利用DPR和GMI探测结果对东亚降水云的个例分析研究

摘要

全球降水观测计划（Global Precipitation Measurement，简称GPM）是由美国和日本联合提出的继热带测雨卫星TRMM之后的新一代全球卫星降水观测计划，该计划的主卫星已于2014年2月28日发射升空，其上搭载了全球首部星载双频降水测量雷达（Dual-frequency Precipitation Radar，简称DPR）和一个多波段微波成像仪（GPM Microwave Imager，简称GMI）。目前GPM主卫星已成功在轨运行两年有余，DPR和GMI探测积累了充足的数据，为我们进一步的深入研究全球降水提供了很好的条件。但是GPM仍然属于一个比较新的研究领域，目前国内还缺少专门介绍GPM及其产品的文章，我们对于GPM的了解和认识还很不够，对于GPM降水观测资料的研究和使用更是匮乏。基于此，本文首先就GPM及其搭载的主要仪器、GPM产品以及算法等进行了系统的阐述;其次通过个例分析的方法重点对DPR双波段探测降水的差异进行了研究;最后我们利用DPR和GMI的最新观测资料对东亚地区的三个典型降水个例进行了分析研究。
　　我们主要从地表降水强度、雨顶高度、降水雷达回波信号以及降水粒子谱分布这四个方面分析了DPR四种不同的探测方式(Ka_HS、Ka_MS、Ku_NS和DPR_MS)探测降水的差异，主要结论总结如下:
　　(1)DPR双波段探测的地表降水强度的差异
　　Ka_HS探测的地表降水强度小，主要识别的是10 mm/h以下的地表降水，尤其是可以探测到更多的降水强度小于0.4 mm/h的弱降水，这说明KaPR在高灵敏度模式下工作时，对于弱降水的识别具有很大的优势;Ka_MS探测的地表降水强度主要分布在0.4～10 mm/h之间，对大于10 mm/h的降水极不敏感，同时对于0.4 mm/h以下的降水也不能进行很好地识别，说明Ka_MS的探测性能相对较弱;Ku_NS探测到的地表降水强度大，特别是可以很好地识别降水强度大于10 mm/h的降水，对0.4 mm/h以下降水的识别，相比于Ka_HS，效果就不是很好，这说明KuPR单频降水反演产品中包含强降水的信息更多;DPR_MS双频探测的地表降水强度的PDF分布与Ku_NS单频比较类似，反演结果略小于Ku_ NS。
　　(2)雨顶高度的差异
　　综合对比Ka_HS、Ka_MS、Ku_ NS和DPR_MS四种不同的探测方式所获得的雨项高度，可以发现，Ka_HS探测的雨顶高度最高，Ka_MS探测的雨顶高度最低，而Ku_NS和DPR_MS探测到的雨顶高度十分接近，雨顶高度的大小略小于Ka_HS的探测结果，差别不是很明显。
　　(3)降水雷达回波信号的差异
　　对于中国东部和西北太平洋洋面的两个较强降水个例，尤其是台风降水个例，Ka_HS在超过13 km的高度上依然可以探测到一定的降水回波信号，而在近地面，Ka_HS探测到的回波强度达到35 dBZ，相比之下，Ku_NS探测的雨顶高度低于13 km，在5 km以下，雷达反射率超过了40 dBZ，而在5km高度以上，15-20 dBZ的雷达反射率所占的比例，Ku_NS也高于Ka_HS。对于两个较弱降水个例，尤其是阿留申群岛附近洋面更为浅薄的降水，Ka_HS基本上探测不到8km以上的回波信号，可探测到的最强回波信号约为35 dBZ，而Ku_NS在3 km以下可探测到超过40dBZ的回波信号，同时Ku_NS探测到的廓线最强回波的回波强度分布在15-45dBZ之间，相比于Ka_HS，Ku_NS探测到的低层回波强度更大。
　　(4)降水粒子谱分布的差异
　　对降水粒子谱分布的分析表明，对于较强的降水个例，DPR_MS获得的粒子谱参数dBNw相对于其它探测方式的反演结果较小，DPR_MS获得的另一个谱参数Dm相对较大，同时发现，在5 km高度以下，Ka_HS获得的粒子谱参数近似于DPR_MS，而5 km高度以上，Ku_ NS和DPR_MS的反演结果比较接近。对于较弱的降水个例，则呈现出与较强降水相反的粒子谱分布态势，在3 km高度以下，DPR_MS获得的dBNw相对较大，Ku_NS的结果更为接近DPR_MS，中体积直径Dm的分布则与dBNw的分布相反;在3km高度以上，呈现类似的分布，但是不同探测方式获得的粒子谱参数之间的差异有所增大。
　　基于DPR双波段探测降水差异，利用DPR和GMI的最新探测结果，我们选取了三个典型的降水个例（1409号台风降水、中国东部大陆锋面降水、中高纬度地区降水）进行了研究。通过分析取得以下结果:
　　(1)“威马逊”台风进入南海后，长时间处于大范围的高温海域，受强大的西太平洋副热带高压等系统的影响，在临近登陆海南岛时强度加强，维持超强台风级别，台风整体结构趋于紧密，台风眼圆而清晰可见。对台风登陆前DPR探测的回波信号和降水三维结构的分析表明，“威马逊”台风降水具有不对称和非均匀性，降水主要分布在台风中心以南的区域，台风云墙和螺旋云带内分布着多个雨强超过30 mm/h的强雨团和强雨带，它们镶嵌在雨强低于10 mm/h的面积较大的层状云降水中。降水强度和雷达回波的分析结果具有很好的一致性，降水在垂直方向上可以延伸到15 km，但是超过15 mm/h的降水主要还是集中在6 km以下的高度。可以发现DPR的Ku波段可以很好地指示云墙和螺旋云带内的强对流降水，而Ka波段MS扫描模式对台风降水的探测性能相对要差很多。另外，对GMI探测的台风不同阶段降水的微波信号的分析表明，高频通道可以较早地看到清晰的台风眼和螺旋云带，同时对陆面降水也有很好地指示作用，183.31±7GHz比89.0 GHz探测结果更加细致，这可能是由于分辨率的提高以及云中大量冰粒子的存在所导致的。
　　(2)我们利用DPR双频反演的结果对中国东部锋面降水个例进行了分析。结果显示本次锋面降水主要分布在相对窄长且雨强较大的冷锋以及较宽的暖锋上，暖锋降水强度相对冷锋较弱，但是在暖锋降水中还是可以看到多个雨强大于20 mm/h的强雨团。锋面降水雨带中分布着大量在顶部分离的降水塔，近地面降水率的高值区对应着较高的降水塔。此外，除了强对流降水雨顶高度可达15 km，大部分降水的雨顶高度都接近10km。同时降水率大的降水多出现在5km以下，层云降水在降水率剖面图上表现为5 km高度左右出现的明显亮带。DPR的分析结果说明同一个锋面天气形势下，沿锋线的降雨量也会存在很大差别，有些地方仅仅是小雨，而有些地方则可能会出现暴雨。GMI的观测结果表明，锋面降水云中的云水含量极少，而冰水含量却是相对很大。
　　(3)对中高纬度降水个例的分析表明，此次降水分布十分宽广，整个降水区连成一片。在52°～55°N存在一个相对明显的雨带，但是降水强度并不大，平均降水率在20 mm/h左右，雨带周边部分降水强度明显减弱，降水率基本上在2～10mm/h之间，5mm/h以下占绝大部分。而自雨带向南北方向延伸，降水强度进一步减弱，降水率普遍在2mm/h以下。DPR可以捕捉到0.2～0.5 mm/h的降水，这表明DPR对0.5mm/h以下的弱降水具有很好的识别能力，而这也是DPR相比于TRMM PR的巨大改进所在。此外，从DPR双波段探测的雷达回波可以发现，KaPR探测的雷达回波稍弱于相应区域KuPR探测的雷达回波，在4 km高度以下，尤其是地表降水率低于2 mm/h的区域，这种差异尤其显著，这表明Ka波段主要侧重对中高纬低层弱降水的识别，而Ku波段对于弱降水，尤其是2 mm/h以下的弱降水相对不是很敏感。GMI的观测结果表明，降水云中存在广泛分布的水粒子和冰粒子，而冰水含量显著偏高，GMI高频183.31±7 GHz对云中小的冰粒子尤其敏感。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 降水研究现状

