謝 蕾, 劉黎平, 姚 雯

(1.成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225;2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京100081)

0 引言

近年,中國發(fā)展和引進了很多新的云降水探測設備,如Ka波段的毫米波雷達、微降水雷達、雨滴譜儀、自動氣象站等,促進了關于這些探測設備的研究,如劉黎平等[1]利用毫米波測云雷達連續(xù)觀測大氣中的云,得出毫米波雷達能夠清楚地反映云的內部結構。仲凌志等[2]概括了毫米波測云雷達在國內外的發(fā)展狀況,介紹毫米波雷達的特點,并展望國內毫米波雷達未來研究的方向,表明毫米波雷達的巨大作用和重要性。余東升等[3]提出激光雨滴譜儀在雨滴譜測量方面具備優(yōu)勢。陶汝頌等[4]分析測雨雷達工作原理,展望雨雷達在水文發(fā)展中更廣泛的應用。濮江平等[5]利用激光降水粒子譜儀研究不同云系降水的雨滴譜分布特征,并且討論其隨雨強及雷達反射率因子的變化關系。嚴衛(wèi)等[6]利用星載毫米波雷達和激光雷達聯(lián)合觀測云,得出能夠較準確地反演云相態(tài)的垂直分布信息。然而分析這些設備探測數(shù)據(jù)的可靠性,是科學研究的前提和基礎,具有十分重要的意義,如王曉默等[7]對比自動氣象站觀測和人工觀測的資料,得出環(huán)境的變化、人為操作和特殊的天氣現(xiàn)象等會造成差異。李建通等[8]利用雷達和雨量計聯(lián)合估測區(qū)域降水量,表明雨量計能夠在一定程度上改善雷達估測降水的初值場,增加估測區(qū)域的精度。仲凌志等[9]利用CloudSat衛(wèi)星上搭載的3mm波長云廓線毫米波雷達(CPR)與C波段測雨雷達探測回波強度的結果進行對比,表明毫米波雷達在離地面越近的地方,其探測結果相差越大。張昊等[10]通過處理多普勒雷達的觀測資料和降水雨滴譜資料,用Parsivel激光降水粒子譜儀獲得的譜數(shù)據(jù)通過瑞利散射計算回波強度,然后用此計算結果同雷達觀測的回波強度進行比較,得出兩者具有較好的一致性,但是雷達觀測卻低估了回波強度,并且在降水越強導致回波強度越大的時候,雷達探測結果低估現(xiàn)象更為嚴重。周黎明等[11]把自動氣象站和激光雨滴儀同步觀測得到的雨量資料,結合新一代多普勒雷達基數(shù)據(jù)獲得的反射率因子一起進行對比分析,結果表示激光雨滴譜儀和自動氣象站探測的雨強隨時間的變化相關性較好,但其前者的幅度值遠大于后者的幅度值,而相比之下雷達探測得到的反射率因子與激光雨滴譜儀探測的雨量卻有更好的一致性。苗少寶等[12]運用激光雨滴譜儀獲取的實驗數(shù)據(jù),也是運用瑞利散射計算反射率因子然后與其他氣象數(shù)據(jù)進行對比分析,結果表明兩者變化趨勢較一致但變化強度有差異。綜上可以看出,很少運用毫米波雷達觀測弱降水,而且尚未分析毫米波雷達觀測弱降水結果的可靠性,加之通過參考其他雷達的分析方法得出不適合用瑞利散射計算雨滴這種大粒子的后向散射截面,并且只通過反演回波強度進行對比也不夠全面,所以提出更適用的方法分析毫米波雷達觀測弱降水系統(tǒng)具有很大的必要性。

