毫米波雷达测云个例研究

樊雅文，黄兴友，李锋

(1．南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏南京210044;2．中国气象局 气象探测中心，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参数，对气候变化、天气演变、人工影响天气和飞行安全等方面都有重要的影响，并且云的辐射作用也主要取决于这两个参数。但云参数的探测一直是个难题，随着毫米波雷达技术的成熟，云参数的遥感探测得到了根本性的改观。与厘米波段的天气雷达相比，毫米波雷达使用的波长更短，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，毫米波雷达更适合于测云，而厘米波段的天气雷达更适合于测量降水。适当波长的毫米波还具备良好的穿透云层能力，不仅可以探测云底也可以探测云内的参数和结构，能够连续监测云的垂直变化和小云体的水平变化，揭示云的时空结构和演变特征，成为云遥感探测的有效仪器。

云内液水含量及云粒子平均半径是毫米波雷达遥感云参数的主要目标之一。许多学者做了相关工作:结合35 GHz雷达和飞机穿云实测谱参数数据，得出雷达反射率因子与粒子有效半径、云内液水含量之间存在幂指数关系的结论(Atlas，1954;Sauvageot，1983;Kropfli and Kelly，1996);联合毫米波雷达和红外激光雷达，利用相关法可以反演云的微物理参数及其垂直廓线(Intrieri et al．，1994);通过微波辐射计和毫米波雷达的联合，发展反演层状云粒子大小和液态含水量的方法(Frisch et al．，1995);利用地基毫米波雷达，研究卷云中的冰晶含量、平均粒子大小以及垂直廓线(Matrosov，1999);结合数值模拟方法和CloudSat星载94 GHz云雷达(CPR)数据，可以反演云内液态水含量和有效云粒子半径;同时联合激光雷达，可以识别云粒子的相态(Austin and Stephens，2001)。

2010年7月，中国气象局在广东阳江开展了约1个月的大气遥感探测比对试验，南京信息工程大学的国产Ka波段(35 GHz)毫米波雷达在试验期间获取了一系列云回波资料。本文进行了云参数的反演研究，得到了云水含量、有效直径等参数。

1 云水含量及云滴有效直径的反演

云水含量随云类型、地区等因素而变化，层状云的含水量一般为0.01 g/m3。南方及低纬地区，层状云中含水量较大，特别是在雨层云和层积云的对流泡中含水量可高达2～3 g/m3(黄美元和徐华英，1999)。至于积状云，滴谱的差异很大，晴天积云的云滴平均直径在6～66 μm范围内，而浓积云和积雨云的云滴平均直径在6～200 μm范围内，有时甚至超过200 μm(梅森，1979)。在非降水性的浓积云里，直径大于200 μm的云滴很少被探测到，但在积雨云的降水区却经常观测到。

1.1 雷达反射率因子和云滴有效直径、云水含量的关系

用单部毫米波雷达回波并结合飞机实测的云滴谱参数(Atlas，1954;Sauvageot and Omar，1987;Fox and Illingworth，1997)，可得到雷达反射率因子与云滴有效直径、云水含量之间的关系。Atlas(1954)认为，雷达反射率因子Z与云水含量(liquid water content，LWC)之间存在简单的指数关系。在云滴大小和分布较均匀时，该关系可写为

其中a和b是经验常数。实际上，从理论上也可导出该关系式，表1列出的3个经验公式均符合指数关系。

表1 Z-X经验公式Table 1 Empirical relationship of Z-X

Atlas和Sauvageot经验公式适用于非降水云。在反演云水含量时，Illingworth经验公式适用于小云滴的情况，即不含或剔除了毛毛雨等大滴，因而不适用回波较强的云。当回波强度达到－15 dBz时，即认为云中存在毛毛雨尺寸的大滴(Sauvageot，1983)。

