冰雪粒子形状假设对星载雷达遥感降水的影响研究取得进展

 近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院和火灾科学国家重点实验室双聘教授李锐课题组基于WRF+辐射传输模式的模拟，在对固态水颗粒形状假设影响雷达反射率和降水关系，及影响降水云三维结构的探测误差上取得进展。研究成果以“The impacts of shape assumptions on Z-R relationship and satellite remote sensing clouds based on model simulations and GPM observations”为题，发表在Remote Sensing (IF=5.349)上。中国科学技术大学地球和空间科学学院大气科学专业二年级硕士研究生麦李婷为第一作者，李锐教授为通讯作者。博士研究生杨述评协助提供了数值模拟和数据分析，王雨教授也参与了本项研究。

降水是全球气候系统水循环和能量平衡的重要过程。由于降水粒子强烈的吸收和散射效应，光学信号无法探测降水云内部的三维结构，必须依靠主动的微波雷达。地基雷达受地理位置的限制，对海洋、大型水体、人迹罕至的陆地地区降水三维结构也无法探测。目前世界上只有美日合作的GPM卫星携带唯一的星载测雨雷达可对全球南北纬65度之间的降水内部结构进行观测，我国的风云降水星将成为世界第二个携带测雨雷达的卫星于2023年升空。

星载雷达通过测量降水粒子后向散射的雷达波，通过雷达反射率（Z）与降水率（R）的Z-R关系定量推算降水粒子的物质量。然而，空中的固态降水颗粒往往不是球形粒子，其散射特性对形状的依赖较高。用球形颗粒假设下的理论Z-R关系（如Marshell-Parmer关系，Atlas-Ulbrich关系）进行反演会产生额外误差。另外，星载雷达探测的阈值也收到形状假设的影响，进而影响到对降水云云顶和云盖面积的探测误差。

基于上述考虑，本研究结合大气云解析模式、微波辐射传输模式、非球形粒子DDA计算模型，综合研究了冰粒子形状假设对Z-R关系和雷达探测精度的影响。研究的整体架构如下图所示。

研究整体内容示意图

研究针对2018年1月6日16:30的个例，将WRF和辐射传输模式结合，形成了完整的、包含了五种水凝物和雷达反射率（Ku/Ka）三维结构的数据集。该数据集与GPM DPR的雷达反射率和固态/液态水通道观测是可比较的（计算流程如下）。

计算流程图

通过分析研究发现，在大多数情况下，常用的Z-R关系不同于复杂形状的雪花的Z-R关系。如果反演算法使用常用的Z-R关系，会低估在-40℃以下的简单形状雪花或形状复杂的大降雪，低估球形雪花或在-40℃以下的简单形状雪花的小降雪。

多种粒子形状假设在三个温度层(<40 ℃, -40<T<-5 ℃, -5<t<0 ℃)上的模拟Z-R关系和理论Z-R关系的比较

如果星载双频雷达的探测阈值能够达到5dBZ（Ku）/0dBZ（Ka），那么它对中国东部降雪的探测能力将大大提高。另外，雷达对不同形状的雪花探测能力有差异，对复杂形状雪花降水云的天顶探测误差比球形的大200-400 m，云盖面积探测误差比球形假设大15%。

不同形状假设下的云顶探测误差 (DTOC)、2 km和8 km上的云盖面积探测误差 (DAOC)随雷达反射率最低探测阈值的变化。(a)DTOC与Ku波段探测阈值的关系，(b)DTOC与Ka波段探测阈值的关系，(c)DAOC与Ku波段探测阈值的关系，(d)DAOC与Ka波段探测阈值的关系。图(a)、(c)中的灰色辅助线分别是12.0 dBZ (DPR)和14.0 dBZ (FYPR)，图(b)、(d)中的灰色辅助线分别是5.0 dBZ (DPR)和10.4 dBZ (FYPR)。

本研究将三种数值模式的计算结果和国际最先进的降水雷达卫星观测资料相融合，就粒子形状假设对卫星反演降水精度的影响进行了多方位的理论研究，研究成果为新一代风云降水星反演算法的开发提供了支撑。该研究得到国家自然科学基金、科技部、风云卫星应用先行计划的资助。

全文链接：https://www.mdpi.com/2072-4292/15/6/1556