利用天气雷达反射率因子反演降水性层状云中粒子平均直径的研究

利用天气雷达反射率因子反演降水性层状云中粒子平均直径的研究

【摘要】： 云微物理参数(云中粒子的平均直径、浓度和分布等)是描述云尺度大气状态的关键要素之一,因此对其的研究在气候和天气变化、航空安全等众多领域都有重要的影响。弱降水性层状云的分层结构较为均匀和明显,因此本文从弱降水性层状云出发,根据顾震潮先生提出的层状云分层结构,提出由天气雷达观测的雷达反射率因子计算出云中粒子平均直径的反演理论和设计反演算法,并先对弱降水性层状云中低层的雨滴粒子进行研究。本文在滴谱分布函数已知的情况下,根据雷达反射率因子与粒子平均直径的计算关系,利用最小二乘法建立基于天气雷达观测的雷达反射率因子反演云中粒子平均直径的反演模型。为验证所提出的反演理论和设计的计算方法的正确性和适用性,先开展仿真实验,分别包括无雷达观测误差反演实验、含有雷达观测误差反演实验和反演结果对不同条件(滴谱的形状参数、云中总含水量等)的敏感性实验。得到结论有:(1)无论雷达反射因子观测值中是否含有观测误差,通过本文提出的反演方法,均能在有限次的迭代下得到平均直径反演值;(2)若雷达观测偏差的绝对值大(小),平均直径反演值离平均直径“真值”远(近);若雷达观测随机误差越大,平均直径反演值与对应的“真值”有差异,但差异很小;(3)平均直径反演值对谱函数的形状参数、平均直径初值和云中总含水量大小均不敏感;而反演计算得到的雨滴谱对谱函数的形状参数、云中总含水量大小是敏感的,而在一定范围内,对平均直径初值选取不敏感;利用本文提出的反演方法对天气雷达在2011年7月13日长春伊通县(个例一)和2012年7月13日镇江句容观测到的两次的降水过程(个例二)进行反演实验,对得出的反演结果进行分析与讨论。(1)在个例一中,反演计算得到的雨滴谱与观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测滴谱进行对比,发现反演算法计算得到的近地层滴谱与地面实测滴谱的分布和变化趋势基本相同,反演得到的滴谱在量级和数值上的大小与实测滴谱有着良好的一致性。反演的雨滴平均直径和数浓度值计算得到的雷达反射率因子廓线与雷达观测的反射率因子廓线吻合较好。反演的雨滴谱与实测雨滴谱之间均存在一定的差异,造成这些差异的原因可能有:①取样空间存在差异;②由于取样空间的差异,雷达观测空间内雨滴下落时发生的微物理过程(碰并、破碎或蒸发等);③实测雨滴谱并不完全符合Gamma分布函数。(2)在个例二中,由雨滴平均直径反演值和数浓度的计算值计算的雷达发射率因子廓线在雷达反射率因子观测值的附近,但从个例一的结论可见,反演的雨滴谱与实测的雨滴谱有着良好的一致性,因此在个例二中即使没有雨滴谱仪实测数据进行反演结果验证,通过我们的反演方法能从雷达反射率因子中获得雨滴平均直径,数浓度和雨滴谱的信息是可供参考的。

【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017

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