通過把毫米波雷達和雨滴譜儀應用到外場試驗中,對低層的弱降水進行聯(lián)合的觀測,使用雨滴譜儀的探測結果作為標準量檢驗毫米波雷達探測結果的可靠性。根據(jù)米散射來計算雨滴這種大粒子的后向散射截面,然后運用此種后向散射截面和雨滴譜儀數(shù)據(jù)反演得到回波強度Z,徑向速度v,速度譜寬 σ、歸一化的功率譜S和衰減系數(shù),并且用衰減系數(shù)訂正回波強度,然后與毫米波雷達觀測高度在500m以上的低層弱降水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比。通過計算不同的參量、考慮多個方面進行分析,能更好的檢驗毫米波雷達觀測弱降水數(shù)據(jù)的可靠性。

1 探測設備的介紹

數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象科學研究院2012年7月云南騰沖同一地點用毫米波雷達和雨滴譜儀觀測弱降水得到的數(shù)據(jù)。通過大量的樣本進行對比,選取2012年7月18日、7月22日和7月23日3日的層狀云弱降水數(shù)據(jù)進行個例分析,其中7月18日的雨量范圍是0.1～5.5mm/h,7月22日的雨量范圍是0.8～5.1mm/h,7月23日的雨量范圍是0.8～6.1mm/h。零度層亮帶能反映層狀云降水中存在明顯的冰水轉換區(qū),因此是識別層狀云的一個重要指標,而線性退偏振因子(LDR)是雷達獲取的一個重要的關于云和降水的物理量,通過這個參量能很好的識別零度層亮帶。圖1分別給出3日典型的退偏振因子(LDR)RTI顯示圖,從圖中看出存在的零度層亮帶,所以表明此降水系統(tǒng)是層狀云降水。

圖1 典型的退偏振因子(LDR)RT I顯示圖

實驗使用的雨滴譜儀是基于現(xiàn)代激光遙測技術的HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測儀,濮江平等[13]著作介紹該儀器能夠實行無人操作,自動記錄數(shù)據(jù),方便進行維護保養(yǎng),可以實現(xiàn)對原始場無干擾的非接觸式測量,還能夠自動識別天氣現(xiàn)象,并且生成相應的天氣代碼。主要參數(shù)為:探測液體粒子直徑的范圍是0.2～5mm,探測固體粒子的直徑范圍是0.2～25mm,在精確率方面,液態(tài)誤差不超過±5%,固態(tài)誤差不超過±20%粒子,可以顯示在0.2～20m/s粒子下落速度,其降雨降雪等級區(qū)分度:＞97%,雨滴譜儀譜圖數(shù)據(jù)的時間分辨率是1分鐘。

實驗使用的雷達是Ka波段(35GHz)的毫米波雷達,該雷達通過使用外接儀表對天線系統(tǒng)、發(fā)射機系統(tǒng)以及接收機系統(tǒng)等硬件參數(shù)進行測試的方法檢驗測量參數(shù)的定標結果,測試結果表明回波強度的定標精度不超過±3dB,速度的定標精度不超過±0.5m/s,速度譜寬的的定標精度不超過±0.8m/s,測量參數(shù)的標定精度基本滿足使用要求,使用的雷達數(shù)據(jù)是經(jīng)過標定之后的數(shù)據(jù)。王德旺等[14]描述此設備可以獲得高精度、高分辨率的測量,能夠完成較為精確的制導和目標指示,能夠獲得較高的寬帶信號、天線增益和雷達能量,能分辨出復雜的目標結構,有較高的抗干擾能力。主要參數(shù)為:天線接收器直徑為1.3m,天線的增益為50dB,靈敏度為-98.4dBm,波束寬度為0.44°,噪聲系數(shù)為5.6dB,動態(tài)范圍可達到70.0dB,交叉極化特性范圍＞33dB,距離分辨率為30m,雷達的最小可探測高度為510m,在此高度以上的雷達數(shù)據(jù)才具有可靠性,雷達基數(shù)據(jù)的時間分辨率是0.854s,雷達功率譜數(shù)據(jù)的時間分辨率是0.854s。

