毫米波云雷达和微波辐射计联合遥感云粒子谱参数的研究

Cloud is not only the precursor of precipitation, but also a key factor affecting the surface downward solar radiation and surface outgoing long wave radiation, and therefore is an important factor for climate change research and weather forecast. Cloud effective radius and number concentration can reflect cloud evolution status and the albedo to solar radiation. Cloud liquid water path determines optical depth in visible spectrum. If cloud particle size distribution and depth of cloud layer are known, cloud number concentration, effective radius and liquid water path can easily be calculated. The retrieval of cloud particle distribution is of great importance. Floating highly above ground surface, cloud parameters become hard to be measured due to technique issues and financial cost. Ground-based millimeter-wave cloud radar can measure cloud reflectivity factor, vertical velocity and spectrum width. Microwave radiometer can provide cloud water content. With the assumption of Γ-distribution or lognormal distribution of the cloud particle sizes, the parameters of cloud size distribution and cloud liquid water path can be retrieved by using cloud reflectivity from radar, and cloud water content from microwave radiometer. The research will use synergistic measurements from ground-based millimeter-wave cloud radar and microwave radiometer, to retrieve cloud particle distribution and other parameters for monitoring cloud evolution and providing essential data to the study of cloud physics.

云不仅是发生降水的前提，也是影响到达地面的太阳短波辐射通量和地表外逸长波辐射通量的最重要因子，是气候变化研究和天气预报的重要参量。云的有效半径和数浓度不仅反映了云的发展演变状态、也决定了对太阳辐射的反射率，云水路径决定了可见光谱段的光学厚度。如果知道了云的粒子谱分布和云层厚度，则可以得到云粒子的数浓度、有效半径和云层的云水路径。所以，反演云粒子谱有重要的意义。但云悬浮在高空且云粒子很小，造成了直接探测的高成本和技术困难，难以获得实时的云参数。地基毫米波雷达可以探测云层的反射率因子、垂直速度和速度谱宽；微波辐射计可以反演出云水总量。在假定云粒子呈伽马分布或对数正态分布的基础上，综合利用云的反射率因子、云水总量等数据，可以反演出云的粒子谱参数和云水路径。本研究利用地基毫米波云雷达和微波辐射计联合测云，不仅可以反演出云粒子谱等参数，也可以准确地监测云的发展演变，为云物理研究等提供基础数据。

云特性参数对天气变化、降水过程和气候变迁具有重要的意义，但云在高空、且云粒子很小，因而对云参数的探测非常困难。利用地基毫米波雷达进行云参数的遥感探测是目前最有效的方案。云回波强度虽然是由云参数决定的，但毫米波雷达探测回波强度不能可靠地解算出云参数，这是多值对应问题，不能正确求解，所以项目研究了Ka波段毫米波雷达和地基微波辐射计联合遥感的方式进行云参数的反演，增加了已知量，得到了较可靠的层状云参数，云粒子有效直径约15微米、数密度约为每立方厘米几十至几百个、每立方厘米云水含量在1克以内，发表了几篇研究论文，并有几篇待刊印。为了进一步简化探测和反演方案，还研究了利用毫米波雷达的回波信号功率谱数据进行了反演研究，因为功率谱中包含了回波强度和垂直速度两种信息，再结合粒子大小和落速度的关系，也反演得到了云微物理参数。这个研究的启示是，需要保存和充分功率谱数据。.在完成项目主要目标的同时，还开展了三方面的扩展延伸研究：（1）衰减订正研究，毫米波信号容易受到气体和云层的衰减，为了保证雷达数据质量，项目对毫米波雷达信号的路径衰减问题进行了订正研究，提高了雷达数据的准确性和反演结果的可靠性。（2）云辐射效应，云对地气系统的辐射收支产生显著影响，结合反演的云参数进行辐射效应的计算，并与地面辐射数据进行了对比，验证了计算结果的可靠性。（3）云分类研究，利用云回波数据进行统计分析，得到了几类云的回波特性，并开展分类识别研究，得到了可靠的分类结果.通过项目的目标研究和扩展研究，获得了云微物理参数、云类型和辐射效应，增强了利用毫米波雷达遥感云特性的能力。.关键词：