樊雅文，黃興友，李鋒

(1．南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2．中國(guó)氣象局 氣象探測(cè)中心，北京100081)

0 引言

云滴大小和液水含量是研究云物理的重要微物理參數(shù)，對(duì)氣候變化、天氣演變、人工影響天氣和飛行安全等方面都有重要的影響，并且云的輻射作用也主要取決于這兩個(gè)參數(shù)。但云參數(shù)的探測(cè)一直是個(gè)難題，隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)的成熟，云參數(shù)的遙感探測(cè)得到了根本性的改觀。與厘米波段的天氣雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)使用的波長(zhǎng)更短，因而云粒子在毫米波波段的散射截面比厘米波波段大，因此，毫米波雷達(dá)更適合于測(cè)云，而厘米波段的天氣雷達(dá)更適合于測(cè)量降水。適當(dāng)波長(zhǎng)的毫米波還具備良好的穿透云層能力，不僅可以探測(cè)云底也可以探測(cè)云內(nèi)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)云的垂直變化和小云體的水平變化，揭示云的時(shí)空結(jié)構(gòu)和演變特征，成為云遙感探測(cè)的有效儀器。

云內(nèi)液水含量及云粒子平均半徑是毫米波雷達(dá)遙感云參數(shù)的主要目標(biāo)之一。許多學(xué)者做了相關(guān)工作:結(jié)合35 GHz雷達(dá)和飛機(jī)穿云實(shí)測(cè)譜參數(shù)數(shù)據(jù)，得出雷達(dá)反射率因子與粒子有效半徑、云內(nèi)液水含量之間存在冪指數(shù)關(guān)系的結(jié)論(Atlas，1954;Sauvageot，1983;Kropfli and Kelly，1996);聯(lián)合毫米波雷達(dá)和紅外激光雷達(dá)，利用相關(guān)法可以反演云的微物理參數(shù)及其垂直廓線(Intrieri et al．，1994);通過(guò)微波輻射計(jì)和毫米波雷達(dá)的聯(lián)合，發(fā)展反演層狀云粒子大小和液態(tài)含水量的方法(Frisch et al．，1995);利用地基毫米波雷達(dá)，研究卷云中的冰晶含量、平均粒子大小以及垂直廓線(Matrosov，1999);結(jié)合數(shù)值模擬方法和CloudSat星載94 GHz云雷達(dá)(CPR)數(shù)據(jù)，可以反演云內(nèi)液態(tài)水含量和有效云粒子半徑;同時(shí)聯(lián)合激光雷達(dá)，可以識(shí)別云粒子的相態(tài)(Austin and Stephens，2001)。

2010年7月，中國(guó)氣象局在廣東陽(yáng)江開(kāi)展了約1個(gè)月的大氣遙感探測(cè)比對(duì)試驗(yàn)，南京信息工程大學(xué)的國(guó)產(chǎn)Ka波段(35 GHz)毫米波雷達(dá)在試驗(yàn)期間獲取了一系列云回波資料。本文進(jìn)行了云參數(shù)的反演研究，得到了云水含量、有效直徑等參數(shù)。

1 云水含量及云滴有效直徑的反演

云水含量隨云類型、地區(qū)等因素而變化，層狀云的含水量一般為0.01 g/m3。南方及低緯地區(qū)，層狀云中含水量較大，特別是在雨層云和層積云的對(duì)流泡中含水量可高達(dá)2～3 g/m3(黃美元和徐華英，1999)。至于積狀云，滴譜的差異很大，晴天積云的云滴平均直徑在6～66 μm范圍內(nèi)，而濃積云和積雨云的云滴平均直徑在6～200 μm范圍內(nèi)，有時(shí)甚至超過(guò)200 μm(梅森，1979)。在非降水性的濃積云里，直徑大于200 μm的云滴很少被探測(cè)到，但在積雨云的降水區(qū)卻經(jīng)常觀測(cè)到。

1.1 雷達(dá)反射率因子和云滴有效直徑、云水含量的關(guān)系

用單部毫米波雷達(dá)回波并結(jié)合飛機(jī)實(shí)測(cè)的云滴譜參數(shù)(Atlas，1954;Sauvageot and Omar，1987;Fox and Illingworth，1997)，可得到雷達(dá)反射率因子與云滴有效直徑、云水含量之間的關(guān)系。Atlas(1954)認(rèn)為，雷達(dá)反射率因子Z與云水含量(liquid water content，LWC)之間存在簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系。在云滴大小和分布較均勻時(shí)，該關(guān)系可寫為