2 利用雨滴譜計算雷達觀測量和數(shù)據(jù)處理的方法

毫米波雷達的基數(shù)據(jù)包括功率、回波強度、徑向速度、速度譜寬、信噪比等,而功率譜數(shù)據(jù)包括功率譜、信號質量指數(shù)等。為檢驗雷達探測數(shù)據(jù)的可靠性,通過雨滴譜儀的譜圖數(shù)據(jù)根據(jù)米散射計算雨滴這種大粒子的后向散射截面,然后運用此種后向散射截面和雨滴譜儀數(shù)據(jù)反演得到回波強度Z,徑向速度v,速度譜寬 σ和歸一化的功率譜S,并且計算衰減系數(shù),與毫米波雷達觀測在500m高度以上的低層弱降水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比,以驗證數(shù)據(jù)的有效性。接下來分別對計算方法和數(shù)據(jù)處理方法進行介紹。

2.1 利用雨滴譜計算雷達觀測量的方法

雨滴譜是指根據(jù)半徑的不同確定雨滴個數(shù)的分布,常用到單位體積內粒子數(shù)對譜分布進行計算。雨滴譜儀所測的個數(shù)是指采樣面積,因此何雪松等[15]提出在計算時需要把面積濃度轉換為體積濃度,其計算公式為:

式中:n(D)為D～D+dD區(qū)間實測的粒子數(shù),單位是個,v(D)為通道對應的粒子速率,單位是m/s,△D為該通道所占有的尺度寬度,單位是mm,S、T分別為采樣面積和采樣時間,其中S=54cm2,T=60s。

通過雨滴譜儀測量的雨滴譜N(D),計算雨滴的回波強度Z:

式中:D為粒子直徑,單位是mm,N(D)為降雨時的滴譜分布,單位是1/(mm3·mm),即降水粒子譜分布。σM為米散射所對應的后向散射截面。λ表示雷達的波長,單位是mm。｜U｜2表示復數(shù)模的平方。

通過雨滴譜儀測量的雨滴譜N(D),計算衰減系數(shù)α:

式中:D為粒子直徑,單位是mm,N(D)為降雨時的滴譜分布,單位是1/(mm3·mm),即降水粒子譜分布。QT為米散射所對應的衰減截面。

然后對毫米波雷達在探測距離R處的回波強度進行衰減訂正,用雨滴譜反演的回波強度作為毫米波雷達回波強度的真值:

式中:Z雷為雷達測量的回波強度值,單位是dBz,Z雨為雨滴譜反演的回波強度值,單位是dBz,α為衰減系數(shù),單位是dB/km,R為雷達的探測距離,單位是km。

通過雨滴譜儀測量的雨滴譜N(D),計算靜止大氣中的雨滴下落速度v:

式中:D為粒子直徑,單位是mm,σM為米散射所對應的后向散射截面,N(D)為降雨時的滴譜分布,單位是1/(mm3·mm),即降水粒子譜分布。文獻[16]描述v(D)是Atlas等在根據(jù)標準氣壓和溫度的情況下實測的雨滴在靜止大氣中的下落末速度模擬出來的,v(D)的單位是m/s。

通過雨滴譜儀測量的雨滴譜N(D),計算靜止大氣中的雨滴下落速度的譜寬σ:

式中:D為粒子直徑,單位是mm,σM為米散射所對應的后向散射截面,N(D)為降雨時的滴譜分布,單位是1/(mm3·mm),即降水粒子譜分布。v(D)與公式(5)中的v(D)相同。通過雨滴譜儀測量的雨滴譜N(D),計算雨滴的功率譜數(shù)據(jù)S:

