UHF风廓线雷达谱矩估计值降水特征研究

摘要:根据降水云的结构一般将降水划分成为对流云降水和层状云降水。本文分析了UHF风廓线雷达垂直波束谱矩估计值分别对应这两种类型的降水天气下的特征,包括垂直径向速度、谱宽。为了进一步对比,还分析了上述各参量在晴空天气下的特征。研究表明:UHF风廓线雷达谱矩估计值降水特征明显,表征清晰,具有代表性。并基于上述特征,对北京2007年6月27日的一次降水全过程进行了分析,验证了这些特征的适用性和可靠性。因此,通过特征提取以及对应模板的建构,可为今后自动识别UHF风廓线雷达数据中所反映的天气情况提供一种新的途径。

关键词:UHF风廓线雷达;晴空;对流云降水;层状云降水;谱矩估计值特征

1 引言

风廓线雷达是21世纪高空探测系统的重要组成部分,我国正在进行风廓线雷达观测网的建设。风廓线雷达主要设计用来探测大气风场[1],但它的动态范围很大,在探测到弱的湍流散射信号的同时,还可以探测到降水粒子的散射信号。在晴空天气下,风廓线雷达回波为湍流散射;在降水天气下,风廓线雷达回波信号中既有湍流造成的回波,也有冰晶、云滴、雨滴等粒子产生的瑞利散射[2]。UHF风廓线雷达对晴空回波的和分散目标的瑞利散射都很敏感。McDonald等[3]指出对于UHF来说,只要有降水过程发生,降水粒子的瑞利散射信号强度就会超过晴空回波信号的强度。

国外从上世纪80年代末开始了比较多的相关研究。Ralph等[4]指出风廓线雷达在探测风场的同时,也适合用来测量降水。Wuertz等[5]给出了UHF风廓线雷达降水以及晴空天气下数据的特征。McDonald等[3]对降水数据的垂直信号功率、垂直信号谱宽和信噪比进行了分析。K.S.Gage等[6]使用915MHz风廓线雷达谱矩估计值对热带降水云系统的不同特征进行了分析。目前,国内在相关方面的系统研究报道较少。

本文结合北京CFL-16型风廓线雷达探测数据分析了UHF风廓线雷达在两种类型降水天气以及晴空天气下各谱矩估计值的特征,并对北京2007年6月27日一次降水全过程的探测资料进行了分析。

2 雷达设备和资料

本文采用的数据采自中国气象局大气探测试验基地的CFL-16型对流层风廓线雷达。它的设计探测高度为16km,采用高、中、低三种工作模式。

从试验资料中选出两个典型降水个案:2007年7月31日00:55-02:09、8月12日07:44-08:30,其中前者为层状云降水,后者为对流云降水。另外加入一个晴空个案作为对照比较,即2007年7月23日8:00-9:00和20:00-21:00的平均值。此外,还采用了中国气象局大气探测试验基地采集的同时期地面小时降水量数据作为参考。在资料处理前,对选取的数据进行了合理性检验以及奇点剔除。

3特征分析

3.1垂直径向速度

晴空天气下,垂直径向速度分布在-0.5m/s~0.5m/s之间,随高度和时间的变化比较小(见图1a)。在此要说明的是:本文的数据特征分析是建立在大量实测数据基础之上的,见以下各图中的主子图,各图中的小子图为统计概化特征曲线。

层状云降水天气下,在融化层高度(约4000m)以下垂直径向速度基本分布在4m/s~10m/s之间,切向梯度不大,在融化层高度,垂直径向速度显著增大,在融化层高度之上,垂直径向速度随高度增加逐渐减小,直至接近1m/s左右,整个高度范围内没有上升气流运动(见图1b)。

对流云降水天气下,存在强烈的对流运动,没有明显的融化层,而且相比较层状云降水来说,对流云降水的垂直径向速度的分布范围更大(3m/s~13m/s左右),这是由于对流云降水的强烈上升气流的作用使得有些降水粒子的速度减缓或者有些时刻降水强度非常大产生的(见图1c)。

3.2 谱宽

晴空天气下,谱宽都主要分布在0.5m/s~2m/s之间,0~2500m谱宽变化不明显,在2500m左右显著减小,但在2500m~4500m范围内又稳定在一个较小的变化范围内,4500m以上随高度逐渐增大,在7000m~9000m高度范围内,又有一个先减小后增大的过程(见图2a)。