其中a和b是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。實(shí)際上，從理論上也可導(dǎo)出該關(guān)系式，表1列出的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式均符合指數(shù)關(guān)系。

表1 Z-X經(jīng)驗(yàn)公式Table 1 Empirical relationship of Z-X

Atlas和Sauvageot經(jīng)驗(yàn)公式適用于非降水云。在反演云水含量時(shí)，Illingworth經(jīng)驗(yàn)公式適用于小云滴的情況，即不含或剔除了毛毛雨等大滴，因而不適用回波較強(qiáng)的云。當(dāng)回波強(qiáng)度達(dá)到－15 dBz時(shí)，即認(rèn)為云中存在毛毛雨尺寸的大滴(Sauvageot，1983)。

1.2 個(gè)例數(shù)據(jù)反演的云滴大小和云水含量特征

選取2010年7月26日12:16(北京時(shí)，下同)在廣東陽(yáng)江探測(cè)的毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。雷達(dá)天線以90°仰角指向天頂進(jìn)行定點(diǎn)掃描，回波圖像如圖1a所示?；夭敻咴?.7 km左右，Zmax＜－10 dBz。結(jié)合圖2可知，該回波是一個(gè)淡積云的云體回波。如果將粒子平均直徑D=200 μm、反射率因子Z=－15 dBz(或0.032 mm6·m－3)作為區(qū)分降水和非降水性水凝物的閾值(Sauvageot and O-mar，1987)，那么該閾值與 Sauvageot(1983)得到的結(jié)果是一致的。因此，對(duì)于該個(gè)例，因無(wú)法消除云中毛毛雨尺度的大滴影響，故不能使用Illingworth經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。因反射率因子大體上低于－15 dBz，符合Atlas和Sauvageot反演公式的條件，故選擇Atlas經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行云內(nèi)粒子有效直徑和云水含量的反演。

根據(jù)Atlas經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)毫米波雷達(dá)在7月26日12:16:57之640 ms時(shí)刻探測(cè)的淡積云回波強(qiáng)度進(jìn)行反演，得到的反演廓線如圖3所示。由圖3a可見(jiàn)，反演的云有效直徑最大值為30 μm，出現(xiàn)在云底以上200 m的位置，最小值為8 μm，出現(xiàn)在云頂。圖3b中云水含量最小值為0.05 g/m3，出現(xiàn)在云頂;云水含量最大值為1.45 g/m3，出現(xiàn)在云底以上200 m的位置，對(duì)應(yīng)的反射率因子值大于－15 dBz。雖然存在多處峰值，總體上云水含量隨高度變化的趨勢(shì)是先增大再減小，最大值位于云底以上1 km以內(nèi)，即云體的中下部，這與積狀云含水量分布情況(梅森，1979)較一致。圖1b給出了瞬時(shí)數(shù)據(jù)中的徑向速度，可以看出速度較大，甚至出現(xiàn)速度模糊，因?yàn)槌霈F(xiàn)的時(shí)間是正午，對(duì)流旺盛，云中的上升速度超過(guò)7 m/s，這種現(xiàn)象是正常的。出現(xiàn)的速度模糊，由于容易辨別，未進(jìn)行退模糊處理。圖1b上層為負(fù)速度(朝向雷達(dá))，下層為正速度(離開(kāi)雷達(dá))。正是因?yàn)樵苾?nèi)同時(shí)存在上升、下沉氣流，造成大小粒子分布不均勻，從而使得粒子有效直徑和云水含量廓線出現(xiàn)多峰值的情況。

圖1 2010年7月26日12:16天頂定點(diǎn)掃描回波圖a．反射率因子;b．徑向速度Fig．1 Cloud echoes at vertical pointing at 12:16 BST 26 July 2010 a．reflectivity factor;b．radial velocity

圖2 2010年7月26日12:19的347°方位角RHI掃描回波強(qiáng)度Fig．2 RHI(Range-Height Indicator)at 347°azimuth at 12:19 BST 26 July 2010