1．2．1 TRMM PR探测降水研究进展

1．2．2 GPM探测降水研究进展

1．3 本文研究目的和内容

1．4 论文框架

第二章 GPM及其搭载仪器、资料介绍

2．1 GPM计划简介

2．2 DPR及其资料介绍

2．3 GMI及其资料介绍

第三章 GPM降水反演算法介绍

3．1 DPR的降水反演算法

3．1．1 DPR降水反演算法物理基础

3．1．2 DPR降水反演算法整体结构

3．2 GMI的降水反演算法

3．2．1 星载被动微波降水反演算法的发展

3．2．2 GPM被动微波降水反演算法

第四章 GPM双频雷达探测降水的差异：个例分析

4．1 资料和方法

4．2 结果

4．2．1 地表降水强度的差异

4．2．2 雨顶高度的差异

4．2．3 降水雷达回波信号的差异

4．2．4 降水粒子谱分布的差异

4．3 本章小结

第五章 DPR和GMI探测反演的降水个例分析

5．1 台风降水

5．1．1 台风活动路径和云系特征

5．1．2 DPR回波信号的水平和垂直分布

5．1．3 GMI探测的台风降水微波信号特征

5．1．4 DPR反演的台风降水三维结构特征

5．1．5 GMI反演降水及其和DPR降水的差异

5．2 中国东部锋面降水

5．2．1 降水的三维结构特征

5．2．2 降水的微波信号特征

5．3 中高纬度地区降水

5．3．1 降水的三维结构特征

5．3．2 降水的微波信号特征

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本论文主要结论

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果