式中:D為粒子直徑,單位是mm,N(D)為降雨時的滴譜分布,單位是1/(mm3·mm),即降水粒子譜分布,σM為米散射所對應的后向散射截面。

2.2 數(shù)據(jù)處理的方法

雨滴譜儀是觀測地面上的數(shù)據(jù),通過雨滴譜儀反演的結果不考慮或忽略空氣上升速度和湍流對徑向速度、速度譜寬和功率譜數(shù)據(jù)的影響。然而雷達是采用垂直觀測的掃描方式獲取高度在500m以上的數(shù)據(jù),這種掃描方式只顯示觀測量中垂直分量的變化特性,避免受水平分量的影響,讓2種設備得到的數(shù)據(jù)更接近,但是垂直觀測的掃描方式卻容易導致雷達天線積水,造成雷達探測值的誤差,而且雷達觀測的徑向速度、速度譜寬和功率譜數(shù)據(jù)受到空氣的上升速度、湍流等影響,加之2種儀器觀測的結果處在不同的高度上,這些因素都會造成2種儀器對比結果的差異。所以,文中選用弱的層狀云降水數(shù)據(jù),同時采用一定時間的平均,以減小空氣上升速度對徑向速度、速度譜寬和功率譜數(shù)據(jù)的影響,并且由于雷達和雨滴譜儀探測數(shù)據(jù)在空間上不一致,所以盡量選取低高度中的510m、690m和780m這3層的數(shù)據(jù)進行對比,以減小這些參數(shù)隨高度變化的影響。

雨滴譜儀是每1分鐘得到的1個數(shù)據(jù),而毫米波雷達的基數(shù)據(jù)是以0.854s為1個周期輸出數(shù)據(jù),功率譜數(shù)據(jù)也是以0.854s為1個周期輸出數(shù)據(jù),在對比的時候需要分別處理2種不同的雷達數(shù)據(jù)使其采樣時間同雨滴譜儀一致,這樣才能保證對比的可靠性。對于雷達基數(shù)據(jù)的處理方法是在一個數(shù)據(jù)文件中提取同一高度上面的數(shù)據(jù),然后累加1分鐘之內的數(shù)據(jù)進行平均。對于雷達功率譜數(shù)據(jù)的處理方法是讀取多個數(shù)據(jù)文件在同一高度上面的數(shù)據(jù),累加1分鐘之內的數(shù)據(jù)進行平均。

3 對比分析

3.1 回波強度的對比分析

圖2分別給出2012年7月18日10時10分～2012年7月18日11時39分BT、2012年7月22日09時10分～2012年7月22日11時09分BT以及2012年7月23日10時05分～2012年7月23日12時04分BT觀測期間雨滴譜反演的回波強度與毫米波雷達基數(shù)據(jù)的回波強度的對比圖,其中Z1是雷達在H=510m處的探測值(實線),Z2是雷達在H=690m處的探測值(虛線),Z3是雷達在H=780m處的探測值(點劃線),Z4是雨滴譜儀的反演值(點線),時間格距與圖2相同。

圖2 毫米波雷達探測的不同高度的回波強度與雨滴譜計算的回波強度的對比

由圖2可以看出雷達在H=510m處探測的回波強度值Z1、雷達在H=690m處探測的回波強度值Z2與雷達在H=780m處探測的回波強度值Z3的大小和變化趨勢非常一致,在這一高度變化范圍內,回波強度隨高度的變化不大。同時不同高度上毫米波雷達觀測的回波強度值與雨滴譜反演的回波強度值Z4隨時間的變化趨勢也大致相同,兩者最大值的時間大致相符。從起伏變化的強度看,不同高度上毫米波雷達觀測的回波強度值均小于雨滴譜反演的回波強度值Z4,這是由于衰減和雷達天線積水產(chǎn)生都會使雷達觀測出現(xiàn)誤差,其中圖2(a)的雷達在H=510m處探測的回波強度值Z1與雨滴譜反演的回波強度值Z4平均絕對誤差是23.3907dBz,圖2(b)的雷達在H=690m處探測的回波強度值Z2與雨滴譜反演的回波強度值Z4平均絕對誤差是13.9354dB,圖2(c)的雷達在H=780m處探測的回波強度值Z3與雨滴譜反演的回波強度值Z4平均絕對誤差是31.7640dBz,但總體上看兩者探測結果變化趨勢具有較好的一致性。