圖3 云微物理參量反演 a．云內(nèi)粒子有效直徑;b．云水含量Fig．3 The retrieved profiles of cloud variables a．equivalent diameterofcloud droplet;b．liquid water content

2 云內(nèi)冰水含量的反演

云內(nèi)冰水含量(ice water content，IWC，CIW)是由冰相粒子形狀、質(zhì)量密度和尺度譜決定的總體特征量。在大西洋地區(qū)、溫度介于－30～－60℃的卷云中，觀測(cè)到的IWC為0.01～0.1 g/m3(Griffith et al．，1980);在巴拿馬地區(qū)的雷暴頂處、溫度約－70℃的卷云中，觀測(cè)到的IWC為0.000 1～0.01 g/m3(Knollenberg et al．，1993);在赤道太平洋上空，觀測(cè)到IWC最大值達(dá)到1 g/m3。所以，IWC量級(jí)跨度大，高度分散(Chen et al．，1996)。

2.1 典型的Z-CIW關(guān)系

表2列出了基于35 GHz毫米波雷達(dá)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)而得到的反射率因子和云內(nèi)冰水含量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式(Heymisfield，1977;Sassen，1987;Schneider and Stephens，1995;Liu and Illingworth，2000)。

表2 35 GHz毫米波雷達(dá)反射率和云內(nèi)冰水含量的關(guān)系式Table 2 Z-CIW(radar reflectivity factor and cloud ice water content)relationships for 35 GHz millimeter wave radar measurement

Protat and Heymsfield(2007)通過(guò)大量的飛機(jī)穿云實(shí)驗(yàn)與35 GHz雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)數(shù)據(jù)，得到的云內(nèi)冰水含量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(表3)。

表3 35 GHz毫米波雷達(dá)反演云內(nèi)冰水含量的關(guān)系式(Protat and Heymsfield，2007)Table 3 Z-CIWrelationships from 35 GHz millimeter wave radar and airborne measurements(Protat and Heymsfield，2007)

Dowling and Lawrence(1990)總結(jié)了一些學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，歸納出卷云參數(shù)的典型值和范圍，涉及到的卷云在南北緯5°～65°之間。卷云中心高度范圍為4～20 km，典型值為9 km;云厚介于0.1～8 km，典型值為1.5 km;云內(nèi)冰水含量為10－4～1.2 g/m3，典型值為0.025 g/m3;冰晶尺度為1～8 000 μm，典型值是250 μm。Illingworth和 Protat公式給出的結(jié)果近似且IWC較大，其他3種經(jīng)驗(yàn)公式反演結(jié)果相近但較小。

2.2 個(gè)例數(shù)據(jù)反演的云內(nèi)冰水含量特征

采用垂直指向天頂?shù)膾呙璺绞剑?010年7月18日01:24:08在廣東陽(yáng)江探測(cè)到的毫米波雷達(dá)回波如圖4所示?？梢?jiàn)，回波強(qiáng)度為－25～－20 dBz，云頂高度為9 km，云厚為1 km，屬卷云。為了利用表2、表3所列7種公式了解卷云內(nèi)的冰水含量取值范圍，選擇其中差異較大的Hemysfield、Sassen以及Illingworth三種公式，反演結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，Sassen公式反演的冰水含量IWC最小，Illingworth公式反演的冰水含量IWC最大，但均小于0.01 g/m3。

圖4 2010年7月18日01:24:08天頂定點(diǎn)掃描結(jié)果a．反射率因子;b．徑向速度Fig．4 Radar echoes at zenith at 01:24:08 BST 18 July 2010 a．reflectivity factor;b．radial velocity

圖5 2010年7月18日01:24:08云內(nèi)冰水含量廓線(隨高度分布)Fig．5 Retrieved Z-CIW(reflectivity factor and cloud ice water content)profiles at 01:24:08 BST 18 July 2010

