贾烁, 杨洁帆, 雷恒池, 等. 2024. X波段双偏振雷达物理量时间—高度剖面的重构方法改进及应用研究[J]. 大气科学, 48(3): 938−954. JIA Shuo, YANG Jiefan, LEI Hengchi, et al. 2024. Improvement and Application of Time–Height Profile Reconstruction Method Using X-band Dual-Polarization Radar Parameters [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(3): 938−954.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22058
随着国内云雷达、微雨雷达以及飞机观测的广泛开展，对于夏季积层混合云、冬季降雪云系的微物理特征有了进一步的认识，但部分研究在尝试利用天气雷达或双偏振雷达分析云系时间—高度剖面时也受到体扫数据分辨率较低的制约。为了充分利用雷达体扫数据重构出具有较高垂直分辨率的雷达物理量时间—高度剖面，本文借鉴目前最新的CVP重构算法，针对其在较小范围云系和对流云应用中的局限性，提出了关于目标区范围选取的改进方法，并调整合适的插值参数。基于径向分辨率更高的X波段双偏振雷达体扫数据将改进后的方法应用于水平尺度较小的局地降水云和发展演变迅速的较强对流云个例，并与传统GRD方法重构垂直廓线进行对比，重点探讨了改进后重构建立的雷达物理量时间—高度序列在云宏微观特征及降水机制研究中的应用。结果显示：
图（a）水平面上目标区对应体扫某一仰角层径向范围，（b）目标区对应某一仰角层径向数据水平投影至关注点。
（1）在高原地区局地降水云个例中，云顶出现了水平尺度较小的对流泡结构，在风切变的影响下对流泡播撒的云体呈倾斜状。根据目标云系各层PPI分布特征，改进原CVP方法（通常选取较大范围的目标区），选取5 km×10°的较小扇形区域，与云雷达观测的对比显示，重构的较高分辨率垂直廓线更好地表现了该降水云ZH的垂直分布特征，相应的时间-高度序列显示出回波顶高的变化以及中高层强度逐渐减弱、低层强度逐渐增加的特点。
图 CVP重构目标区选取示意图：（a）原始CVP方法选取的目标区；（b）上下层不等径向范围的目标区；（c）径向范围随高度线性变化的目标区。灰色阴影表示云区垂直剖面，红色虚线表示雷达体扫各仰角层，蓝色实线表示目标区径向范围。
（2）扩展应用于垂直发展较旺盛、发展演变迅速的对流云个例，简单缩小目标区径向范围和方位角范围，对比GRD方法，CVP方法利用目标区径向数据重构出较完整的ZH垂直廓线，对应的时间—高度序列可显示对流云上部回波结构随时间的变化以及后期云结构的转变。在此基础上，针对重构垂直廓线低层出现的“之”字形结构，改进CVP重构时目标区的选取方法，尝试高、低层不同的径向范围并调整插值参数，对比认为改进有效避免了ZH垂直廓线低层的重构误差，显示出发展旺盛阶段高、低层回波特征，充分体现了CVP重构方法的优势。
（3）同时，结合建立的各偏振量时间—高度序列研究个例云系发展演变的微物理特征。高原局地降水云回波顶附近形成对流泡结构，初始冰晶以凝华、聚并增长为主，对低空过冷水层有播撒作用，形成较大的霰粒子增加了降水强度；华北地区对流云成熟阶段，初期中高层冰晶通过凝华和聚并增长，下落过程中凇附增长为较大的冰相粒子，低层为暖云降水，后低层转为辐散下沉气流，零度层附近表现为快速下落的混合相态粒子。
图 2020年5月21日（a）15:50和（b）16:30内丘X波段双偏振雷达（简称NQXR）回波组合反射率分布（紫线为省边界，灰线为市边界）。
（4）在此基础上，对比CVP方法改进前后的应用效果，改进后重构建立的雷达回波物理量时间—高度序列较好地显示出高原局地降水云的对流泡结构特点和微物理特征，揭示了风切变影响下对流泡的播撒作用；改进的CVP方法克服了重构华北地区对流云垂直廓线分层不连续的缺点，显示出各偏振量垂直分布特征及其相互关系，揭示了对流云成熟阶段的降水机制。
图 2020年5月21日15:00～17:00改进后（左列）与原始（右列）的CVP方法重构的（a、e）ZH、（b、f）ZDR、（c、g）KDP、（d、h）ρhv时间—高度序列。
综上认为，改进后CVP方法可较好地应用于水平尺度较小的降水云和对流云，但由于目前观测的云型个例有限，未能通过统计各类云特征归纳出目标区范围参数选取的自适应方法，CVP重构方法的通用性和灵活性有限；另一方面由于篇幅所限，本文未能结合其它观测深入研究目标区云降水发展演变的物理过程。后续将针对多种类型云观测个例，改进完善CVP方法重构参数的选取，同时结合其它直接原位观测、垂直指向遥感观测进一步探讨CVP方法在云宏微观物理量特征以及降水机制研究中的应用。