1.2 个例数据反演的云滴大小和云水含量特征

选取2010年7月26日12:16(北京时，下同)在广东阳江探测的毫米波雷达数据进行分析。雷达天线以90°仰角指向天顶进行定点扫描，回波图像如图1a所示。回波顶高在4.7 km左右，Zmax＜－10 dBz。结合图2可知，该回波是一个淡积云的云体回波。如果将粒子平均直径D=200 μm、反射率因子Z=－15 dBz(或0.032 mm6·m－3)作为区分降水和非降水性水凝物的阈值(Sauvageot and O-mar，1987)，那么该阈值与 Sauvageot(1983)得到的结果是一致的。因此，对于该个例，因无法消除云中毛毛雨尺度的大滴影响，故不能使用Illingworth经验关系。因反射率因子大体上低于－15 dBz，符合Atlas和Sauvageot反演公式的条件，故选择Atlas经验公式进行云内粒子有效直径和云水含量的反演。

根据Atlas经验公式，对毫米波雷达在7月26日12:16:57之640 ms时刻探测的淡积云回波强度进行反演，得到的反演廓线如图3所示。由图3a可见，反演的云有效直径最大值为30 μm，出现在云底以上200 m的位置，最小值为8 μm，出现在云顶。图3b中云水含量最小值为0.05 g/m3，出现在云顶;云水含量最大值为1.45 g/m3，出现在云底以上200 m的位置，对应的反射率因子值大于－15 dBz。虽然存在多处峰值，总体上云水含量随高度变化的趋势是先增大再减小，最大值位于云底以上1 km以内，即云体的中下部，这与积状云含水量分布情况(梅森，1979)较一致。图1b给出了瞬时数据中的径向速度，可以看出速度较大，甚至出现速度模糊，因为出现的时间是正午，对流旺盛，云中的上升速度超过7 m/s，这种现象是正常的。出现的速度模糊，由于容易辨别，未进行退模糊处理。图1b上层为负速度(朝向雷达)，下层为正速度(离开雷达)。正是因为云内同时存在上升、下沉气流，造成大小粒子分布不均匀，从而使得粒子有效直径和云水含量廓线出现多峰值的情况。

图1 2010年7月26日12:16天顶定点扫描回波图a．反射率因子;b．径向速度Fig．1 Cloud echoes at vertical pointing at 12:16 BST 26 July 2010 a．reflectivity factor;b．radial velocity

图2 2010年7月26日12:19的347°方位角RHI扫描回波强度Fig．2 RHI(Range-Height Indicator)at 347°azimuth at 12:19 BST 26 July 2010

图3 云微物理参量反演 a．云内粒子有效直径;b．云水含量Fig．3 The retrieved profiles of cloud variables a．equivalent diameterofcloud droplet;b．liquid water content

2 云内冰水含量的反演

云内冰水含量(ice water content，IWC，CIW)是由冰相粒子形状、质量密度和尺度谱决定的总体特征量。在大西洋地区、温度介于－30～－60℃的卷云中，观测到的IWC为0.01～0.1 g/m3(Griffith et al．，1980);在巴拿马地区的雷暴顶处、温度约－70℃的卷云中，观测到的IWC为0.000 1～0.01 g/m3(Knollenberg et al．，1993);在赤道太平洋上空，观测到IWC最大值达到1 g/m3。所以，IWC量级跨度大，高度分散(Chen et al．，1996)。

2.1 典型的Z-CIW关系

表2列出了基于35 GHz毫米波雷达回波强度数据而得到的反射率因子和云内冰水含量的统计关系式(Heymisfield，1977;Sassen，1987;Schneider and Stephens，1995;Liu and Illingworth，2000)。

表2 35 GHz毫米波雷达反射率和云内冰水含量的关系式Table 2 Z-CIW(radar reflectivity factor and cloud ice water content)relationships for 35 GHz millimeter wave radar measurement

Protat and Heymsfield(2007)通过大量的飞机穿云实验与35 GHz雷达联合探测数据，得到的云内冰水含量的统计关系(表3)。

表3 35 GHz毫米波雷达反演云内冰水含量的关系式(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)总结了一些学者的试验结果，归纳出卷云参数的典型值和范围，涉及到的卷云在南北纬5°～65°之间。卷云中心高度范围为4～20 km，典型值为9 km;云厚介于0.1～8 km，典型值为1.5 km;云内冰水含量为10－4～1.2 g/m3，典型值为0.025 g/m3;冰晶尺度为1～8 000 μm，典型值是250 μm。Illingworth和 Protat公式给出的结果近似且IWC较大，其他3种经验公式反演结果相近但较小。