因為選取的3個實例在觀測過程中并未進行雷達天線排除積水的措施,所以導致雷達天線積水,由于水會強烈的吸收衰減發(fā)射機發(fā)出的電磁波能量,而且電磁波需要穿透的水越厚,電磁波的能量就被衰減的越多,就會導致雷達測量出現(xiàn)誤差。然而衰減和雷達天線積水產(chǎn)生都會使雷達出現(xiàn)低估現(xiàn)象,所以接下來就分別討論雷達低估的原因。

圖3是2012年7月23日10時05分～2012年7月23日12時04分BT在H=690m處衰減訂正前后的結果圖,從圖2看出在H=510～780m經(jīng)過衰減訂正后的回波強度變化不大,所以就選取H=690m的訂正結果圖作為代表,其中Z1是雷達在H=510m處的探測值,Z2是雨滴譜儀的反演值,Z3是衰減訂正后的值,Z4是雷達探測值與雨滴譜反演值之間的絕對誤差值,時間格距與圖2相同。

從圖3可以看出,通過衰減訂正雨滴譜反演的回波強度值Z2得到衰減訂正后的回波強度值Z3,對比Z3與雷達探測的回波強度值Z1,可以看出兩者的差別不大,表明衰減對于此處的影響很小。然而隨著時間的累積,雷達探測的回波強度與雨滴譜反演的回波強度的絕對誤差值Z4隨著雷達探測的回波強度值Z1的變化趨勢逐步上升,表明Z4不僅與Z1有關也同雷達積水越來越多有關。

圖3 毫米波雷達在H=690m處衰減訂正前后的結果圖

圖4給出2012年7月20日07時38分～2012年7月20日08時10分BT雷達排除天線積水前后觀測的回波強度的對比結果。其中L1是第一次排水前1分鐘、L2是第一次排水后1分鐘、L3是第一次排水后8分鐘、L4是第一次排水后23分鐘也是第二次排水前1分鐘、L5是第二次排水后1分鐘。

圖4顯示在大氣的低層使用毫米波雷達進行RTI掃描時,雷達天線積水對回波強度探測結果的影響,第一次排水前1分鐘的回波強度曲線L1與第一次排水后1分鐘的回波強度曲線L2之間的平均絕對誤差是4.8729dBz,第二次排水前1分鐘的回波強度曲線L4與第二次排水后1分鐘的回波強度曲線L5間的平均絕對誤差是7.7797dBz,同時L4也是第一次排水后23分鐘的回波強度曲線,比較L4與第一次排水后8分鐘的回波強度曲線L3發(fā)現(xiàn)積水越多造成回波減小也越多。由于水會強烈的吸收衰減發(fā)射機發(fā)出的電磁波能量,而且電磁波需要穿透的水越厚,電磁波的能量就被衰減的越多,就會導致雷達測量出現(xiàn)誤差,并且更多的實驗證明天線的積水越多,從而導致測試的數(shù)據(jù)結果誤差可到30dBz甚至更大,至此表明雷達天線積水可能是導致雷達探測的回波強度值不準確的主要原因,然而回波強度偏弱的具體原因仍需進一步確定。

圖4 雷達排除天線積水前后觀測的回波強度的對比結果

3.2 徑向速度的對比分析

圖5 毫米波雷達探測的不同高度的徑向速度與雨滴譜計算的徑向速度的對比

圖5分別給出2012年7月18日10時10分～2012年7月18日11時39分BT、2012年7月22日09時10分～2012年7月22日11時09分BT以及2012年7月23日10時05分～2012年7月23日12時04分BT觀測期間雨滴譜反演的徑向速度與毫米波雷達基數(shù)據(jù)的徑向速度的對比圖,其中v1是雷達在H=510m處的探測值,v2是雷達在H=690m處的探測值,v3是雷達在H=780m處的探測值,v4是雨滴譜儀的反演值,時間格距與圖2相同。

