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机载W波段测云雷达Z值对云参数的敏感性研究

滕煦  
【摘要】:云中粒子的探测对于地球—大气系统辐射平衡和天气预报中云降水过程的发生发展有着重要意义。由于毫米波更接近云粒子尺度,毫米波雷达越来越多地用来探测云粒子(包括水云、冰云)及尺度较小的降水粒子。为了便于研究诸多因素对毫米波云雷达探测回波强度的影响,本文利用课题小组设计开发出的机载雷达探测数据仿真平台‘'SimRAD" (Simulating airborne Radar detection and Data processing),模拟了在不同的云参数设置下的机载W波段(3.2mm)雷达探测非降水云时的雷达回波Z值廓线,进一步讨论了Z值对云参数(粒子尺度、密度、谱分布等)的敏感性,计算了毫米波雷达探测云和降水粒子的k-Z关系,研究了毫米波测云雷达探测非降水云所受到的衰减作用。主要结果为: 1.机载3.2mm雷达探测水云时,云滴粒子的雷达回波Z值对粒子尺度和液态水含量LWC变化较敏感,不同的云滴谱分布会对Z值造成影响,其中modified gamma分布与指数分布的计算结果有很大的不同,而不同阶数的modified gamma分布对应的Z值却差别不大。机载3.2mm测云雷达探测冰云时,小冰晶雷达回波Z值对粒子尺度和冰水含量IWC变化较敏感,而对冰晶密度和modified gamma分布函数形状的变化则相对不敏感。这一研究有助于了解不同的云参数变化对Z值变化的影响,有助于分析不同的云降水微物理过程,对机载毫米波雷达测云雷达资料处理和分析有着重要的意义。 2.使用毫米波雷达探测时还要考虑云和降水粒子散射和吸收以及大气气体吸收所造成的衰减。文中结合毫米波测云雷达衰减订正数据处理的实际需要,假设粒子为小球形,通过模拟取样分别计算得到W波段(3.2mm)和K波段(8.6mm)毫米波雷达探测云(包括水云、冰云)和降水粒子的k-Z关系的具体表达式。计算表明,在同样滴谱分布条件下,云和降水粒子对3.2mm毫米波雷达的衰减要比8.6mm毫米波雷达大5-10倍;同样雷达回波强度Z所对应的衰减系数k,小冰晶比云滴的小2-3个数量级左右。本文计算中滴谱参数范围的设定主要参照现今国内非降水云滴谱的外场观测资料,与国外已有的k-Z关系相比,本文得到的计算结果更适合国内机载毫米波测云雷达数据处理的实际需要(包括对高空卷云中冰晶的探测研究),可作为机载毫米波雷达衰减订正的计算参考,本文在此研究基础上借助SimRAD平台研究了毫米波测云雷达探测非降水云所受到的衰减作用,得出3.2mm波受云中液态云滴和大气气体的衰减较严重,而受到小冰晶粒子衰减却很小,计算中可忽略不计。


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