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基于SimRAD平台的云区雷达回波衰减订正模拟实验

赵凤环  王振会  纪雷  滕煦  
【摘要】:云对辐射能量传输和平衡过程有重要影响,是研究气候的很重要的一个因素,也是气象业务与气象学科研究的中心问题之一。毫米波雷达与一般天气雷达(X、C和S波段雷达)相比,在气象探测上具有较强的探测小粒子的能力,能探测从直径为几微米的云粒子到弱降水粒子的范围,具有穿透云的能力而能描述云内部物理结构,并且可以连续监测云的垂直剖面变化,弥补其他遥感手段的不足。利用毫米波雷达连续观测云在大气中辐射传输能够获得有重要意义的参数,这些参数包括宏观上的云厚、云高、云量、云层数,微观上云粒子的大小、浓度、滴谱分布、冰与液态水的含量等等。但是毫米波雷达在探测过程受大气和云雨的衰减很严重,衰减作用造成回波面积减小,雷达观测值比实际值小。因此在利用毫米波雷达反射率因子Z研究云的微物理特性之前,必须进行雷达回波的衰减订正。造成毫米波雷达严重衰减的主要原因有大气吸收和云雨粒子水成物的衰减两个部分。大气衰减主要是的氧气和水汽分子对微波的吸收作用造成的,大吸收在测云波段产生明显的衰减,。对于中纬度夏季标准大气,当雷达探测频率在37.5GHZ的衰减值在0.5-1.5dB,而当频率增加到94GHZ时衰减值为1.5-4dB。因此毫米波雷达在探测云时大气的衰减必须要考虑。云中水成物对雷达回波的衰减与云中液态水或冰晶含量以及粒子的滴谱分布有关,对于波长很小的毫米波雷达云中含水量越小,衰减越小,探测能力越强,在滴谱一定的情况下,云中的含水量越高,衰减越厉害,这也就是毫米波雷达一般都用来探测薄云的原因。根据机载毫米波雷达测云时大气和雨云衰减的特点,采用分步进行衰减订正的思想,利用SimRAD(正在开发中的一种机载雷达探测资料处理仿真软件)平台,首先进行大气吸收衰减订正,然后再用HB法、迭代法、逐库近似1法、逐库近似2法、逐库法对云雨粒子造成的衰减进行订正。为了研究多种衰减订正算法对不同种云的适用性,利用SimRAD平台仿真模拟了机载毫米波雷达探测时几种典型云的雷达回波廓线,进行了衰减订正个例模拟实验。结果表明:对于云底高度较低,云中水含量较低的层云这些衰减订正算法的适用性都很好,完全可订正的厚度达到了整个云层厚度的75%;迭代法,能够满足对雨层云的订正要求,HB法在雨层云的顶部订正效果可以,但是在云的中层过量订正严重,逐库法及其近似算法出现及其不稳定性,不适于这类云的订正;含水量比较大大的积云,由于衰减严重,多种订正方法的订正效果不明显,还有待从细化云中的宏观及微物理参数,以及优化衰减订正算法的实现过程等方面进一步研究。这些工作为以后针对不同类型的云选取何种订正算法进行机载毫米波雷达探测资料订正提供了参考,具有指示作用。

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