從圖5可以看出雷達在H=510m處探測的速度v1、雷達在H=690m處探測的速度v2與雷達在H=780m處探測的速度v3的大小和變化趨勢非常一致,在這一高度變化范圍內,徑向速度隨高度的變化不大。同時不同高度上毫米波雷達觀測的速度與雨滴譜反演的速度v4隨時間的變化趨勢也大致相同。但從起伏變化的強度看,不同高度上毫米波雷達觀測的速度不同于雨滴譜反演的速度v4,其中圖5(a)的雷達在H=510m處探測的速度v1與雨滴譜反演的速度v4平均絕對誤差是0.5294m/s,圖5(b)的雷達在H=690m處探測的速度v2與雨滴譜反演的速度v4平均絕對誤差是0.9908m/s,圖5(c)的雷達在H=780m處探測的速度v3與雨滴譜反演的速度v4平均絕對誤差是0.9574m/s,然而毫米波雷達沒有測量空氣速度的能力,所以毫米波雷達與雨滴譜儀間的偏差可能是由于空氣氣流移動的作用,使雷達探測的數(shù)據(jù)結果不同,這種假設可以在下面的歸一化的功率譜數(shù)據(jù)的對比中驗證。從總體上看兩者探測結果具有較好的一致性,可以說明毫米波雷達在探測大氣底層探測的數(shù)據(jù)具有一定的可靠性,可以作為其他資料使用。

3.3 速度譜寬的對比分析

圖6分別給出2012年7月18日10時10分～2012年7月18日11時39分BT、2012年7月22日09時10分～2012年7月22日11時09分BT以及2012年7月23日10時05分～2012年7月23日12時04分BT觀測期間雨滴譜反演的徑向速度與毫米波雷達基數(shù)據(jù)的徑向速度的對比圖,其中σ 1是雷達在H=510m處的探測值,σ 2是雷達在H=690m處的探測值,σ 3是雷達在H=780m處的探測值,σ 4是雨滴譜儀的反演值,時間格距與圖2相同。

圖6 毫米波雷達探測的不同高度的速度譜寬與雨滴譜計算的速度譜寬的對比

從圖6可以看出雷達在H=510m處探測的譜寬σ 1、雷達在H=690m處探測的譜寬σ 2與雷達在H=780m處的探測譜寬σ 3的大小和變化趨勢非常一致,在這一高度變化范圍內,速度譜寬隨高度的變化不大。同時不同高度上毫米波雷達觀測的譜寬與雨滴譜反演的譜寬 σ 4隨時間的變化趨勢也大致相同。但從起伏變化的強度看,不同高度上毫米波雷達觀測的譜寬均與σ 4較為一致,其中圖6(a)的雷達在H=510m處探測的譜寬σ 1與雨滴譜反演的譜寬 σ 4平均絕對誤差是0.1524m/s,圖6(b)的雷達在H=690m處探測的譜寬σ 2與雨滴譜反演的譜寬σ 4平均絕對誤差是0.1898m/s,圖6(c)的雷達在H=780m處的探測譜寬σ 3與雨滴譜反演的譜寬σ 4平均絕對誤差是0.1463m/s,從公式(6)可以看出計算譜寬時由于去掉了空氣氣流移動的作用,使兩者的數(shù)據(jù)更加接近。所以,在速度譜寬探測方面,毫米波雷達的探測結果具有一定的可靠性。

3.4 歸一化的功率譜的對比分析

圖7分別給出2012年7月18日10時53分～2012年7月18日10時55分BT、2012年7月22日9時21分～2012年7月22日9時23分BT以及2012年7月23日10時51分～2012年7月23日10時53分BT觀測期間雨滴譜反演的歸一化的功率譜與毫米波雷達功率譜數(shù)據(jù)的歸一化的功率譜對比圖,其中S1是雷達在H=510m處的探測值,S2是雷達在H=690m處的探測值,S3是雷達在H=780m處的探測值,S4是雨滴譜儀的反演值,速度格距是1s。