层状云降水天气下,在降水发生的高度,谱宽主要分布在2m/s~4m/s之间,在3500m以下谱宽变化较小,在融化层(约4000m左右)达到极大值,4500m-10000m之间谱宽呈现一个右向的U字形分布,在10000m以上随高度增加逐渐减小(见图2b)。

对流云降水天气下,2500m以下,谱宽随高度增加而增大,在2300m左右达到一个极大值约为4m/s左右,在约3000m高度处,谱宽显著减小,3000m~8000m之间,谱宽随高度增加逐渐增大,8000m以上,谱宽变化较剧烈(见图2c)。

4 对北京一次降水全过程的分析

从地面观测的降水量来看,观测地点在2007年6月27日14时-20时都观测到有降水天气发生。为了结合晴空过程,分析此次天气过程的时间选为11:43-14:52,并分为三个阶段:第一阶段为11:43-12:46,第二阶段为13:09 to 13:44,第三阶段为:14:12-15:38。

4.1 第一阶段

从这一阶段的统计平均结果中可以看出,在7000m以下,都基本符合晴空天气下的特征,在7000m~9000m之间垂直径向速度、信噪比和谱宽都比较大,因为在一小时以后有强降水发生,所以推测是高空存在较强的下沉气流运动。(见图3)。

4.2 第二阶段

从这一阶段的统计平均结果可以看出,所给三个参量基本和所给对流云降水条件下对应的特征符合,对垂直径向速度来说,在3000m以下的高度范围内,变化范围更大,这也符合对流云降水的特征(见图4)。

4.3 第三阶段

在这一阶段的统计平均结果和层状云降水的参量特征非常吻合,说明在这一时间段内属于层状云降水过程(见图5)。

从地面观测的降水量资料来看,所给上述三个阶段分别是:无降水量,认为是晴空天气;降水量突然增大到18.4mm且持续时间较短,认为是对流云降水;稳定分布的降水量且持续时间较长,认为是层状云降水,两种探测结果配合较好。

5 讨论

根据UHF风廓线雷达谱矩估计值在上述几种典型天气下的统计特征,可以设定一套模板,这些模板用来定义理想化的UHF风廓线雷达谱矩估计值的特征,并由模板可以定义参数来进行分类识别。需要指出的是,能较好地反映实际特征的模板是建立在对探测到的实际特征进行一些统计分析之上,并且要尽可能地与探测到的实际特征相接近。这些模板可能为自动识别UHF风廓线雷达数据中所反映的天气特征并对这些特征进行提取提供一些参考。

6小结

本文结合北京CFL-16型UHF风廓线雷达探测的数据,通过统计分析,总结了晴空、层状云降水、对流云降水等三种天气条件下谱矩估计值的特征,研究表明:UHF风廓线雷达谱矩估计值降水特征明显,表征清晰,具有代表性。并基于上述特征,对北京2007年6月27日的一次降水过程进行了分析,验证了这些特征的适用性和可靠性。因此,通过特征提取以及对应模板的建构,可为今后自动识别UHF风廓线雷达数据中所反映的天气情况提供一种新的途径,应成为今后进一步研究的一个方向。

参考文献

[1] 何平.相控阵风廓线雷达[M].北京:气象出版社,2006.

[2] 张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].北京:气象出版社,2001.

[3] A.J.McDonald,T.K.Carey-Smith,D.A.Hooper,G.J.Fraser,and B.P.Lublow.The effect of precipitation on wind-profiler clear air returns[J],Ann.Geophys.,2004,22:3959-3970.

[4] F.M.Ralph,P.J.Neiman,D.W.van de Kamp,and D.C.Law.Using spectral moment data from NOAA’s 404-MHz radar wind profiler to observe precipitation[J],Bulletin of the American Meteorological Society,1995,76(10):1717-1739.

[5] D. B. Wuertz,B. L. Weber,R. G. Strauch,A. S. Frisch,C. G. Little,D. A. Merritt,K. P. Moran,and D. C. Welsh.Effects of precipitation on UHF wind profiler measurements[J], J.Atmos.Oceanic Technol.,1988,5:450-465.

[6] K. S. Gage,C. R. Williams,and W. L. Ecklund.Application of the 915 MHz profiler for Diagnosing and classifying tropical precipitating cloud systems[J].Meteorol. Atmos. Phys. ,1996,59:141-151.