基于二维视频雨滴谱仪观测数据特征区分层状云和对流云降水外文翻译资料

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基于二维视频雨滴谱仪观测数据特征区分层状云和对流云降水

M. Thurai，P.N.Galin, VN Bringi

摘要： 有一种利用雨滴谱两个主参数来区分对流云和层状云降水的方法。该方法最初是用于澳大利亚Darwin的双频率廓线仪和双偏振雷达的观测。我们使用来自两个不同地方(加拿大Ontarion；美国Alabama,Huntsville)的二维视频雨滴谱仪(2DVD)的观测数据来检验这个方法。利用2DVD的一分钟采样雨滴谱作伽马拟合程序的输入，拟合获得log₁₀(N_w)和D₀(其中N_w是尺度参数，D0 是中值体积直径)，利用一个“参数”量化数值落在log₁₀(N_w)与D₀曲线区域的情况。对于Ontarion地区数据的处理，是将输出的分类结果与并列的垂直指向X波段多普勒雷达的同步观测结果进行比较。“亮带”检测算法通过检测高度廓线的情况来区分对流云和层状云，即通过判断0度带是否出现在一个特定的高度上。如果存在，则输出0度层内的最大反射率和相应的高度。对Huntsville的两个事件也进行了类似的测试，与并置的高频廓线仪(具有多普勒雷达观测能力)的观测结果进行了比较。虽然还需要更多的案例研究，但是通过与以前记录的数据比较，结果表明我们的区分技术可以适用于大量的地点和气候区。

1. 介绍

众所周知，层状降水和对流降水的微物理过程不同，这些过程导致不同的潜热分布，这可能对降水的演变产生重大影响(Houze,1993)。因此刻画对流云和层状云的降水特征对于遥感观测，建模以及对水文研究有重大意义，但是目前对于层状云和对流云降水的定义或者判断方法有很多。

Houze(1993)给出了一个形式定义-层状降水的特征是垂直空气的运动速度小于冰粒的最终下降速度，其他一切形式都是对流。根据标准定义(气象学，美国气象学会)，对流降水粒子是在积雨云的活跃上升气流中形成的，主要通过收集云滴(即通过汇聚和/或凝结)生长，并不脱离形成时所在的上升气流，而层状降水区域通常与弱垂直气流运动相关，特别是在发展良好的层状降水中，形成降水的冰粒通过水汽沉降下落生长，随后形成较大的雪花，融化后在雷达上形成一个亮带。

由于水凝物垂直分布的差异，对于不同的降水类型，反射回来的三维结构通常也不同，这产生了基于雷达探测降水的技术(例如，Steiner et al.,1995)。过去的许多研究还研究了使用地表测量仪器(Tokay和Short,1996; Bringi et al., 2003)或气载粒子成像探测器(例如，Testud et al.,2001；Atlas et al.,2000；Ulbrich和Atlas,2002；Yuter和Houze,1997)来探究层状云降水和对流云降水之间雨滴大小分布的差异。然而，Yuter和Houze(1997)却断言，无法根据液滴尺寸分布的特征量(如平均体积直径)来区分对流-层状云降水。另一方面， Bukovčić et al.(2015)利用2DVD雨滴谱数据，采用多变量贝叶斯分类算法来区分层状和对流降水，Caraccioloa et al.(2006)使用来自Joss-Waldvogel的雨滴观测数据检验了层状和对流降水的DSD特征。利用被动卫星微波测量来识别云顶高度的差异，以此来区分对流降水和层状降水的方法也已经开始使用了(Adler和Negri,1988)

廓线仪具有很重要的作用，它可以获取反射率和多普勒频谱的垂直结构，这可以用于明确的分类(Williams et al.,1995; Tokay et al.,1999)。Bringi et al.(2009)先前的工作是使用Darwin双频廓线仪数据和双偏振雷达(C波段)数据进行雨滴谱的反演，发现可以利用N_w与D₀的分布区域差异来分离出层状和对流云降水。其中N_w是截距参数，D₀是中值体积直径。后来，Thurai et al.(2010)证实，基于双频廓线仪和C波段的多普勒雷达的分类结果是一致的。然而，使用雨滴测量仪来获得DSD参数然后区分对流云和层状云的方法还需要进一步的研究。但是空间分辨率(即采样体积)的差异可能使得和利用双偏振雷达区分降水类型的结果对比过程比较复杂。