圖7 毫米波雷達探測的不同高度的歸一化的功率譜與雨滴譜計算的歸一化的功率譜的對比

從圖7可以看出雷達在H=510m處探測的歸一化的功率譜S1、雷達在H=690m處的探測的歸一化的功率譜S2與雷達在H=780m處探測的歸一化的功率譜S3的大小和變化趨勢很相似,同時不同高度上毫米波雷達觀測的歸一化的功率譜與雨滴譜反演的歸一化的功率譜S4隨時間的變化趨勢和起伏變化的強度較為一致。但是在歸一化的功率譜值相同的情況下,不同高度上毫米波雷達觀測的歸一化的功率譜與雨滴譜反演的歸一化的功率譜S4的對應的速度不同,結合圖5與圖7可以看出,當空氣上升速度使雷達測量的徑向速度值大于雨滴譜反演的速度時,就會導致雷達測量的歸一化的功率譜值整體往右偏,即在歸一化的功率譜值相同的情況下,不同高度上毫米波雷達觀測的歸一化的功率譜值所對應的徑向速度大于雨滴譜反演的歸一化的功率譜S4所對應的徑向速度,反之亦然。這就表明由于空氣本身的移動方向會影響高空中雨滴的下落速度,導致功率譜的整體平移,這也就間接的證明了在徑向速度的對比中導致變化強度差別的原因也是這個情況所致。所以,在功率譜探測方面,毫米波雷達的探測結果具有一定的可靠性。

4 結束語

通過把毫米波雷達和雨滴譜儀應用到外場試驗中,對弱降水進行聯(lián)合的觀測。根據(jù)米散射計算雨滴這種大粒子的后向散射截面,然后運用此種后向散射截面和雨滴譜儀數(shù)據(jù)反演得到回波強度Z,徑向速度v,速度譜寬σ、歸一化的功率譜S和衰減系數(shù),并且用衰減系數(shù)訂正回波強度,然后與毫米波雷達觀測高度在500m以上的低層弱層狀云降水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比。通過計算不同的參量、考慮多個方面進行分析,得出如下的結論:

(1)通過回波強度對比,2種儀器得到的數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢大致相同但變化幅度差異較大,即雷達探測值小于雨滴譜的反演值,通過衰減訂正后發(fā)現(xiàn)在低層探測時衰減并不是造成回波強度減小的主要原因,而雷達天線的積水才是造成誤差的主要來源,并且雨強越大,回波強度也越大,從而導致積水越嚴重,誤差就更大。

(2)通過徑向速度對比,2種儀器得到的數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢大致相同但變化幅度差異較大,即滴譜得到的速度最大值不同于毫米波雷達測得的最大值,造成這種原因可能是空氣的上升速度、湍流等影響,導致雨滴速度值的差異。

(3)通過速度譜寬對比,2種儀器得到的數(shù)據(jù)具有很好的一致性,由于計算時去掉了空氣的上升速度、湍流等影響,使兩者的變化趨勢與變化強度都很接近。

(4)通過歸一化的功率譜對比,2種儀器得到的數(shù)據(jù)隨速度的變化趨勢相似,但是兩者的曲線卻存在整體的平移,由于2種儀器對于探測速度的分辨率不一致,以及空氣的上升速度、湍流等造成的影響可能是導致功率譜的結果存在偏差的原因。

綜上所述,毫米波雷達探測低層弱降水得到的結果中徑向速度、速度譜寬、歸一化的功率譜是具有一定的準確性,回波強度存在一定的偏差,而且由于選取弱的層狀云降水數(shù)據(jù),同時采用一定時間的平均,可以減小空氣上升速度對探測的徑向速度、速度譜寬和功率譜數(shù)據(jù)的影響,通過對高度為510m、690m和780m 3層的數(shù)據(jù)進行對比,表明在低高度范圍內,雷達的探測數(shù)據(jù)受高度變化影響較小,減小了雷達和雨滴譜儀探測數(shù)據(jù)在空間上的誤差,所以關于毫米波雷達在不同高度范圍和各種降水過程中探測的準確性還有待于進一步研究,這對保證毫米波雷達觀測低層弱降水數(shù)據(jù)整體的可靠性以及增強毫米波雷達的探測性能具有非常重大的意義。

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