the melting layer; (4) environmental atmospheric vertical motion effects on radar quantitative precipitation estimation. Using joint observation data to the cloud for the Meiyu Frontal Precipitation, Southern China monsoon rainfall, the local convective cloud of the Aaqu area of Tibetan Plateau, The Evaluate accuracy of data and assessment the rationality of product algorithm. the vertical structure characteristics of different precipitation system is analyzed, and the distribution and evolution microphysical parameters characteristics of all kinds precipitation cloud is studied also. The analysis are also include the characteristics of melting layer structure of different areas and the rainfall effect; evaluation the accuracy of improved radar rainfall estimation.

在对C波段调频连续波（C-FMCW）垂直探测雷达返回信号准确定量描述、改进和提升连续波雷达对气象弥散目标物的信号识别和数据获取的基础上，本研究开展基于降水云15-30m和2-3秒高时空分辨率的降水云结构分析和降水参数反演方法研究，加强对降水云结构的认识并改进雷达估测降水精度。在发展C-FMCW雷达数据的返回信号功率谱分布的定量测量技术基础上，开展的主要研究内容：(1)雷达返回信号谱参数反演雨滴谱参数的方法研究，降水云中雨水参数计算以及时空演变特征分析；(2)融化层中冰水转换的微物理过程分析；(3)环境大气垂直运动对雷达估测降水的影响研究。利用江淮梅雨锋降水、华南季风强降水、青藏高原那曲局地对流云的联合观测试验数据，对数据及产品算法进行评估；分析不同降水系统中云体垂直结构特征，各类降水云中降水参数分布及演变特征；不同地区融化层结构特征差异以及对地面降水的影响；评估改进的雷达估测降水精度。基于以上的分析研究，给出不同地区降水云中雨水微物理参数的时空演变特征，进一步认识零度层亮带中粒子的融化、充并、破碎等微物理过程及大气环境特征，分析环境大气垂直运动对降水效率的影响。

本研究基于C-FMCW雷达开展云降水垂直结构及微物理参数反演研究。进展包括：1、基于降水频段调频连续波垂直探测雷达（C-FMCW）提出针对功率谱的微弱信号标校方法及实时探测数据对雷达系统的标校修正算法，适用于采用FFT谱变换技术的垂直探测雷达系统标校和数据处理。通过雷达系统噪声功率对探测信号功率单元进行定量计算，建立对雷达谱分布数据的定标算法，使用该方法对2013-2018年C-FMCW雷达观测数据进行了质控处理；并使用此算法对我国业务风廓线雷达站网的多型号、多模式观测数据进行的强度信号的规范化处理。2、对C-FMCW雷达探测数据发现新的观测事实进行了呈现。使用C-FMCW雷达高灵敏度、高时空分辨率和处理后的回波强度谱密度数据，分析了江淮梅雨及青藏高原降水云探测数据中的发展深厚对流降水云、快速生消的局地弱降水云、多层云的精细结构及融合过程。3、对我国降水多发地区降水系统中的云垂直结构特征进行分析。针对江淮梅雨降水中的粒子融化微物理过程，青藏高原那曲观测冷涡降水中的深厚对流中的动力特征、浅薄对流日变化特征，华南前汛期降水云的层云、对流降水及混合降水云不同类型降水云分别进行针对性分析。4、提出地面雨滴谱数据质控算法，对雨滴谱参数拟合方法进行评估；基于降水云垂直结构特征进行华南前汛期降水云的垂直结构特征分类，分析不同类型降水云的地面降水微物理特征，评估大气垂直运动对雷达估测降水精度影响。5、基于地基探测雷达开展云中大气垂直运动Wa及水凝物微物理参数反演研究，从功率谱分布数据中进行Wa及粒子谱分布的分离进而获取Wa，分析降雪云体中的顶部雪源区域及降雪主体的大气垂直运动特征，反演并分析两个区域的降雪微物理特性。联合地面雨滴谱，使用C-FMCW雷达探测数据进行空中雨滴谱反演及大气垂直运动提取，获取降水云中大气垂直运动分布及降水微物理参数垂直分布。单频雷达反演降水云微物理参数的能力是有限的，将使用多频段地基垂直探测雷达开展联合反演，并结合其它大气环境要素进行联合分析。