在 本 文 中 ， 我 们 研 究 了 使 用 2D 视 频 测 量 仪的数据(2DVD;Schouml;nhuber等，2008)进行分类的方法， 2DVD数据代表地面点测量，而雷达和廓线仪数据代表高空“体积”测量。利用2DVD的DSD测量结果获得上述的数N_w 和D₀，它们是表征归一化伽马分布DSD的两个主要参数(Illingworth和Blackman,2002; Bringi et al.,2003)。然后将利用我们的区分方法获得的结果与并排放置的分析器的观察结果进行比较 (具有多普勒雷达观测能力) 用于验证一开始的猜想。我们已经考虑到了气候区和位置的不同对数据的影响。

第2节给出了加拿大Ontario一场影响范围较大的冷季降雨事件的分析，第3节给出了Huntstville,Alabama雨强差距很大的两个夏季事件的分析。在第四节里我们对比了先前一些研究中其他地区的数据，并总结了我们的结果。

2. Ontario的事件

Ontario的事件发生在2012年1月17日，即GCPEx(GPM冷季降水项目)正式开始的第一天，(Hudak et al.,2012)。该过程被几个地面仪器和极化雷达捕获。地面仪器中有五个2DVD，位于加拿大环境部附近的CARE场地(大气研究实验中心)附近的不同位置。CARE现场的2D视频光谱仪安装在双风栅栏内，与之相配的是一个属于麦吉尔大学的垂直指向的X波段多普勒雷达，VertiX(Lee et al.2009)。

图1第一张图片显示的是Vertix五小时反射率与高度的关系。在整个时间段内，亮带清晰可见，位于1.5公里高度处，但厚度和强度各不相同。顶部回波高度也有所不同，事件开始前有一些雨水位于亮带以下，接着的2小时内顶部回波高度变化于4公里到6公里之间不等。

随后回波高度降至1.5 km。第二幅图是对应时间序列多普勒雷达测得的平均速度。亮度带附近粒子速度突然加快，这是融化过程的表现。在观测层状降雨事件中垂直指向多普勒雷达中这是常见现象。

图1.(a)Vertix多普勒雷达的雷达反射率和事件序列。(b)对应的平均速度。(c)基于亮带探测算法得到的最最大亮带反射率(如果有)。(d)地面二维视频雨滴谱仪一分钟采样的DSD的log₁₀(N_w) (黑色)和D₀(绿色)，单位分别为mm^-1m^-3和mm。

基于VertiX数据开发了一种相对简单的亮带检测算法，以便检测给定的垂直廓线中是否存在亮带(BB)。该算法基于以下条件：

1.亮带强度增加必须至少为1 dB，即峰值Z减去亮带以下的平均值Z必须大于1 dB。

2.亮带上方1 km处的反射率必须比亮带反射率至少低2dB以上。

3.亮带的反射率必须大于亮带以下的最大反射率。

如果满足上述条件，则该降水被判断为层状降水，并输出亮带内的最大反射率及其高度。

毫无疑问，图1的剖面回波中大多数降水被归类为层状降雨。图1的第三副图显示了亮带内最大Z的时间序列。其范围从0 dBZ (主要与低于冰点高度的降雨相关)到40 dBZ(主要与较高的回波顶部高度达5 km的情况相关)。

图1中的最后一幅图显示了从2DVD得到的两个主要DSD参数。这两个参数是log₁₀(N_w)和D₀，它们是通过对来自地面2DVD的1分钟DSD测量进行伽马拟合得到的。Bringi et al.先前已经提出了拟合方案。后来Thurai et al测试了拟合度(2014)。图1(d)中的D₀值均小于2 mm，而N_w的范围为1000至10000mm^minus;1m^minus;3(M-P分布的DSD的N_w是8000)。亮带中的最大Z与地面上的log₁₀(N_w)之间存在良好的相关性。

