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基于雷达反射率因子偏差的云微物理参量反演研究

机载数据,微物理参量,反演

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.14 人工影响天气

      积层混合云我国最主要的降水云系之一，它的形成、发展除了受动力、热力条件影响外，其内部的微物理过程也起着重要作用。云滴大小和液水含量是影响云物理过程的重要因素，对天气预报、降水演变、辐射平衡、气候变化、人工影响天气和飞行安全等方面都有重要的应用价值。针对前人研究的反射率因子Z与LWC经验公式适用范围有限的情况，利用2018—2020年飞机观测资料，在验证国内首部机载云雷达（Ka-band Precipitation Radar，KPR）探测能力和数据可靠性的基础上，创新性的将机载反射率因子偏差∆dBZ（机载云雷达反射率因子dBZ_KPR与飞机粒子谱观测dBZ_obs差值）作为表征粒子尺度的新参量引入传统算法，建立了新型Z-LWC/De经验公式，显著提升云微物理参量反演的准确性。该算法为研究积层混合云宏微观特征及降水机制提供研究基础。

      对比dBZ_KPR与dBZ_obs发现在反射率因子大于-10dBZ时，两者相关性较好，但是也存在一定的偏差：当航路上以大云滴粒子或雨滴粒子为主时，由于机载云雷达对云雨滴粒子的衰减以及航路上观测盲区的存在，使得dBZKPR偏小；当云中以小云滴为主时，由于机载云雷达极大的采样体积以及其探测阈值的影响，使得dBZKPR偏大。由此表明，∆dBZ是一个可以表征粒子尺度的参量，这一点在Z、LWC、De以及∆dBZ的散点分布图中也得到了印证。因此，∆dBZ这个参量将作为一个表征粒子尺度的参量，引入传统经验公式算法中，最终建立Z-LWC/De的新型经验公式。

      利用上述建立的经验公式以及航路上观测的机载云雷达的反射率因子，可以反演获得航路上的LWC和De，将其与航路上云粒子谱计算获得云微物理参量真值进行对比，验证其反演效果。统计检验与独立的地基观测个例对比检验都表明，本研究的反演效果明显优于前人的，LWC和De的反演精度得到显著提升：LWC反演RMSE至少降低62.5%，De RMSE减少12.7%-31.5%。

      但是，由于云内复杂的粒子谱分布，导致Z–LWC/De关系的非唯一性，引发系统性反演偏差：在降水云中，LWC被高估（De被低估）；而在弱降水/非降水云层中，则出现反向偏差。通过分析反演偏差与云宏微观参量的关系，得出最佳LWC反演条件为：弱降水云团（不局限于MFC），云厚3–6.5km，云底高度<1km，Z<30 dBZ，Nc<100 cm^-3，100<De<500μm，LWC<0.2 g m^-3；最佳De反演条件为：Z<30 dBZ、Nc>1 cm^-3、De<300 μm（尤其<100 μm），LWC 0.1–0.6 g m^-3。