毫米波测云雷达系统的定标和探测能力分析及其在反演云微物理参数中的初步研究

【摘要】： 为了研究云内部较为精细的水平和垂直结构,中国气象科学研究院研发了一部具有偏振和多普勒功能的波长为8mm的测云雷达——HMBQ。本文首先对该雷达进行了系统定标和探测能力分析,保证探测数据质量的情况下,对不同类型的云进行观测,同时对云的微物理参数以及台风外围云系的微物理和动力过程进行了初步的研究。论文的主要研究内容和初步结果如下: 1)着重介绍了该雷达系统的参数、技术特点以及定标方法和结果,用外接仪器测试法与内部信号源相结合的方法对雷达各项参数进行了定标,尤其是发射机系统和接收机系统。经过测试,发射机峰值功率为600w,水平、垂直两个通道的噪声系数分别为5.6dB和4.9dB,双通道的动态范围均达到70dB以上,这满足了雷达对弱高云、较强中低云以及部分弱降水的观测需要,相应的系统最小可测功率为-128dBm,雷达在距离10公里处可以探测到的最小回波强度达到-40dBz;定标结果表明:该毫米波雷达具有较强的探测能力,其测量精度能满足使用要求。 2)通过2008年中国南方暴雨野外科学试验(Southeast China Heavy Rainfall Experiment-SCHeREX)外场探测试验和气象行业专项“热带西太平洋观测试验与我国高影响天气可预报性研究”,进一步对毫米波雷达的定标和探测能力进行检验:探测试验于当年5-9月在东莞进行,探测试验中除配合地面、高空观测外,还与近处的布网天气雷达观测数据进行了对比,得出结论:HMBQ测云雷达回波信号强度的定标与天气雷达回波强度的定标基本一致,并且HMBQ测云雷达具有较高的时空分辨率,能获得其内部清晰的水平和垂直结构它可以观测到碎积云、淡积云、浓积云、层积云、雨层云等多类云以及这些云之间的相互演变过程。 3)在对数据进行预处理(如去除背景噪音、杂波)的基础上,采用逐库订正法,选取2008年探测到的台风“鹦鹉”外围云系个例进行衰减订正试验,且将订正前后的回波强度与广州新一代天气SA雷达探测结果进行对比,得到了衰减订正的初步结果。 4)首次利用毫米波雷达研究台风外围云系微物理及动力特性,主要用来研究降水前云内部结构的演变以及粒子的微物理和动力过程:该雷达探测的回波强度、退偏振因子的垂直廓线明显分辨出了台风外围云系的相态结构、冰相向液态转化过程和垂直速度的微小变化等云微物理和动力特征;从垂直速度和速度谱宽廓线资料的分析表明:毫米波雷达探测到的云微物理结构变化和降水粒子下落速度的变化对应的很好。 5)在分别假设云滴谱符合伽马分布和对数正态分布形式的基础上,参考国外单雷达反演与飞机试验得到的经验公式,利用波长8mm的地基毫米波雷达研究了云内液态水、冰水含量和云内粒子相态,并且结合2008年5-8月东莞外场试验资料,给出了初步反演结果。