利用毫米波云雷达数据反演云微物理参数和云内湍流耗散率的研究

摘要

云是影响天气和降水的关键因子，对云的微物理参数（有效半径、数量浓度等）和宏观参数（云高、云厚）进行探测是深入研究云物理过程和云辐射效应的基础。论文主要利用地基毫米波雷达进行云参数及云内湍流特性的探测和反演。根据云雷达回波的功率谱数据，反演出大气垂直运动速度和云微物理参数，并进一步研究和分析云内空气垂直运动与云微物理参数、反射率因子、多普勒速度、速度谱宽变化的关系，估算和分析云内湍流耗散率ε的大小和分布情况，对反演湍流耗散率的相对误差进行评估，结果分析如下: (1)粒子有效半径随着上升气流的增强而增大，云滴粒子通过碰并作用增长，粒子数浓度则呈现减小趋势;液态水含量的分布与反射率因子的分布较为吻合。随着上升气流的增强，云粒子的下沉运动相应减小，速度谱宽也有所增大。 (2)云内湍流耗散率ε量级一般浮动在10-10～100m2/s3，在靠近云的顶部或者底部，湍流耗散率的数值往往较大。若是云层较薄，云内湍流耗散率可能分布较为均匀，一般卷云的湍流耗散率数值较小，云内湍流活动较弱。对于弱降水云，在降水前，云内湍流强度迅速增强，在降水过程中，云内湍流强度也一直很强，后期云内湍流会逐渐减弱。 (3)多普勒速度能谱验证了能谱惯性副区具有-5/3的斜率特征，符合科尔莫戈罗夫的湍流理论。同时论证了反演湍流耗散率两个主要假设的合理性，当湍流较强时，能够较为准确的反演湍流耗散率，湍流耗散率的相对误差较小，但随着湍流耗散率的减小，反演湍流耗散率的相对误差逐渐增大。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究目的及意义

1．2层状云微物理参数反演方法研究进展

1．3云内湍流特性的国内外研究进展

1．4论文主要研究内容

第二章毫米波雷达与观测资料

2．1中国气象科学研究院Ka波段云雷达

2．2南京信息工程大学Ka波段云雷达

2．3 NCEP资料简介

第三章层云微物理参数和空气垂直运动速度反演的试验研究

3．1毫米波雷达功率谱数据处理

3．1．1I、Q数据处理过程

3．1．2噪声电平估计

3．1．3谱矩计算

3．1．4选取云信号

3．2云微物理参数的反演方法

3．2．1估算空气垂直运动速度

3．2．2利用空气垂直运动速度反演层状云微物理参数

3．3云微物理参数和空气垂直运动速度反演个例分析

3．3．1个例1—2016年8月8日

3．3．2个例2—2016年7月26日

3．3．3个例3—2016年8月2日

3．4本章小结

第四章反演云内湍流动能耗散率的试验研究

4．1湍流简介

4．1．1湍流的描述

4．1．2相关函数和相关系数

4．1．3湍流能谱

4．2反演不同云型内的湍流耗散率

4．2．1湍流耗散率的估算方法

4．2．2不同云型下湍流耗散率的特征分析

4．3反演湍流耗散率的误差评估

4．3．1误差评估方法

4．3．2湍流耗散率误差评估的个例分析

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1本文的主要结论

5．2创新点

5．3存在的不足与展望

参考文献

致谢

个人简介