利用双频雷达反演云降水微物理参数的方法研究及其演变特征分析

The microphysical characteristics of cloud and precipitation play an important role in understanding the formation and development of precipitation, the interaction between precipitation system and surrounding environment, and the effect of precipitation system on atmospheric radiation. The dual-frequency radar can accurately provide the microphysical characteristics of cloud and precipitation and the estimation of precipitation by combining the return signals of the two frequency channels. Combined the dual- frequency radar (Ka/ Ku-band) developed by Beijing Institute of Radio Measurement, with the disdrometer and microwave radiometer of State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Science, in this project, the field observation test is carried out in Qinghai area, and the data of cloud and precipitation (except heavy rainfall) are obtained. The retrieval method of microphysical parameter of cloud and precipitation is developed. The project mainly includes: (1) the analysis of consistency and systematic error of dual-frequency radar; (2) the retrieval method of drop particle size, liquid water content, number concentration, vertical profile and precipitation rate; (3) The retrieval results are compared with the disdrometer, microwave radiometer, ground observation, model results and so on. Through the above research, the rationality of the retrieval method of micro-physical parameters of cloud and precipitation based on dual-frequency radar is discussed. Then, the microphysical process of different types of precipitation is understood and the micro-physical parameters in the NWP and the accuracy of forecast are improved.

云降水微物理特征的研究对理解降水的形成和发展、降水系统和周边环境的相互作用、降水系统对大气辐射影响有非常重要的作用。双频雷达通过联合两个频率通道的返回信号，能够更准确地提供云降水的微物理特征及降水率估测。本项目依托航天部23所研制的双频雷达（波长为Ka和Ku波段），联合中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的雨滴谱仪及微波辐射计，在青海地区开展外场观测试验，获取探测云和降水（强降水除外）资料，研究云降水的微物理参数反演及降水率估测方法。本研究主要包括：（1）双频雷达的一致性和系统误差分析；（2）云降水粒子大小、液水含量、数浓度等滴谱参数、垂直廓线及降水率的反演方法研究；（3）将反演结果与雨滴谱仪、微波辐射计、地面观测、模式结果等进行对比分析。通过以上研究，探讨利用双频雷达反演云降水微物理参数和降水率的方法，认识不同类型降水的微物理过程，从而改进数值模式中的微物理参数，提高预报准确性。

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于2019年初3月将已有的Ka频段毫米波云雷达升级改造为双频雷达（Ka/Ku波段），依据此部雷达，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。在理论分析方面，采用扩展边界法计算了不同直径粒子的散射特性和衰减特性，从而计算出粒子直径与双频比（DFR）之间的关系。然后采用前向反演方法、后向迭代反演方法对降水粒子的直径、浓度等微物理参数的反演进行模拟，探讨了反演方法、测量误差、雷达距离分辨率、雨滴谱(DSD)参数化等因素对Ka/Ku波段双频雷达反演结果的影响。研究结果表明：测量误差对于前向反演方法和迭代后向反演方法的影响都比较明显，在实际应用中应予以消除。当伽马分布的形状因子μ取值在2到4之间时，DSD参数化对双频技术反演的偏差小于±10%。前向反演方法对雷达距离分辨率比较敏感，提高距离分辨率可以提高反演的降雨廓线性能，而迭代后向反演方法具有稳定的反演性能。温度误差对反演的降雨廓线的影响可以忽略不计。在利用双频雷达观测数据反演方面，首先利用双频雷达的外场观测数据，对双频雷达的探测一致性进行了分析，Ku和Ka波段之间的系统误差很小，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资料统计了衰减系数和液态含水量（LWC）的经验关系。然后选取了2019年两次降水过程，利用双频雷达的观测数据初步反演了液水总量、雨滴谱随时间的变化。并得到如下结论：双频雷达反演的液水总量的变化趋势与微波辐射计的反演结果有着很好的一致性; 双频雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱仪观测的雨滴谱一致性较好，反演结果优于单雷达反演结果。利用双频雷达能够更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以及改进数值模式中的微物理参数都有重要的意义。