1290MHZ风廓线雷达、微雨雷达、激光雨滴谱仪对一次春季层状云降水的雨滴谱特征与垂直气流的关系的观测外文翻译资料

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1290MHZ风廓线雷达、微雨雷达、激光雨滴谱仪对一次春季层状云降水的雨滴谱特征与垂直气流的关系的观测

摘要：2012年3月12日，在韩国南部海岸有一次东西向延伸的锋前降雨，这一类型的降雨在春季十分常见。作者采用1290MHZ的风廓线雷达、激光雨滴谱仪、和K波段的微雨雷达对层状云区降水的雨滴谱特点进行研究。各个测量仪器在不同时刻的雨滴谱在不同的取样体积和高度中都有很好的一致性。相比于从MRR雷达和雨滴谱仪获得的那些在同样大小雨滴范围的数据，风廓线雷达在海平面以上800m测得的1mm左右的小雨滴的数浓度明显减小，尤其是在降水率很高的时候。这种现象很可能是由于在很强的亮带之下被增强的下沉气流造成。相比于地表雨滴谱仪的测量结果，风廓线和雨滴谱在越高的高度上越容易受到垂直气流的影响（尤其是小雨滴）。因此，多普勒谱廓线很好的反映了与从常规方法（雷达反射率-下落速度关系）所获得的垂直气流的一致性。根据这些，通过对廓线谱模型中的上升气流和下沉气流来定量研究垂直气流对于降水率和平均直径的影响。

关键词：雨滴谱，微物理，垂直气流，下沉气流，风廓线

1. 引言

精确的反演雨滴谱是气象研究中长期以来一直在解决的问题。为了提高对于降水微物理特性和产生不同种类降雨的机制（对流云降水和层状云降水）的了解，许多研究人员已经广泛的通过扫描雷达、垂直指向雷达、地表雨滴谱仪、雨量计等地基方式研究雨滴谱特点。用如风廓线雷达、微雨雷达等多普勒垂直指向雷达反演雨滴谱比通常被用来测得地面值的地表雨滴谱仪更有效。这是因为多普勒的速度和能量谱是在垂直倾角时测得的，所以测量的结果可以更准确的给出降水垂直特性以及在大范围垂直可以被估测的情况下定量的反映出垂直气流对雨滴谱反演的影响。

Rajopadhyaya用50MHZ多普勒谱的风廓线雷达研究了在考虑垂直气流影响下降水率的特性和中值体积直径参数，并指出雨滴谱的反演误差随着垂直气流的增加而增大。反演误差在对流降水中较大，因为垂直气流w在对流性降水中比层状云大。Cifelli(2000)用UHF廓线来研究降水参数，从VHF获得澳大利亚Darwin附近的热带对流系统中的垂直气流，并指出虽然这和地面雨量计在取样高度上从1.6km到1.9km的不同，但反演出的降水率廓线具有合理的一致性。Tokay对雷达反射率因子进行比较，并且垂直方向上的Z-R关系在S波段风廓线雷达，K波段MRR雷达和Joss-waldvogel雨滴谱仪在于不同的降水中也是变化的。他们指出在MRR和反射率廓线相比于每部雷达和雨滴谱仪的数据有更好的一致性，并且风廓线雷达逐渐增强的反射率和雨滴谱仪之间的一致性会随着高度减小，尤其因取样的体积不断增加。

在雷达遥感探测中，通常认为雨滴谱是在假设环境大气静止时，由多普勒谱线反演得到的，这也给出了反演雨滴谱的一个重要基础，就是在垂直气流为0时，雨滴直径可以直接有探测的多普勒速度获得。然而事实上，在大气中存在垂直风速，会影响多普勒谱线和参数的反演，使地面雨量计的反演产生错误。除此之外，空间降水在一个有风的环境中是非均匀的，如取样体积、高度的不同，取样误差（或偏差)等同样也各个雷达、雨量计反演产生差异的重要的影响因素。尽管如此，为了满足长期的更好的研究降雨动态和降水过程的科学目标，更高精度的雨滴谱反演技术一直都在不断提高，用更加精准的模型将其参数化来完善天气预报。然而，关于w会影响雨滴谱反演准确性的问题，相关的研究还相对较少。

本篇论文研究的是通过从MRR和Parsivel雨滴谱仪获得的一次在较高降水率中存在下沉气流的层状云锋前降水系统的多普勒谱廓线和雨滴尺度谱，来反映雨滴谱和相关的降水参数的特点。

1. 仪器方法

本文分析的数据来自于风廓线雷达，MRR，Parsivel雨滴谱仪获得的一次春季层状云降水。基本仪器是位于在科拉半岛南部海岸的宝城市的NCIO，工作频率在1290MHZ的L-28风廓线雷达。在UHF频段，风廓线雷达对粒子的瑞利散射比晴空散射更为敏感，瑞利散射在UHF的多普勒谱中更为显著。在每个高度范围测风和多普勒能量谱时，用到一束垂直的波束，和四束天顶角为15°的非垂直波束。三个时刻的信噪比、多普勒速度、和谱宽同样也有多普勒谱得出。在本文中只有垂直方向的多普勒谱和参数是用来反演雨滴谱的。每个波束的停留时间约为30秒，时间和高度分辨率分别呢为1min和100m。在高度的选取上，最大高度是9kmAGL,廓线参数的详细情况见表1.

