基于C波段調(diào)頻連續(xù)波垂直指向雷達的華南夏季降水云垂直結(jié)構(gòu)特征及降水微物理研究
發(fā)布時間：2020-07-27 12:23
【摘要】：華南地區(qū)雨量充沛、降水云體結(jié)構(gòu)多樣、地面降水時空分布復雜。華南降水狀況往往對我國雨帶的移動的各地雨季發(fā)生情況具有影響,對中國夏季旱澇災害有重要的預測價值。因此華南地區(qū)降水的研究不只是單個區(qū)域降水規(guī)律性的解讀,更對氣候、云霧降水等方面研究具有重要作用。文章基于PARSIVEL激光雨滴譜儀、C波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(VPR-CFMCW)。利用災害天氣國家重點實驗室(LaSW)于2016-2017年在廣東龍門建立的云降水微物理研究超級觀測站獲取的高時空分辨率探測數(shù)據(jù),開展了華南夏季降水云精細結(jié)構(gòu)、降水微物理參數(shù)反演、華南夏季降水特征分析等研究。具體工作包括:(1)C波段調(diào)頻連續(xù)波雷達譜數(shù)據(jù)處理;(2)PARSIVEL雨滴譜儀的數(shù)據(jù)質(zhì)控及降水參量反演;(3)雨滴譜gamma模型函數(shù)擬合方法的比較與評估;(4)基于降水云體垂直結(jié)構(gòu)的降水分類;(5)不同降水類型的降水微物理特征分析;(6)華南夏季降水估測的改進;7利用雷達功率譜密度分布提取垂直大氣速度;8垂直路徑上的DSD參數(shù)及降水參量的反演。在確定雨滴數(shù)濃度平均值曲線具有良好的DSD分布代表性后,開展降水雨滴譜gamma模型函數(shù)擬合方法的評估實驗,并選擇非線性最小二乘法來進行雨滴譜gamma擬合。根據(jù)VPR-CFMCW獲得的雷達反射率,將華南夏季降水季節(jié)的降水云分為四種類型(即對流、層狀、混合和淺層),并比較了不同降水云類型的gamma參數(shù)與降水微物理參數(shù),新的分類方法克服了基于地面數(shù)據(jù)進行降水分類的局限性。結(jié)果表明,層狀降水占到華南夏季降水過程的43.1%,對流降水對總降水量的貢獻為62.7%。四類降水類型的降水量(R)、質(zhì)量加權(quán)中值粒徑(Dm)、雷達反射率(Z)、液態(tài)水含量(LWC)均遵循對流混合層云淺層的模式。研究了四類降水的DSD特征,對于對流和混合降水DSD,二者譜寬相似,但混合降水的雨滴數(shù)濃度較小,層狀和淺層降水的DSD雨滴數(shù)濃度相近,但淺層降水的譜寬更小。此外,研究得出了新的μ-Λ、Dm-Nw、Dm-R、Z-R等關(guān)系(其中,μ為形狀因子,Λ為斜率參數(shù),Nw為廣義截距參數(shù)),這些新的關(guān)系有利于深化華南地區(qū)不同性質(zhì)降水云的地面降水微物理參數(shù)特征認識并改進降水估測精度。利用VPR-CFMCW獲取的雷達功率譜密度分布對垂直大氣速度Wair、質(zhì)量加權(quán)中值粒徑Dm、液態(tài)含水量LWC、DSD形狀因子μ、斜率參數(shù)L、數(shù)濃度參量N0、廣義截距參量Nw等參量進行垂直路徑上的反演,經(jīng)過與地面資料的相關(guān)性對比證明此方法合理。反演的層云降水過程中,大氣速度呈現(xiàn)微弱的上升,其他降水參量根據(jù)高度的不同也呈現(xiàn)不同的變化。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P426.6
【圖文】：
龍門縣屬于南亞熱帶季風氣候，地形條件復雜，坡度較大，境內(nèi)植被覆蓋率高，降水量充沛。每年的 4-9 月為汛期，汛期期間降水量可達全年降水的 80%。降水主要來源于臺風雨帶和鋒面影響，其次還有地形雨和熱雷雨的影響。圖1為龍門測站觀測現(xiàn)場，VPR-CFMCW 垂直探測雷達與 PARSIVEL 粒子譜儀兩者分布相距 10m。本文使用了 2016年與 2017 年 6 月至 7 月的降水觀測資料進行分析。圖 1 廣東龍門夏季降水觀測實驗現(xiàn)場Figure 1. View of summer precipitation observation experiment at Longmen station.