3 幾類云的回波強(qiáng)度廓線特征

2010年7月試驗(yàn)期間，出現(xiàn)了如表4列出的幾類云型。為了避免強(qiáng)回波對(duì)毫米波雷達(dá)信號(hào)的衰減影響，在處理雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，盡量少用回波強(qiáng)度超過(guò)20 dBz的回波，篩選出6類云回波，以便分析這些云回波的垂直分布。圖6為表4所列出的不同時(shí)刻6類云的回波強(qiáng)度及線性退偏振比垂直廓線。由圖6a可看出，0721和0722個(gè)例中，低層出現(xiàn)了較大的回波強(qiáng)度，這是因?yàn)橛腥踅邓l(fā)生，但降水層的厚度較薄(部分衰減作用導(dǎo)致高層回波變?nèi)?。0721個(gè)例為對(duì)流云降水，低層云回波強(qiáng)度隨高度幾乎不變(圖中2 km高度以下);0722個(gè)例為積層混合云特征，1 km以下為降水回波，1～5 km高度為明顯的層狀云特征。非降水云中，0716個(gè)例反映的是位于中高層的積層混合云，0725個(gè)例為受臺(tái)風(fēng)外圍影響的積層混合云，兩者的共同特點(diǎn)是在6～8 km高度出現(xiàn)回波大值帶，從廣東地區(qū)探空資料可知當(dāng)?shù)氐牧愣葘痈叨仍? km左右，再結(jié)合大值帶出現(xiàn)的高度，初步認(rèn)為可能是由于6～8 km高度處存在過(guò)冷水滴。對(duì)照?qǐng)D6b的線性退偏振比資料可以看出，在6～8 km高度，線性退偏振比數(shù)值最低。線性退偏振比越小，說(shuō)明云粒子越趨于球型。因此，可以進(jìn)一步判斷，6～8 km高度存在過(guò)冷水滴。0718個(gè)例反映了高層云的情況，在9 km高度出現(xiàn)回波強(qiáng)度的增加。臺(tái)風(fēng)外圍云系(0725)的上面兩層云分別在10.5 km及13 km出現(xiàn)了回波強(qiáng)度的增加，可能反映該高度上有較大的冰晶粒子。結(jié)合圖6b中的線性退偏振比廓線進(jìn)行分析，0718和0725個(gè)例中，高層(8 km以上)線性退偏振比值相對(duì)較大，所以，認(rèn)為這兩處出現(xiàn)冰晶粒子是合理的。0726個(gè)例為局地淡積云，該淡積云是由本地發(fā)展起來(lái)的，回波強(qiáng)度總體上隨高度減小，但有復(fù)雜的起伏，這可能是由云中上升下沉氣流輸送造成的。

圖6 云參數(shù)垂直廓線 a．回波強(qiáng)度廓線;b．線性退偏振比廓線Fig．6 Vertical profiles of cloud variables a．vertical profiles of reflectivity factor of different cloud types;b．vertical profiles of linear depolarization ratio of different cloud types

表4 用于分析回波廓線特征的6類云型Table 4 Six types ofcloud used forecho profile feature analysis

4 結(jié)論

參考國(guó)外毫米波雷達(dá)測(cè)云的成果，利用國(guó)產(chǎn)35 GHz地基毫米波雷達(dá)研究了云滴有效直徑、云水含量和冰水含量，針對(duì)2010年7月在廣東陽(yáng)江觀測(cè)的資料，給出了初步反演結(jié)果，并結(jié)合回波強(qiáng)度的垂直廓線初步分析了6類云型的宏微觀特征。結(jié)果表明:

1)利用毫米波雷達(dá)可以有效地遙感探測(cè)云特征參數(shù)，包括云分布、云高、云厚等宏觀參數(shù)以及云的有效直徑、云水含量和冰水含量等微觀參數(shù)。

2)對(duì)于回波強(qiáng)度低于－15 dBz的層狀云或未發(fā)生降水的弱云來(lái)說(shuō)，基于回波強(qiáng)度可以反演云水含量、冰水含量以及云滴的有效直徑;對(duì)于較強(qiáng)的降水云，反演結(jié)果可能偏大。

3)個(gè)例對(duì)比分析表明，不同類型云的回波廓線有明顯差異，該差異可以作為云類型自動(dòng)識(shí)別的判據(jù)之一;線形退偏振比也是判別云中過(guò)冷卻水區(qū)和冰晶區(qū)的參考指標(biāo)。

由于國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)探測(cè)剛起步，研究成果積累少，故本文采用的經(jīng)驗(yàn)公式均為國(guó)外的研究結(jié)果，由于條件限制，目前還沒(méi)能利用機(jī)載儀器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，隨著我國(guó)云探測(cè)技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，或許在不久的將來(lái)可以進(jìn)行云特征的聯(lián)合探測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證文中的反演結(jié)果。

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