利用DPR和GMI探測結(jié)果對東亞降水云的個例分析研究.pdf

1、全球降水觀測計劃（Global Precipitation Measurement，簡稱GPM）是由美國和日本聯(lián)合提出的繼熱帶測雨衛(wèi)星TRMM之后的新一代全球衛(wèi)星降水觀測計劃，該計劃的主衛(wèi)星已于2014年2月28日發(fā)射升空，其上搭載了全球首部星載雙頻降水測量雷達(dá)（Dual-frequency Precipitation Radar，簡稱DPR）和一個多波段微波成像儀（GPM Microwave Imager，簡稱GMI）。目前GPM主衛(wèi)

2、星已成功在軌運(yùn)行兩年有余，DPR和GMI探測積累了充足的數(shù)據(jù)，為我們進(jìn)一步的深入研究全球降水提供了很好的條件。但是GPM仍然屬于一個比較新的研究領(lǐng)域，目前國內(nèi)還缺少專門介紹GPM及其產(chǎn)品的文章，我們對于GPM的了解和認(rèn)識還很不夠，對于GPM降水觀測資料的研究和使用更是匱乏。基于此，本文首先就GPM及其搭載的主要儀器、GPM產(chǎn)品以及算法等進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述;其次通過個例分析的方法重點(diǎn)對DPR雙波段探測降水的差異進(jìn)行了研究;最后我們利用DPR

3、和GMI的最新觀測資料對東亞地區(qū)的三個典型降水個例進(jìn)行了分析研究。
　　我們主要從地表降水強(qiáng)度、雨頂高度、降水雷達(dá)回波信號以及降水粒子譜分布這四個方面分析了DPR四種不同的探測方式(Ka_HS、Ka_MS、Ku_NS和DPR_MS)探測降水的差異，主要結(jié)論總結(jié)如下:
　　(1)DPR雙波段探測的地表降水強(qiáng)度的差異
　　Ka_HS探測的地表降水強(qiáng)度小，主要識別的是10 mm/h以下的地表降水，尤其是可以探測到更多的降水強(qiáng)

4、度小于0.4 mm/h的弱降水，這說明KaPR在高靈敏度模式下工作時，對于弱降水的識別具有很大的優(yōu)勢;Ka_MS探測的地表降水強(qiáng)度主要分布在0.4～10 mm/h之間，對大于10 mm/h的降水極不敏感，同時對于0.4 mm/h以下的降水也不能進(jìn)行很好地識別，說明Ka_MS的探測性能相對較弱;Ku_NS探測到的地表降水強(qiáng)度大，特別是可以很好地識別降水強(qiáng)度大于10 mm/h的降水，對0.4 mm/h以下降水的識別，相比于Ka_HS，效果就

5、不是很好，這說明KuPR單頻降水反演產(chǎn)品中包含強(qiáng)降水的信息更多;DPR_MS雙頻探測的地表降水強(qiáng)度的PDF分布與Ku_NS單頻比較類似，反演結(jié)果略小于Ku_ NS。
　　(2)雨頂高度的差異
　　綜合對比Ka_HS、Ka_MS、Ku_ NS和DPR_MS四種不同的探測方式所獲得的雨項(xiàng)高度，可以發(fā)現(xiàn)，Ka_HS探測的雨頂高度最高，Ka_MS探測的雨頂高度最低，而Ku_NS和DPR_MS探測到的雨頂高度十分接近，雨頂高度的大小略

6、小于Ka_HS的探測結(jié)果，差別不是很明顯。
　　(3)降水雷達(dá)回波信號的差異
　　對于中國東部和西北太平洋洋面的兩個較強(qiáng)降水個例，尤其是臺風(fēng)降水個例，Ka_HS在超過13 km的高度上依然可以探測到一定的降水回波信號，而在近地面，Ka_HS探測到的回波強(qiáng)度達(dá)到35 dBZ，相比之下，Ku_NS探測的雨頂高度低于13 km，在5 km以下，雷達(dá)反射率超過了40 dBZ，而在5km高度以上，15-20 dBZ的雷達(dá)反射率所占的比

7、例，Ku_NS也高于Ka_HS。對于兩個較弱降水個例，尤其是阿留申群島附近洋面更為淺薄的降水，Ka_HS基本上探測不到8km以上的回波信號，可探測到的最強(qiáng)回波信號約為35 dBZ，而Ku_NS在3 km以下可探測到超過40dBZ的回波信號，同時Ku_NS探測到的廓線最強(qiáng)回波的回波強(qiáng)度分布在15-45dBZ之間，相比于Ka_HS，Ku_NS探測到的低層回波強(qiáng)度更大。
　　(4)降水粒子譜分布的差異
　　對降水粒子譜分布的分析表