IVEL(Particle Size and Velocity)激光雨滴譜儀由德國 OTT 公司設(shè)計生產(chǎn)，設(shè)高度距地 1.4m，取樣面積 54cm2(18×3.0 cm)，采樣間隔為 1 min，可子的粒子直徑和落速，粒子直徑和下落速度數(shù)據(jù)以 32 檔量化輸出。粒間為 0 至 25 mm，粒徑檔位寬度隨著粒子直徑的增大從 0.125 mm 增小于 0.2 mm 的 1、2 檔由于信噪比低，可信度低，誤差較大，測量數(shù)據(jù)用于液態(tài)降水的粒徑測量通道為 3~21(0.312~6mm)。自然界中雨滴的下 15 ms-1，對應的測速通道為 3~30(0.25~15.2 m s-1)。IVEL 雨滴譜儀主要由水平光束發(fā)射器、接收器組成，水平光束厚度 1mm射器和接收器之間距離 180mm。對下降粒子的采樣面積為 180mm * 30m過激光束時，接收器的輸出電壓為 5V，有粒子穿過激光束時，接收器與粒子遮擋光束的多少對應。圖 2 為 PARSIVEL 測量原理[48]。small dropablarge drop
南京信息工程大學碩士學位論文第三章 數(shù)據(jù)處理及降水參量反演3.1 連續(xù)波雷達譜參數(shù)計算垂直探測雷達通常采用 FFT 譜變換技術(shù)，對垂直探測雷達進行定量標校后，雷達系統(tǒng)輸出的頻域信號功率譜密度分布是雷達系統(tǒng)噪聲信號和探測目標物信號能量的疊加貢獻。如圖 3 所示，對噪聲功率進行剔除后，才能從回波強度功率譜密度分布中計算雷達譜參數(shù)并進行大氣速度和雨滴譜的反演。本文定義雷達探測徑向速度朝向地面為正。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P426.6
【圖文】：
龍門縣屬于南亞熱帶季風氣候，地形條件復雜，坡度較大，境內(nèi)植被覆蓋率高，降水量充沛。每年的 4-9 月為汛期，汛期期間降水量可達全年降水的 80%。降水主要來源于臺風雨帶和鋒面影響，其次還有地形雨和熱雷雨的影響。圖1為龍門測站觀測現(xiàn)場，VPR-CFMCW 垂直探測雷達與 PARSIVEL 粒子譜儀兩者分布相距 10m。本文使用了 2016年與 2017 年 6 月至 7 月的降水觀測資料進行分析。圖 1 廣東龍門夏季降水觀測實驗現(xiàn)場Figure 1. View of summer precipitation observation experiment at Longmen station.
IVEL(Particle Size and Velocity)激光雨滴譜儀由德國 OTT 公司設(shè)計生產(chǎn)，設(shè)高度距地 1.4m，取樣面積 54cm2(18×3.0 cm)，采樣間隔為 1 min，可子的粒子直徑和落速，粒子直徑和下落速度數(shù)據(jù)以 32 檔量化輸出。粒間為 0 至 25 mm，粒徑檔位寬度隨著粒子直徑的增大從 0.125 mm 增小于 0.2 mm 的 1、2 檔由于信噪比低，可信度低，誤差較大，測量數(shù)據(jù)用于液態(tài)降水的粒徑測量通道為 3~21(0.312~6mm)。自然界中雨滴的下 15 ms-1，對應的測速通道為 3~30(0.25~15.2 m s-1)。IVEL 雨滴譜儀主要由水平光束發(fā)射器、接收器組成，水平光束厚度 1mm射器和接收器之間距離 180mm。對下降粒子的采樣面積為 180mm * 30m過激光束時，接收器的輸出電壓為 5V，有粒子穿過激光束時，接收器與粒子遮擋光束的多少對應。圖 2 為 PARSIVEL 測量原理[48]。small dropablarge drop
南京信息工程大學碩士學位論文第三章 數(shù)據(jù)處理及降水參量反演3.1 連續(xù)波雷達譜參數(shù)計算垂直探測雷達通常采用 FFT 譜變換技術(shù)，對垂直探測雷達進行定量標校后，雷達系統(tǒng)輸出的頻域信號功率譜密度分布是雷達系統(tǒng)噪聲信號和探測目標物信號能量的疊加貢獻。如圖 3 所示，對噪聲功率進行剔除后，才能從回波強度功率譜密度分布中計算雷達譜參數(shù)并進行大氣速度和雨滴譜的反演。本文定義雷達探測徑向速度朝向地面為正。
【參考文獻】
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1 阮征;金龍;葛潤生;李豐;吳俊;;C波段調(diào)頻連續(xù)波天氣雷達探測系統(tǒng)及觀測試驗[J];氣象學報;2015年03期
2 柳臣中;周筠s
本文編號：2771842
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