2.2 个例数据反演的云内冰水含量特征

采用垂直指向天顶的扫描方式，2010年7月18日01:24:08在广东阳江探测到的毫米波雷达回波如图4所示。可见，回波强度为－25～－20 dBz，云顶高度为9 km，云厚为1 km，属卷云。为了利用表2、表3所列7种公式了解卷云内的冰水含量取值范围，选择其中差异较大的Hemysfield、Sassen以及Illingworth三种公式，反演结果见图5。可以看出，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。

图4 2010年7月18日01:24:08天顶定点扫描结果a．反射率因子;b．径向速度Fig．4 Radar echoes at zenith at 01:24:08 BST 18 July 2010 a．reflectivity factor;b．radial velocity

图5 2010年7月18日01:24:08云内冰水含量廓线(随高度分布)Fig．5 Retrieved Z-CIW(reflectivity factor and cloud ice water content)profiles at 01:24:08 BST 18 July 2010

3 几类云的回波强度廓线特征

2010年7月试验期间，出现了如表4列出的几类云型。为了避免强回波对毫米波雷达信号的衰减影响，在处理雷达数据时，尽量少用回波强度超过20 dBz的回波，筛选出6类云回波，以便分析这些云回波的垂直分布。图6为表4所列出的不同时刻6类云的回波强度及线性退偏振比垂直廓线。由图6a可看出，0721和0722个例中，低层出现了较大的回波强度，这是因为有弱降水发生，但降水层的厚度较薄(部分衰减作用导致高层回波变弱)。0721个例为对流云降水，低层云回波强度随高度几乎不变(图中2 km高度以下);0722个例为积层混合云特征，1 km以下为降水回波，1～5 km高度为明显的层状云特征。非降水云中，0716个例反映的是位于中高层的积层混合云，0725个例为受台风外围影响的积层混合云，两者的共同特点是在6～8 km高度出现回波大值带，从广东地区探空资料可知当地的零度层高度在5 km左右，再结合大值带出现的高度，初步认为可能是由于6～8 km高度处存在过冷水滴。对照图6b的线性退偏振比资料可以看出，在6～8 km高度，线性退偏振比数值最低。线性退偏振比越小，说明云粒子越趋于球型。因此，可以进一步判断，6～8 km高度存在过冷水滴。0718个例反映了高层云的情况，在9 km高度出现回波强度的增加。台风外围云系(0725)的上面两层云分别在10.5 km及13 km出现了回波强度的增加，可能反映该高度上有较大的冰晶粒子。结合图6b中的线性退偏振比廓线进行分析，0718和0725个例中，高层(8 km以上)线性退偏振比值相对较大，所以，认为这两处出现冰晶粒子是合理的。0726个例为局地淡积云，该淡积云是由本地发展起来的，回波强度总体上随高度减小，但有复杂的起伏，这可能是由云中上升下沉气流输送造成的。

图6 云参数垂直廓线 a．回波强度廓线;b．线性退偏振比廓线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 用于分析回波廓线特征的6类云型Table 4 Six types ofcloud used forecho profile feature analysis

4 结论

参考国外毫米波雷达测云的成果，利用国产35 GHz地基毫米波雷达研究了云滴有效直径、云水含量和冰水含量，针对2010年7月在广东阳江观测的资料，给出了初步反演结果，并结合回波强度的垂直廓线初步分析了6类云型的宏微观特征。结果表明:

1)利用毫米波雷达可以有效地遥感探测云特征参数，包括云分布、云高、云厚等宏观参数以及云的有效直径、云水含量和冰水含量等微观参数。

2)对于回波强度低于－15 dBz的层状云或未发生降水的弱云来说，基于回波强度可以反演云水含量、冰水含量以及云滴的有效直径;对于较强的降水云，反演结果可能偏大。

3)个例对比分析表明，不同类型云的回波廓线有明显差异，该差异可以作为云类型自动识别的判据之一;线形退偏振比也是判别云中过冷却水区和冰晶区的参考指标。

由于国内毫米波雷达探测刚起步，研究成果积累少，故本文采用的经验公式均为国外的研究结果，由于条件限制，目前还没能利用机载仪器进行对比观测，随着我国云探测技术和设备的进步，或许在不久的将来可以进行云特征的联合探测，进一步验证文中的反演结果。

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