Bringi et al. (2009)和后来的Thurai et al. (2010)发现从Darwin的双频廓线仪数据中检索到的DSD特征值：log₁₀(N_w)与D₀，有明显的区别，分为三个独立的区域：(i)对流云降水区域(ii)持续时间较长的层状云降水区域(iii)介于两者之间的过渡性降雨区域。通过大量的数据检验给出了分界线的公式：

(1)

其中6.3到6.4。在(1)式中，D_o单位为mm，N_w为mm^minus;1 m^minus;3。层状云降水位于分界线以下区域，对流云降水处于分界线以上，过渡性降水位于分界线附近。

用i表示雨型可能性大小：

(2) igt;0.3时为对流云降水，ilt;-0.3时为层状云降水，-0.3lt;ilt;0.3为过渡型降水(更多信息在Thurai等，2010，第二部分)

图2(a)是Ontario降水事件一分钟的2DVD的DSD数据，，与图1中最后一幅图相对应。所有的点位于分界线以下。浅蓝色表示亮带中回波超过30dBZ,深蓝色表示小于30dBZ的回波，前者位于分界线附近。

图2(b)是基于得的i与亮度带最大Z的关系。随着亮度带的增强，i出现增长趋势。亮度带的增强，意味着聚并的增强，形成更大的雪花，D₀增大，这与Waldvogel(1974)和Huggel et al. (1996)的研究结果一致。图二b中ilt;0，换句话说就是log₁₀(N_w)和D₀的曲线没有穿过分界线(尽管N_w 和D₀很大，通常被认为是空间非常规降水)

图2.(a)2DVD(图1，最后一幅)的log₁₀(N_w)和D₀和VertiX最大亮带强度(大于30 dBZ浅蓝色，小于30dBZ深蓝色)(b)：基于2DVD的可能性参数i和亮带最大反射率

3. 两次Huntsville事件

与Ontario冬季发生的冷雨事件不同，Huntsville冬季的地温在8-10℃左右，而这两个Huntsville事件被认为是温度更高的夏季事件。该位置的2DVD与位于Huntsville的阿拉巴马大学的超高频UHF多普勒雷达廓线仪(例如，参见Karan和Knupp，2009)并置，并且在下面的两个示例事件中，我们将把超高频UHF廓线仪的观察结果(平均30秒每次)与从2DVD数据中得到的DSD特征关联起来。这两个事件在2DVD上均显示为持续时间较长的过程。

3.1.事件1(2009年7月5日)

图3的前两个图显示了此事件的8小时的超高频廓线仪观测结果。第一张图片显示信号强度(或信噪比SNR而不是反射率)和高度的时间序列，第二个面板显示相应的多普勒平均速度。从图中都可以清楚地看到，该事件含有层状和对流以及混合/过渡雨的时期，无论是廓线仪还是2DVD。过渡雨的描述可以在Ulbrich和Atlas(2007)中找到;另外可以参见Williams等人(1995)对混合层状/对流雨的描述。图三中最后一幅图是DSD一分钟采样数据为样本获得的雨型判断参数i随时间的变化。

图表 1

图3.(a)Huntsville，时间序列各高度的信噪比。(b)相应的多普勒速度均值。(c)地面的2DVD 一分钟采样的DSD数据计算得到的i。红色，蓝色和金色分别表示对流，层状和混合降水。黑色圆圈表示亮带检测算法的输出( 1=是; -1=无/不确定; 0=无数据)。

为了更直观的表示结果，层状，对流和混合型降水，即i＜-0.3，i ＞0.3和mag(i)＜ 0.3，分别显示为蓝色，红色，和金色。可以看出，这与廓线仪的观测结果非常吻合，也就是说，当观测仪显示为对流降雨时(Z剖面回波和多普勒雷达速度回波探测结果)我们的2DVD数据也表示为对流降水，当层状降雨中的亮带出现时，多普勒探测到的速度平均均值相应急剧增加，我们基于2DVD数据的参数也表明是层状降雨。

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