基于后向散射差分传播相位的融化层固态粒子微物理特征研究

Backscatter differential propagation phase (δ) is an indispensable inherent polarimetric variable and it seriously affects the quality of polarimetric radar measurements and the other radar variables retrieval algorithm, such as the specific differential phase, hydrometers classification, drop size distribution and radar quantitative precipitation estimation. δ bears important information about the size distribution of solid hydrometers within the melting layer. It can be used to measure the collision and aggregation degree of large rain drops, and the rimming degree of ice crystals and snowflakes. It also indicates the existence of the Mie scattering effects and hail storms. Extracting δ from the polarimetric radar moments and then researching the relationships between δ and the size distribution, evolution and phase transition of solid hydrometer characters in the melting layer is the key focus in the international atmospheric science and hydrology. This project mainly aim to form a robust δ retrieval algorithm and then use δ to analyze the relationships between δ and hydrometers such as hail, big rain drops, wet snow and heavy snow and graupel in the melting layer. It makes very important senses for the research, using polarmetric radar measurements, on the microphysical composition, the evolving states and characters in the solid-hydrometers dominated precipitation clouds, and on the development of the innovative and quantitative solid-hydrometers nowcasting models in the future.

后向散射差分传播相位（δ参量）是双偏振雷达不可忽略的内在隐含偏振参量，也是双偏振雷达资料质量控制、特定差分相位反演，雨滴谱反演和定量降水估测算法研究与应用过程中最重要的影响因素。由于δ参量承载着融化层内大尺寸雨滴粒子和固态粒子分布的重要信息，可以度量融化层内粒子碰并和聚合等微物理过程以及冰晶或雪花淞化程度，是米散射效应和冰雹等固态粒子的重要指示器。如何从双偏振雷达资料中提取分离出δ参量，然后分析δ参量与固态粒子分布、演变特征与相态转换特征之间的关系，是当前国际大气科学和水文学研究的重点和焦点问题。本项目致力在构建稳定的双偏振雷达δ参量反演算法的基础上，定量分析δ参量与融化层内冰雹、大雨滴、湿雪、暴雪和霰等多种固态降水粒子之间的关系，以期拓展多相态降水云团的微物理组成与发展演变特征的研究，这对新的固态降水短时临近预警预报模型的建立与检验评估均具有十分重要的意义。

通过紧密围绕中国首部C波段业务化双偏振雷达（位于杭州大明山）观测资料在在实际应用过程中存在的问题，使用杭州大明山C波段偏振雷达和9部Parsivel2激光雨滴谱在2016年-2017年汛期的观测数据，通过增加衰减率 (AH: The specific differential phase)非负约束、差分传播相位(ΦDP: The differential phase)单调递增约束、相关系数(ρHV)约束和水平反射率因子(ZH:Reflectivity)与差分反射率因子(ZDR:Differential reflectivity)非线性约束的方式，改进了Bringi et al.2001提出的基于自一致性的雷达反射率因子和差分反射率因子雨衰减订正方案，用于提高双偏振雷达ZH和ZDR的实用性以及后续δ参量的提取工作，并通过结合ZH与差分相移率(KDP: The specific differential phase)之间的自一致性关系，进一步提高了雷达观测资料的质量，最后利用冬季降雪过程中雷达高仰角观测资料的QVP(Quasi-Vertical Profiles)信息，结合改进后的ZPHI方案提取融化层内的后向散射差分播相位(δ: The backscatter differential phase)信息。结果表明：(1) 改进的ZPHI方案可有效增强ZH和ZDR，使得C波段雷达的ZH与S波段雷达观测结果、雨滴谱模拟的雷达参量分布、以及差分相移率KDP更加一致,同时反演得到的小时降雨量有显著改善；(2) 衰减订正和部分遮挡订正方案一并可以进一步增强遮挡区域内的ZH数据质量和雷达定量降水估测效果；(3) 利用质控后的ZH可有效改进基于反馈机制的降水估测算法的性能,使雷达估测雨量有效逼近地面观测雨量; (4) 基于不同参量的雷达降水估测算法中，基于标准R(KDP)的雷达QPE算法昌化洪水过程中表现最好，但在千岛湖附近内涝过程中，融化的固态粒子会降低基于偏振参量的降水估测算法的性能。(5) R(AH)算法在两次过程中均存在明显的高估，这主要归结为降水粒子分布的不均匀性和雷达观测与地面观测参量之间的差异性。α系数的调整可以部分地减少这种影响，从而使R(AH)的性能优于R(KDP). (6) δ参量的提取为融化层内固态粒子的研究提供了重要参考信息。