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冰晶粒子多普勒功率谱正演方法的建立和初步应用

冰晶粒子多普勒功率谱正演方法的建立和初步应用

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作者：丁晗中国气象科学研究院

学位级别：硕士

由于冰晶粒子形状多样,其下落速度、后向散射截面、质量和粒径之间的关系十分复杂,影响了利用云雷达多普勒谱密度数据反演冰晶微物理特性的应用进展。本文在假设6种粒子形状的情况下,根据已经有的研究成果,建立了粒子质量、下落速度、... 详细信息

由于冰晶粒子形状多样,其下落速度、后向散射截面、质量和粒径之间的关系十分复杂,影响了利用云雷达多普勒谱密度数据反演冰晶微物理特性的应用进展。本文在假设6种粒子形状的情况下,根据已经有的研究成果,建立了粒子质量、下落速度、后向散射截面和粒子尺度的关系,讨论了在同样的滴谱情况下,不同粒子对应的功率谱的变化,以及空气上升速度、湍流和灵敏度对雷达功率谱及滴谱反演的影响,并利用于2018年在河北邢台的云雷达和飞机观测数据,进行了液体和固态滴谱、含水量和粒子体积平均直径的反演和对比。此外,为了利用单雷达反演完整的冰晶尺度谱,建立了粒子形状及数浓度分布模型,并利用2014年西藏那曲的观测数据进行反演验证,结果表明:(1)等效直径相同的粒子,聚合体的下落速度最大,其次是六棱柱冰晶和六角板状冰晶,扇形和星形的冰晶较小,相同尺寸冰球的下落速度约是冰晶粒子的2-3倍。后向散射截面最大的六棱柱冰晶,其次是星形冰晶、扇形冰晶、六角板冰晶与两种聚合体及冰球的后向散射截面十分接近。说明在利用功率谱数据反演滴谱时将不同种类的冰晶粒子统一视作冰球将会导致不同程度的粒子尺度低估,从而给滴谱反演带来误差。(2)相同滴谱分布下,不同冰晶类型的模拟雷达多普勒谱功率谱的宽度主要受粒子下落速度随粒子尺寸的增大的速率影响。粒子的下落速度随尺度增加而增加的越快,所产生的功率谱越宽,反之亦然。湍流对不同冰晶的多普勒谱有不同程度的影响,总体来说会使功率谱两端拓宽且削弱峰值,这也给粒子谱分布的反演带来较大的误差。(3)当分别假设云内只存在一种类型的冰晶粒子时,利用云雷达功率谱数据反演粒子滴谱的结果与飞机观测结果比较显示,每一类冰晶都在一定尺度区间内与飞机观测结果对应很好,说明在此区间内该类型粒子存在的可能性很大,也充分验证了雷达反演冰晶尺度谱的可行性。对比雷达反演的液态水含量及飞机观测结果,二者随高度的变化趋势基本一致,飞机实测值略小于雷达反演结果。(4)利用建立起的完整冰晶粒子分布模型,可以很好的反演出完整的冰晶尺度谱。西藏那曲的雨层云与深对流云个例微物理参数反演结果显示,雨层云的冰水含量及粒子有效半径分布较为均匀,深对流云相对较不均匀。回波反射率与冰水含量相关性较好,云内粒子有效半径大部分在60μm以下。

关键词：多普勒功率谱冰晶粒子尺度谱反演

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