MRR是一部垂直指向雷达，工作频率为24GHZ(Ka波段）。MRR根据FMCW原理测量31个高度上的多普勒谱，雨滴谱的分布和雷达反射率、降水率等降水参数都是通过多普勒谱线得到的。高度和时间的分辨率分别为200m和1min。风廓线雷达的波长较长，对衰减并不敏感，然而MRR在大雨后会有严重的衰减。在第一个高度范围200mAGL以下衰减是不能忽视的。

Parsival雨滴谱仪在利用激光的光学特性(波长640nm），可以在地面上测量冰晶、液态粒子的尺度，降落速度，雷达反射率因子和降水率等。关于激光雨滴谱仪的测量，Tokay指出以前的激光雨滴谱仪会低估小滴数量高估尺度大雨2mm的雨滴数量，尤其是在暴雨中。用Joss-Waldvogel雨滴谱仪和雨量计对新旧Parsivel进行对比，作者发现了新的Parsivel对雨滴尺度和降水都有可观的改善。Parsivel测量的雷达反射率在本文中被用来校准多普勒谱廓线和反射率因子。

1. 反演方法

在目前的研究中，有一种叫谱方法叫SAM模型，它用于反演融化层下的雨滴谱和相关的降水参数。在模拟雨滴谱时，有一种gamma尺度分布的形式，具体如下：

(1)

其中，D是粒子直径，N(D)雨滴直径在D和D dD范围内的数密度。N₀是、mu;、和Lambda;分别是gamma分布的的截距、形状、和斜率参数谱廓线是降水粒子谱晴空谱的卷积。通过改变质量加权平均直径（D_m）（或者Lambda;，用Lambda;=（4 mu;）/D_m),晴空谱展宽，一个卷积谱形根据合适的卷积谱不断地形成连续的模式来适应观测的谱线和分离的降水粒子谱。在大量的重复过程后，会产生一个最合适的降水粒子谱，其中的D_m，sigma;_air和mu;是由模型卷积谱和观测的卷积谱的最小二程误差确定的。谱线的增宽是由于在整个模式中的强大的气流，风切变，湍流等引起的。这个过程中反演的雨滴谱和降水参数都是在降水的垂直气流为零的假设前提下进行的，因此，多普勒速度就等于粒子的降落速度，雨滴直径可以直接从下落速度-直径关系中得到。SAM反演方法在层状云降水这种垂直气流近似为0的降水中是合理的。关于SAM模型进行这个过程的详细情况可以参见Williams的研究中。

接下来，用廓线谱来反演w。在真实大气中，w及时在层状云降水中也不为0，或者观测到的谱线会和速度有偏差。因此，真实的w值也可以反过来由谱线得到。多普勒速度会在速度轴上向右偏移11.2m/s，这个谱会因上升气流随着库数的增加而逐渐向右偏移，下沉气流时会向左。同第一步进行一样的过程，随着w的增加逐渐找到一个最符合观测谱的。虽然每次重复过程都会在之前设定好最大和最小速度，最后通过LSES在模式卷积和偏移观测谱计算得出的最小值得到的w值获得的粒子谱值是会成倍增加的，应当知道的是，通过w=0和wne;0是这两种方式来反演雨滴谱和其他参数的重要条件，雷达反射率因子，多普勒速度和对于给定谱的谱宽在模型谱和移谱中是不变的。最后，在之前的研究中，也有用矩量法对雨滴谱进行研究的，它用来从MRR和Parsivel的雨滴尺度来得到雨滴谱参数。

1. 结论

4.1风廓线雷达、MRR、和Parsivel雨滴谱仪得到的观测数据

2012年3月22日，在韩国南部海岸的NCIO三种仪器观测到了一个沿着东西向的降水系统。在大多数分析时段，这个层状云的降水系统的最大降水率是10mm/h,并向东南方向移动，在图1（b)中，一个对流较强的区域出现在NCIO南部40千米左右的地方降水率达到了50mm/h。图2展示了风廓线雷达在不同时刻高度上的雷达反射率和多普勒速度。在2.5-3km高度可以持续观测到一个随时间强度变化明显的亮带，图2中的垂线表示出现R高于10mm/h时的降水，也就是在图1（b）中水平降水分布的部分。在图2（c)和（d)中，平均Z廓线表明了3km高度的强回波和在融化层下微弱的下沉气流作用下Z减小的平均程度。在融化层，亮带强度和亮带厚度以及Z的最大值成正比。