8、明，對于較強(qiáng)的降水個例，DPR_MS獲得的粒子譜參數(shù)dBNw相對于其它探測方式的反演結(jié)果較小，DPR_MS獲得的另一個譜參數(shù)Dm相對較大，同時發(fā)現(xiàn)，在5 km高度以下，Ka_HS獲得的粒子譜參數(shù)近似于DPR_MS，而5 km高度以上，Ku_ NS和DPR_MS的反演結(jié)果比較接近。對于較弱的降水個例，則呈現(xiàn)出與較強(qiáng)降水相反的粒子譜分布態(tài)勢，在3 km高度以下，DPR_MS獲得的dBNw相對較大，Ku_NS的結(jié)果更為接近DPR_MS，中體積

9、直徑Dm的分布則與dBNw的分布相反;在3km高度以上，呈現(xiàn)類似的分布，但是不同探測方式獲得的粒子譜參數(shù)之間的差異有所增大。
　　基于DPR雙波段探測降水差異，利用DPR和GMI的最新探測結(jié)果，我們選取了三個典型的降水個例（1409號臺風(fēng)降水、中國東部大陸鋒面降水、中高緯度地區(qū)降水）進(jìn)行了研究。通過分析取得以下結(jié)果:
　　(1)“威馬遜”臺風(fēng)進(jìn)入南海后，長時間處于大范圍的高溫海域，受強(qiáng)大的西太平洋副熱帶高壓等系統(tǒng)的影響，在臨

10、近登陸海南島時強(qiáng)度加強(qiáng)，維持超強(qiáng)臺風(fēng)級別，臺風(fēng)整體結(jié)構(gòu)趨于緊密，臺風(fēng)眼圓而清晰可見。對臺風(fēng)登陸前DPR探測的回波信號和降水三維結(jié)構(gòu)的分析表明，“威馬遜”臺風(fēng)降水具有不對稱和非均勻性，降水主要分布在臺風(fēng)中心以南的區(qū)域，臺風(fēng)云墻和螺旋云帶內(nèi)分布著多個雨強(qiáng)超過30 mm/h的強(qiáng)雨團(tuán)和強(qiáng)雨帶，它們鑲嵌在雨強(qiáng)低于10 mm/h的面積較大的層狀云降水中。降水強(qiáng)度和雷達(dá)回波的分析結(jié)果具有很好的一致性，降水在垂直方向上可以延伸到15 km，但是超過15

11、 mm/h的降水主要還是集中在6 km以下的高度?？梢园l(fā)現(xiàn)DPR的Ku波段可以很好地指示云墻和螺旋云帶內(nèi)的強(qiáng)對流降水，而Ka波段MS掃描模式對臺風(fēng)降水的探測性能相對要差很多。另外，對GMI探測的臺風(fēng)不同階段降水的微波信號的分析表明，高頻通道可以較早地看到清晰的臺風(fēng)眼和螺旋云帶，同時對陸面降水也有很好地指示作用，183.31±7GHz比89.0 GHz探測結(jié)果更加細(xì)致，這可能是由于分辨率的提高以及云中大量冰粒子的存在所導(dǎo)致的。
　　

12、(2)我們利用DPR雙頻反演的結(jié)果對中國東部鋒面降水個例進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示本次鋒面降水主要分布在相對窄長且雨強(qiáng)較大的冷鋒以及較寬的暖鋒上，暖鋒降水強(qiáng)度相對冷鋒較弱，但是在暖鋒降水中還是可以看到多個雨強(qiáng)大于20 mm/h的強(qiáng)雨團(tuán)。鋒面降水雨帶中分布著大量在頂部分離的降水塔，近地面降水率的高值區(qū)對應(yīng)著較高的降水塔。此外，除了強(qiáng)對流降水雨頂高度可達(dá)15 km，大部分降水的雨頂高度都接近10km。同時降水率大的降水多出現(xiàn)在5km以下，層云降水

13、在降水率剖面圖上表現(xiàn)為5 km高度左右出現(xiàn)的明顯亮帶。DPR的分析結(jié)果說明同一個鋒面天氣形勢下，沿鋒線的降雨量也會存在很大差別，有些地方僅僅是小雨，而有些地方則可能會出現(xiàn)暴雨。GMI的觀測結(jié)果表明，鋒面降水云中的云水含量極少，而冰水含量卻是相對很大。
　　(3)對中高緯度降水個例的分析表明，此次降水分布十分寬廣，整個降水區(qū)連成一片。在52°～55°N存在一個相對明顯的雨帶，但是降水強(qiáng)度并不大，平均降水率在20 mm/h左右，雨帶周

14、邊部分降水強(qiáng)度明顯減弱，降水率基本上在2～10mm/h之間，5mm/h以下占絕大部分。而自雨帶向南北方向延伸，降水強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，降水率普遍在2mm/h以下。DPR可以捕捉到0.2～0.5 mm/h的降水，這表明DPR對0.5mm/h以下的弱降水具有很好的識別能力，而這也是DPR相比于TRMM PR的巨大改進(jìn)所在。此外，從DPR雙波段探測的雷達(dá)回波可以發(fā)現(xiàn)，KaPR探測的雷達(dá)回波稍弱于相應(yīng)區(qū)域KuPR探測的雷達(dá)回波，在4 km高度以下，