GPM-DPR星載雙頻雷達(dá)探測(cè)降水的敏感性與差異性分析.pdf

1、全球降水測(cè)量計(jì)劃GPM(Global Precipitation Measurement)是新一代全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品，能夠?qū)邓畔⑦M(jìn)行更加精確的探測(cè)。GPM核心觀測(cè)平臺(tái)(Core Observatory)搭載的主要儀器為微波掃描輻射儀GMI(GPM Microwave Imager)和雙頻降水雷達(dá)DPR（Dual-frequency Precipitation Radar）。微波掃描輻射儀同時(shí)采用了高、低頻通道，低頻通道主要探測(cè)中雨和大

2、雨，高頻通道能夠?qū)π∮旰徒笛┻M(jìn)行探測(cè)。雙頻降水雷達(dá)將Ku和Ka波段數(shù)據(jù)聯(lián)合使用，可獲取更多云與降水粒子信息。本文利用GPM的2A-Ka、2A-Ku和2A-DPR等回波和降水產(chǎn)品資料，對(duì)比分析了兩個(gè)波段對(duì)強(qiáng)降水和弱降水的敏感性，及與云衛(wèi)星Cloudsat搭載的云廓線雷達(dá)CPR、TRMM搭載的測(cè)雨雷達(dá)PR在探測(cè)效果等方面的異同，并分析了2015年10月初1522號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”的降水分布、垂直結(jié)構(gòu)、雨頂高度、層云和對(duì)流云降水的結(jié)構(gòu)，與地基雷達(dá)

3、的觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比。得到以下主要結(jié)論:
　　(1)DPR兩個(gè)頻道的探測(cè)敏感性
　　DPR采用了Ka和Ku兩個(gè)波段，Ka波段的波束又分為高精度模式（High Sensitivity Beam，HS）和匹配模式(Matched Beam，MS)兩類。經(jīng)分析，在探測(cè)降水強(qiáng)度方面，Ka波段高精度模式的波束對(duì)云粒子和弱強(qiáng)度降水更為敏感，探測(cè)到的強(qiáng)度低于0.4mm/h的降水所占比重最大，但遇到強(qiáng)降水時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，不能精確探測(cè)強(qiáng)降水強(qiáng)度。而K

4、a波段匹配模式的波束探測(cè)強(qiáng)降水時(shí)同樣有較大衰減，但也幾乎無法探測(cè)到強(qiáng)度低于0.2mm/h的降水。Ku波段對(duì)弱強(qiáng)度降水的敏感度低于Ka波段HS模式，但探測(cè)強(qiáng)降水時(shí)衰減較小，精確度最高，且相對(duì)于Ka波段，Ku波段探測(cè)零度層亮帶的效果更佳。采用雙頻模式進(jìn)行探測(cè)時(shí)，能同時(shí)兼顧弱降水與強(qiáng)降水的散射和衰減特征。
　　在探測(cè)降水的雨頂高度方面，無論何種降水，Ka波段匹配模式的波束測(cè)得的雨頂高度都最低。當(dāng)探測(cè)弱降水時(shí)，Ka波段HS模式探測(cè)的回波頂

5、高明顯高于Ku波段;當(dāng)探測(cè)強(qiáng)降水時(shí)，兩者相差不多。這也證明了發(fā)生強(qiáng)降水時(shí)，由于對(duì)流旺盛，氣流的垂直上升速度快，其雨頂高度接近云頂高度，而發(fā)生弱降水時(shí)，氣流的垂直速度相對(duì)較小，其雨頂高度低于云頂高度。
　　(2)利用DPR資料分析臺(tái)風(fēng)“彩虹”的降水回波結(jié)構(gòu)
　　GPM捕捉到臺(tái)風(fēng)“彩虹”的結(jié)構(gòu)時(shí)，臺(tái)風(fēng)已發(fā)展到成熟階段，眼區(qū)清晰，螺旋結(jié)構(gòu)明顯，8小時(shí)后達(dá)到最大強(qiáng)度。臺(tái)風(fēng)在成熟階段近地面降水率集中在20mm/h以下，部分在20-60

6、mm/h，最大值達(dá)到88.68mm/h;雨頂高度集中在5-10km，最大高度超過15km，但強(qiáng)度超過15mm/h的降水主要分布在4km以下。臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)中可明顯看到不連續(xù)的零度層亮帶，多個(gè)對(duì)流單體分布在層云降水中，層云降水的面積在臺(tái)風(fēng)中所占比例達(dá)到63.4％，但單位面積平均降水率比對(duì)流降水低37％。雙頻降雨雷達(dá)DPR和地基S波段雷達(dá)探測(cè)“彩虹”臺(tái)風(fēng)的結(jié)果十分相近，證明了DPR數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。
　　(3)GPM/DPR與Cloud

7、sat/CPR及TRMM/PR探測(cè)能力的差異
　　目前，世界上共有三顆搭載雷達(dá)的衛(wèi)星，分別是搭載測(cè)雨雷達(dá)PR的TRMM衛(wèi)星，搭載云廓線雷達(dá)CPR的云衛(wèi)星Cloudsat和搭載雙頻測(cè)雨雷達(dá)DPR的全球降水測(cè)量計(jì)劃GPM。PR采用Ku波段，能夠探測(cè)強(qiáng)度較大的降水;DPR是對(duì)PR的延續(xù)和發(fā)展，同時(shí)采用Ka與Ku兩個(gè)波段，兼能探測(cè)強(qiáng)降水和弱降水;CPR采用高頻的W波段，主要功能為探測(cè)云的結(jié)構(gòu)。
　　利用DPR、CPR兩種數(shù)據(jù)資料分析

8、2015年10月3日經(jīng)過大西洋的一次對(duì)流，發(fā)現(xiàn)雨頂高度在7km，云頂高度在13km，雨頂高度比云頂高度低約6km。在任何高度上，CPR測(cè)得的反射率因子都比DPR要小，兩者的回波廓線也呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。DPR主要探測(cè)到降水區(qū)域，而CPR能探測(cè)更大范圍的云系，卻因衰減無法準(zhǔn)確探測(cè)強(qiáng)回波中心。
　　2015年2月25日，PR和DPR在10分鐘內(nèi)先后探測(cè)到印度洋羅德里格斯島的一次對(duì)流，對(duì)比兩者的探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙頻雷達(dá)DPR的Ku波段探測(cè)

9、結(jié)果與PR探測(cè)結(jié)果基本吻合，證實(shí)了GPM數(shù)據(jù)的可靠性。
　　此外，利用Cloudsat衛(wèi)星2B-GEOPROF產(chǎn)品，分析臺(tái)風(fēng)“彩云”的云系結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)云頂高度總體上在15-17km，隨著與臺(tái)風(fēng)眼距離的增大云頂高度也在逐步降低。雨頂高度在5km左右，遠(yuǎn)低于云頂高度，冰晶粒子尺度主要分布在0-200μm，半徑在100-200μm的冰晶粒子主要集中在0.5-1km高度上，該高度以上冰晶粒子尺度基本小于100μm，冰晶粒子尺度與回波強(qiáng)度成正