可以从1100到1200UTC观测到最强最厚的亮带后总有Z值得降低，在这段时间内，融化层上约5km左右，有一个区域高于雪的雷达反射率（35DBZ)，这表明了此处存在更大的冰晶粒子。这种高的固态降水反射率会产生更强的亮带，因为大的固态粒子融化会导致融化层Z的峰值在51dBZ（1130UTF)，此外，8m/s这种较高的垂直气流在图2（b)中可见，这表明了由于上述融化作用产生降水给融化层周围区域带来下沉气流。

图3显示了一次时间连续上的对三种仪器反演Z,R,D_M的比较，在每个时间序列中都采用三向平均。反演的分别是MRR的最低高度200m,和风廓线雷达800m高度层的数据。低于这一层能量谱的数据不会被使用，因为他们会受地物杂波和衰减的影响。在图3（b）中，MRR和Pasivel测得的最大Z值达到了40dBZ。风廓线雷达要比他们小5个dbz,尤其是在图3（c)这种大的降水中，在其他观测时段内也不会超过33dBZ。这主要是因为廓线雷达最大动态量程限制在72dBZ，在降水强度很大时也不能探测到强回波。因此，这会导致更小的Z和R。在其他Rlt;5mm/h的时段，R的廓线和MRR与Parsivel有很好的一致性。

在图3（d）中，MRR得到的D_m比Parsivel得到的明显更大(1510UTC)。这个在右图中的1510到1520UTC之间的平均雨滴谱见图3,它反映了MRR在小雨滴范围更小的数浓度，也就带来了更大的D_m，（请同时参看图6（b)在这段时间MRR的雨滴谱）。可能这个MRR探测的200m高度上小范围的湍流或较强气流有关，风廓线和Parsivel都不存在这种情况。事实上，在地表附近有不断增加的水平风（1510UTC)。此外，相对于激光雨滴谱仪来说，MRR、风廓线都有取样体积，这也会带来相互间的差异。同样应指出，激光雨滴谱仪并不能准确测量雨滴谱和下落速度，因为速度会受到高空水平风的影响。

4.2垂直气流在时间上的比较

在图4中，800m高度上的三个时间序列之间的w相互比较。一个是从第三部分中的SAM模型的第二步得到的，其他两个是根据两个反射率因子-降落速度的关系得到的。在研究w与R和D_m的关系时已经做出了w的比较，这个将会在最后的部分进行阐述。用到垂直风关系w=W_dop-V_f（在这三组中都是负的下沉气流），当W_dop是多普勒速度和V_f粒子的下落速度。为获得雨滴谱的V_f,要用到经验公式V_f=2.6Z^0.107和V_f=3.5Z^0.084，他们可以用于各种降水和风暴天气中w的计算。此处，Z是雷达反射率因子。在高处雨滴降落的更快，因为大气的密度随着高度减小。大气密度随高度的订正因子（rho;₀/rho;)^0.4这一因素要考虑到V_f中，rho;是大气密度，rho;（z）=rho;₀exp(-z/9.58),z是高度，单位为km。

研究时很巧合的是，图4中反演的w廓线与V_f=3.5Z⁰⁰⁸⁴得到的w有很好的一致性。这表明了在大多数的时候，如果确定了存在下沉气流时，用这个关系比用V_f=2.6Z^0.0107得到垂直速度更好，w的值在1135,1155,1540和1700UTC都达到了接近-1m/s左右。也就是说由Z-V_f关系得到的w值与廓线得到的w值成负相关，这也就确定了在这些时刻由比较大的气流存在。在图3（c)中，同样也有更大的降水率，达到10mm/h，这也表明了w和R的正相关关系。特别指出，在图2（b)中，1130到1150UTC显示了很强的W_dop强度达到-8m/s左右。

对于这一比较还有一个重要方面是w谱线更接近于V_f=2.6Z^0.0107，举例来说，对于给定的Z=30dBZ，和W_dop=-7m/s,由上式计算出的V_f是0.81m/s,比V_f=3.5Z⁰⁰⁸⁴要小，根据速度关系，这就会产生一个比在0.81前提下计算出的更小的值。因此，这就表示用V_f=2.6Z^0.0107得到w是在有强大上升气流降水率高的降水中更为合适的。下沉气流是在1135、1155、1540、1700UTC下分析得到的，在这些UTC下的降水特性会在强亮带时有更大的R和D_m，在接下来的部分会详细论述。

4.3在融化层之下的反演的参数廓线特性

图5表示了亮带以下800m到2.5km的Z,R,D_m的时间-高度图，图5（a)中可见Z-R之间的正相关关系。对于R和D_m在1050到1135UTC时给出确定的Z时，R和D_m有相反的变化趋势，在1.7-2.5kmZ值为40dBZ的高值区有很多 直径很小的

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