Ka/Ku双波段云雷达多普勒功率谱的观测分析及空气上升速度和雨滴谱反演方法研究

As microphysical and dynamic factors, drop size distributions and air vertical velocities play an important role in cloud physics and mesoscale meteorology, development and examinations of cloud microphysics parameterization schemes in numerical models, weather modifications. Due to the effects of attenuation, turbulent and minimum observated reflectivity on Doppler spectra, it is difficult to retrieve accurately these parameters from single wavelength cloud radar, especially for convective cloud. In this project, the field experiment on fine vertical microphysical and dynamic structures and evolutions in stratus and convective systems will be conducted in South China with Ka/Ku dual wavelength cloud radar, cooperated by other wavelength vertical pointing radars, disdrometers and airplane observations. We will analyze the effects of radar observation parameters on Doppler spectra, develop attenuation correction methods based on raindrop size distribution, Doppler spectra dealiasing with different work modes, develop retrieval methods of vertical velocity and raindrop size distributions for stratus and explore convective cloud’s retrieve, and examine the retrieval results. Base on these results, the structures of these parameters in precipitations will be analyzed. The objects of this project are to propose observation modes for Ka/Ku dual wavelength solid-state transmitter cloud radar, develop methods for Doppler spectra quality control and retrieval methods for microphysical and dynamic parameters, improve the cloud and precipitation observation ability and provide methods and technical support for development of dual wavelength cloud radar.

云降水滴谱分布和空气上升速度是云物理、人工影响天气和中尺度对流系统研究，建立和检验数值模式云降水参数化方案的重要指标。仅仅依靠单波段云雷达的多普勒功率谱数据很难准确反演这些物理量，特别是对流云。本项目利用垂直指向的Ka/Ku双波段云雷达，结合其他波段的雷达、地面雨滴谱和飞机观测，开展华南层状云和对流云垂直廓线观测。研究云雷达观测参数对多普勒功率谱的影响，基于雨滴谱分布的多普勒功率谱数据的衰减订正、速度退模糊等质量控制方法；研究层状云的雨滴谱、空气上升速度、粒子下落速度的反演方法，尝试对流云参数的反演；与地面滴谱仪和飞机观测结果比较，分析反演效果的合理性；初步分析典型过程的云降水的微物理和动力参数结构。项目目标是提出固态发射机体制的Ka/Ku波段云雷达观测模式，建立基于功率谱数据的质量控制方法，空气上升速度和雨滴谱等参数反演方法，提高对云降水微物理和动力结构及其演变的探测能力。

云降水滴谱分布、粒子下落速度和空气上升速度是云物理、中尺度对流系统研究，建立和检验数值模式云降水参数化方案的重要指标。仅仅依靠单波段云雷达很难准确反演这些物理量，特别是对流云，而双波段云雷达是改进这些参数垂直结构探测的重要技术。. 为此，本项目利用Ka/Ku双波段云雷达开展了华南云降水外场试验，研究了双波段云雷达观测、数据处理和微降水微物理动力参数反演方法，分析了混合云降水中层状云和对流云微物理和动力参数的结构及其关系。本项目获取到了2019年-2022年4-9月3年的ka/ku双波段云雷达、微降水雷达和雨滴谱仪综合观测数据；提出了一套ka/ku双波段云雷达基数据和多普勒功率谱数据的质量控制方法，实现了多普勒功率谱数据质量控制和融合、回波强度系统偏差和衰减订正，基数据的再计算等功能。本项目形成了两种空气垂直速度和雨滴谱垂直廓线的反演方法：基于Ka/Ku双波段多普勒功率谱和最优估计的微物理和动力参数反演方法，基于双波段径向速度差的雨滴谱反演方法，实现了层状云和对流云空气垂直速度、雨滴谱、含水量和雨强等参数的垂直廓线的反演，并通过与雨滴谱数据的比较，分析了反演结果的可靠性，验证了方法非合理性。利用反演结果，分析了一次混合云过程的空气上升速度与这些微物理参数的垂直结构和相互关系，发现对流单体前部上升气流和后部下沉气流；空气垂直上升速度和粒子平均直径在2 km高度层到达最大，而粒子数密度、液态含水量和雨强在2 km以下明显增强，粒子直径却减小，水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这些成果验证了国产的Ka/Ku双波段云雷探测能力，质量控制方法成功解决或者明显减小了双波段云雷达回波强度系统偏差、雨区和天线水膜衰减问题，提高了衰减订正的能力，反演方法减小了微物理和动力参数受雷达灵敏度、距离和对流云中湍流强度的影响，为云物理研究提供了更为准确的空气垂直速度和微物理参数。