Ka波段-多模式毫米波雷达功率谱数据处理方法及云内大气垂直速度反演研究

摘要

云的观测和研究对天气预报、气候预测和人工影响天气具有重要意义。近年来，毫米波雷达快速发展并成为了云观测的主要设备。2013 年，中国气象科学研究院参与研制出了国内第一部固态发射机、多观测模式体制的Ka波段毫米波雷达，并于2014~2015年夏季，在我国华南地区和青藏高原地区开展了科学观测，获取了大量的宝贵资料。论文对这部雷达的功率谱数据处理方法、测云能力、数据质量、数据质量控制方法和青藏高原积云内的大气垂直速度反演方法开展了研究。主要的研究内容和结论包括：　　(1)着重介绍了这部Ka波段毫米波雷达的系统特点、技术指标、信号处理技术和观测模式，并采用信噪比和信号源的方法对雷达进行定标。结果表明，这部毫米波雷达灵敏度较高，5km最小可测回波达-39.5dBZ。设计的三种观测模式联合运行不仅可以保证对不同云类探测的全面性，同时还保证了数据的可靠性。雷达水平和垂直2个通道信号输入和输出的线性度非常高，定标准确性良好。　　(2)研究了毫米波雷达功率谱数据的处理方法，包括功率谱数据模拟方法、噪声电平计算准确性评估、云信号识别方法和谱矩计算，并引入了谱偏度和峰度两个谱形态物理量。结果表明，卷云、边界层、降水三个模式的谱宽在 2m/s、1m/s和4m/s以下时，噪声电平计算误差都很小，多观测模式的设计可避免噪声电平严重高估的问题。从噪声电平计算的准确性、稳定性和适应性来看，分段法是最优的选择。谱偏度和峰度的正负变化可以反映云内滴谱和相态的变化，在冰云增长和云降水转化过程中，它们是实用的指标。　　(3)从理论计算和利用多种波长雷达数据研究了毫米波雷达的测云能力和数据质量。结果表明，这部雷达理论上对弱回波的探测能力和实际统计结果十分吻合。对于强的回波，粒子半径在0.6~1.24mm时，米散射会使回波偏强0~1.21dB；粒子半径大于1.24mm开始，米散射使雷达回波严重偏弱，半径越大偏弱越多。毫米波雷达在云的结构、形态和强弱分布上与其他仪器十分一致，但灵敏度高的优势明显，能识别到更低的云底、更高的云顶、探测到更多云量。毫米波雷达与其他仪器，探测高层云时，回波强度平均误差不超过0.5dB，速度误差为0.1m/s，谱宽误差不超过0.1m/s。探测强积云时，米散射使回波强中心偏弱0~4dB，速度平均误差为 0.2m/s，谱宽误差不超过 0.2m/s。探测弱降水云时，回波强度超过27dBZ 开始回波逐渐偏弱，亮带可偏弱 3dB 左右，速度误差不大，谱宽误差不超过0.1m/s。毫米波雷达功率谱可以探测到更弱的信号，云底信号更强，云中部信号与其他雷达基本一致，云顶信号在探测强积云时有一定衰减，米散射可使大粒子的信号偏弱。谱的回波强度概率分布、双峰和三峰结构与其他仪器较为一致。考虑到不同雷达在波束宽度、受风切变和湍流影响的差异，认为毫米波雷达的数据质量较为可靠。　　(4)研究了Ka波段毫米波雷达的速度模糊、低空浮游物杂波、噪点-径向干扰杂波的数据质量控制方法，并用实例对效果进行了检验和分析。结果表明，提出的速度退模糊方法效果良好，15 个不同云过程个例的退模糊成功率都达到了100%。利用统计得到的回波强度-退偏振比双阈值可以 100%/97.84%滤除华南/青藏高原地区的浮游物杂波。　　(5)利用这部雷达多种观测模式的功率谱研究了青藏高原积云内的大气垂直速度反演方法。利用回波的前后变化、平均速度的正速度区位置、谱宽大值区位置、强回波位置、下落速度和回波强度关系等分析了反演的大气垂直速度，结果表明，反演的结果较为合理可靠。在反演精度上，对于不是太强的淡积云和积云，反演误差可控制在相应观测模式的速度分辨率之内，低层弱积云的误差最小，而强积云误差会稍大，但相比大气垂直速度来讲，误差可控制在一个数量级以下。利用ω0-Z关系从理论上对方法结果进行了初步检验，结果表明，方法反演结果基本与理论推导的基本一致。

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