94GHz毫米波云雷达测云能力研究与回波分析

摘要

近年来发展的毫米波云雷达对非降水云及弱降水云的探测表现出很大的优势，与厘米波天气雷达相比，它有探测小粒子、测速精度较高、空间分辨力较强的特点。94GHz 雷达波长较短，后向散射能量较大，容易实现机载探测或星载探测。目前国内已成功研发35GHz 云雷达，正在大力发展94GHz 云雷达。本文利用英国的94GHz 雷达及安徽四创电子公司刚刚研制成功的94GHz SKY云雷达，进行了云特性的分析及云的微物理参数反演的初步研究，并探讨了94GHz SKY云雷达的探测能力。论文的主要工作和结论如下：　　(1)云的散射及衰减特性的研究，主要用DDA算法计算。随机取向粒子散射及衰减特性在宏观上表现为各向同性，与入射波偏振状态无关，水平取向粒子的散射特性与入射波偏振状态及入射角有关；不同形状的粒子具有不同的散射特性。直径小于1mm的冰晶或水滴其后向散射基本满足瑞利散射，随粒子增大出现震荡。六角形冰晶的后向散射对取向、形状比较敏感，对温度不敏感。在实际的冰云中，对于垂直指向的水平偏振波，将六角形冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射，并且后向散射低估较多；将聚合物冰晶看做等体积球形，将高估其后向散射及衰减，子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大，但是衰减比同体积球形的小。针对不同的非降水水云得到了雷达反射率因子及液态水含量的关系；利用具体的冰云模型得到冰云回波强度与衰减系数以及冰水含量的关系；由于非瑞利散射的影响，降雨率与回波强度不再是指数形式，得到了新的非指数形式关系。　　(2)94GHz 云雷达回波特征及测云能力分析。利用英国的94GHz Galileo测云雷达，结合35GHz 云雷达、地面雨滴谱计、雨量计和探空资料等，分析了94GHz 雷达的回波特征及测云能力。94GHz 云雷达区别于厘米波雷达的较显著的回波特征是层状云降水的零度层亮带之下，雷达反射率因子降低不明显或没有降低；零度层亮带上面存在零度层暗带。雷达反射率因子、多普勒速度、谱宽激增的地方是融化层顶。94GHz 和35GHz 两部雷达同时探测到暗带，表明冰晶粒子至少超过6.8mm。由于降水时的衰减和非瑞利散射，与35GHz 测云雷达相比，94GHz 雷达反射率因子远小于35GHz 雷达反射率因子，使探测的高云云顶高度偏低，但94GHz 云雷达抑制地物杂波的能力更高，在低云探测方面具有优势。94GHz 云雷达还可以探测到雾，雾的多普勒速度菲常杂乱。上述研究结果为我国正在研制的94GHz 云雷达探测能力的可行性分析提供了参考依据。　　(3)利用毫米波雷达识别过冷水。利用英国的35GHz 、94GHz 测云雷达结合激光雷达和探空资料，识别了非降水云及降水云的过冷水区，并用微波辐射计测量的液态水路径或毫米波雷达的多普勒谱密度进行验证，最后利用多普勒速度的双峰谱来反演过冷水含量等微物理参数。毫米波雷达联合激光雷达利用阈值法可以识别过冷水层及混合相云中的过冷水，混合相云的谱宽较大且为双峰谱；混合相云的雷达反射率因子主要取决于冰晶，根据雷达反射率因子反演会低估云液态水含量；有的非降水云的云顶具有过冷水层。　　(4)我国94GHz SKY雷达云回波观测及微物理参数初步反演。首次利用我国自主研制的94GHz SKY云雷达成功探测的回波及外场实验数据，分析了2013年6月8日安徽一次低云的宏观结构，探讨了一次雷阵雨降水云系的微物理过程及动力过程，验证了SKY云雷达的探测能力。利用本文推导的公式及国外的经验公式，首次使用SKY雷达研究云内液态水含量、冰水含量及云粒子有效半径。SKY雷达能探测到随时间演变的云宏观及微观参数，反映云内的精细结构和小尺度变化；雷达的灵敏度较高，最小可测层积云的雷达反射率因子约为-35dBZ，可测含毛毛雨的层积云LDR的雷达反射率因子下限阈值一般为-11--14dBZ，随湍流增强阈值变小；反演水云的液态水含量及有效半径时需区分云滴和毛毛雨。机载雷达探测到非降水的冰晶云或混合相云的回波强度约在-30-5dBZ之间，线性退极化比与粒子形状及雷达扫描模式有关。94GHz SKY雷达的LDR可识别融化层的高度和厚度。

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