霍娟, 段民征, 韩瑽琤, 等. 2024. 三频雷达遥感云参数能力的模拟与初步分析[J]. 大气科学, 48(5): 2004−2014. HUO Juan, DUAN Minzheng, HAN Congcheng, et al. 2024. Preliminary Simulation and Analysis of the Triple-frequency Radar in Detecting Cloud [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(5): 2004−2014.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2212.22132
近些年，我国的短波、毫米波雷达探测技术实现突破并快速提高，多种波长雷达同时进行探测的能力逐步实现，外场观测与应用逐步普及，如何充分利用多波长雷达探测数据提取云微物理特征的工作变得更加紧迫，因为这是深入应用雷达数据服务于气象科学研究工作的基础。相对于数据拟合法，利用最优估计法基于前向散射模型开展云粒子微物理特征提取工作，受局地条件限制影响小，较适合在更广泛地区使用。
相比于传统的天气雷达，短波/毫米波雷达的探测优势是对非降水云的探测，因为相对雨滴、冰雹等，云滴粒子的尺度小很多，短波雷达对这些小粒子更加敏感，而自然界中非降水云的占比是处于绝对优势。我国多波长短波雷达的探测技术，相比国外起步较晚，但近几年发展快速。双波长、三波长雷达探测技术的实现，为开展云内部结构特征、云降水形成过程和机制等研究提供了强有力的手段。尽管探测技术已较好实现，但目前我们对多波长短波雷达联合探测云能力的理论认识和分析工作，仍存在较大的研究空间。本文从雷达探测基本原理出发，借助电磁波散射理论方法，建立了适用于多种粒子形态、不同波长的雷达探测前向正演模拟计算方法，并利用该套方法对多波长短波雷达在液态云滴的探测及能力进行了初步模拟分析，对如何利用雷达探测参数提取云微物理参数方法进行了探讨，一方面对多波长雷达探测云特征的获得更准确的认识，另一方面为云微物理参数的反演提供理论依据和手段。
通过模拟计算和对比分析，获得的主要结论有：
（1）通过与瑞利方法相比较，我们基于T-matrix方法建立的雷达反射率因子等参数的计算方法RSP法，精度可靠准确。该方法的建立将能适用于对更多形态、更大尺度的云粒子的雷达观测的模拟。
图 分布宽度σ取值分别为（a）0.2、（b）0.3、（c）0.4和（d）0.5时粒子数浓度Nt（单位：cm−3）和平均直径D0（单位：μm）对数正态粒子谱密度分布情况。
（2）在对数正态分布的三参数中，Nt值的变化对Ze的影响程度相对D0变化所产生的影响程度要小很多；σ的变化对Ze的影响程度则居于二者之间。
（3）模拟结果表明，云滴的反射率因子与LWC的对数、re的对数之间呈接近线性的关系。利用该特征，建立了LWC与Ze、re与Ze的幂指数形式的简单反演关系。
图 X波段雷达衰减系数（k）随（a）LWC和（b）re的变化情况，不同颜色表示不同的σ。
（4）不同云层高度处两波长的反射率的差值，可用于反演云层的平均LWC。
本文目前仅分析了球形小粒子的散射，较多地模拟和分析了反射率因子与云滴谱各参数之间的相互关系。实际上，对雷达的多普勒和极化功能并未模拟和讨论，这两个功能对单一球形粒子的作用不明显，而在处理多种粒子形态的具有运动变化特征的实际云数据中，多普勒速度、谱宽和极化技术是非常重要的探测参数，将能发挥更大作用，在未来工作中我们将继续开展相关方面的研究。此外，公式（12）的平均LWC反演工作，也仅是理论推导，还需要利用实测数据进行检验，目前限于观测条件和观测数据限制，未能开展，未来条件具备时，将进行进一步的检验工作。
