融化层区域的雷达变量仿真：基于BULK方案的前向模拟算子改进
文摘
科学
2024-07-03 15:22
江苏
融化作为衔接冰相粒子与液态雨粒子的重要微物理过程，是降水的主要来源；同时伴随融化发生的潜热变化与微物理过程，也会进一步影响大气层结的稳定性以及降水系统的热力与微物理演变。在融化层内粒子的形态、密度、下落速度、介电常数、粒子谱分布等均会发生变化，通常在雷达回波图上呈现为亮带回波。因此针对融化层的微物理过程及其雷达回波信号对于进一步理解降水系统、加深对冰相粒子的认知、改进模式预报及雷达信号处理等有重要的研究意义。然而当前数值模式中，绝大部分BULK方案过度简化了对融化过程的处理：例如在业务常用的三种双参数微物理方案（Morrison、NSSL、 WDM6）中，冰相粒子瞬时融化为雨粒子，融化粒子不作为中间态存在。为尽量减少模式结果与观测结果在融化层区域的差异对微物理评估所造成的影响，本研究基于前人建立的融化层模拟算子，通过在计算融化粒子谱时引入粒子数浓度变化建立了新的仿真算法，使得整体融化层区域微物理过程描述和基于模式模拟结果仿真得到的雷达变量更为接近观测。研究将仿真得到的雷达变量与S波段业务雷达的观测变量进行对比，从而进行相应的评估与改进。研究采用了广东珠海的S波段业务双偏振雷达资料作为观测进行对比分析，发现，在传统仿真算子下，在融化层区域的雷达仿真变量结果中，Morrison与NSSL方案的仿真结果存在融化层区域亮带回波厚度相较于观测过厚且峰值过大的问题；而在WDM6方案的仿真结果中则存在，反射率因子亮带回波不明显且差分反射率因子亮带回波峰值过大的问题（图1）。通过对三个方案的微物理变量进行分析，发现雪粒子在融化至雨粒子前后，融化层区域的粒子数浓度以及质量加权平均粒径的变化和雷达变量的仿真结果有显著的相关性。然而，在传统仿真算子下，融化粒子的数浓度变化并未被考虑进粒子谱的模拟计算中，因此，融化层区域的雷达变量仿真结果与观测存在较大的偏差。![]()
图1. 传统模拟算子（_Q）与新建立的仿真算子（_QN）下，不同方案（Morrison、NSSL、WDM6）的雷达仿真变量（反射率因子（左），差分反射率因子（右））的QVP结果。![]()
图2. 不同方案（Morrison、NSSL、WDM6）的雪粒子在融化至雨粒子过程中，微物理参数（粒子数浓度、质量混合比以及平均质量加权粒径）随高度的变化。
在新的仿真算子下，将融化粒子作为独立的中间状态进行处理：对其密度、粒子数浓度、质量、下落速度、介电常数以及粒子谱等进行独立的计算。由于在粒子数浓度上新增了额外的物理约束，在融化前后粒子数浓度的变化更为贴合实际观测经验。同时，三个方案在融化层区域的雷达变量仿真结果均得到了显著的提升（图3）。此外，研究中还额外讨论了融化过程中所发生的液态水剥离对雷达变量仿真结果的影响，发现在该效应下，Morrison方案下的仿真的亮带回波峰值会进一步减小同时厚度也会减少。此外，研究也探究了不同混合态粒子的介电常数计算方法以及粒子形态（轴比、倾斜角）对融化层区域雷达变量仿真结果的影响，发现将雪粒子轴比与倾斜角设定为0.75与20°时，仿真结果最为接近观测；同时，将融雪粒子视为以水为主要背景物的水膜包裹的干雪球时，采取Maxwell-Garnet的介电常数计算方法，仿真结果最为接近观测。![]()
图3. 在新的仿真算法下（_QN），基于三种方案的雷达变量仿真结果（QVP廓线），在融化层区域相较于传统仿真算法（_Q）均更加接近观测。![]()
图4. 不同雪粒子轴比与倾斜角设定下，差分反射率因子的仿真结果存在显著差异。
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图5. 在不同混合态粒子的介电常数计算方法以及不同的主背景物设定下，雷达变量仿真结果存在明显差异。
该研究对融化层区域雷达信号的仿真及其微物理过程进行了细致的探索，同时创新性的提出了新的物理约束，使得从事模式开发及雷达数据分析的研究者对融化层区域有了更深的认识。研究成果《A New Way to Simulate Polarimetric Radar Signatures of Melting Layers》发表在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》（影响因子：7.5）。论文第一作者为2021级博士研究生陶智，赵坤教授、黄浩助理教授为共同通讯作者，南京大学为论文通讯单位。本论文研究受国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（61827901）、江苏省科技计划专项资金（重点研发计划社会发展）项目（BE2023766）、灾害天气国家重点实验室开放课题（2022LASW-A01，2023LASW-A01）的支持。
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