用双偏振WSR-88D雷达观测布拉格散射结构外文翻译资料

 2022-11-13 16:17:10

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用双偏振WSR-88D雷达观测布拉格散射结构

改进了双偏振天气观测雷达-1988多普勒(WSR-88D)的信号处理和数据收集功能，以提高其探测能力，并从布拉格散射体观测到“精细”结构。讨论了边界层内及边界层以上的几种精细结构类型。这些布拉格散射结构包括对流边界层顶部、非降水云、边界层上方的强对流云和弱反射的衰减的边界层湍流。得出了利用双偏振WSR-88Ds资料可以获得对流边界层深度的结论。

1. 介绍

在天气雷达厘米波长和米制波长一半的尺度上，测量了折射率扰动引起的布拉格后向散射强度，以估计折射率结构参数C2n(例如，Tatarskii 1971;Doviak和Zrnic 2006，第11.6节)。C2n的值与势折射率梯度上的湍流混合密切相关;这些梯度通常在水蒸汽层的边界处最强。C2n的大值通常出现在对流边界层(CBL)的顶部(如Wyngaard和LeMone 1980);，那里有潮湿和干燥空气的强烈混合。

对CBL的监测对于预测风暴发生的时间和可能性非常重要。Heinselman et al.(2009)和Elmore et al.(2012)表明，如果天气观测雷达-1988多普勒(WSR-88D)在“晴空”中获得的反射率场呈现出极大值升高，则反射率场的高度与CBL顶部有很好的相关性。我们的观察结果显示这种类型的反射率场只是可以从布拉格散射体中检测到的几种类型中的一种，我们在这里进行了描述。为了观察C2n场的“精细”结构，根据Melnikov等人(2011a)的描述，KOUN[国家强风暴实验室(NSSL)的研究和双偏振WSR-88D]的探测能力得到了增强。在短脉冲工作模式下，KOUN为3.5x10-15m-2/3，最小在10公里处可检测到C2n。这个水平低于均值C2n值5x10-13 m-2/3超过两个数量级,这个数值由俄克拉荷马州Doviak和伯杰(1980)利用雷达和机载折射计测量海上边界层空气得到的,表明KOUN足以观察到结构的敏感性在C2n范围。

在没有来自大气生物群回波的情况下，雷达风廓线仪估计其位置上方的C2n时没有绘制该参数的水平结构，而是提供了一个时间-高度剖面。已知飞行的鸟类和昆虫会对雷达风廓线仪数据的解释造成误差(Wilczak等，1995;和WSR-88D风的测量(Wilson等，1994;Holleman等，2008)。然而，双偏振WSR-88D雷达具有区分大气生物群和布拉格散射体回波的能力，因此它有潜力提供C2n时空结构信息

图1所示。(a)由2008年2月19日1627 UTC起，KOUN雷达沿100°方位角(西偏东偏南)方向测得的log[C2 n (m-2/3)]的垂直横剖面。底部图例适用于3公里以下高度。顶部图例为雷达反射率，适用于7公里以上的云层观测。(b)反射功率分布图(P;(dB)来自风廓线仪，并在1624 UTC导出了log[C2 n (m-2/3)]。

其中，用KOUN测量的布拉格散射体的中位差分反射率位于-0.1 ~ 0.1 dB之间，测量到的布拉格散射相关系数rho;hv的分布峰值在0.998 ~ 1.0之间(Melnikov et al. 2011a)这些ZDR和rho;hv值与从空中昆虫和鸟类回波中测量的值有很大的不同，ZDR可以达到很小的分贝，而rho;hv小于0.9(例如，Wilson et al. 1994;Zrnic和Ryzhkov 1998;Lang等，2004)。这些特征是用来从生物群杂波中区分布拉格散射

在下一节中，我们将讨论KOUN运行增强检测能力模式时所观察到的来自或高于CBL的散射类型。

2. a.两层布拉格散射

利用KOUN双偏振雷达观测到晴空的各种反射率场。举一个高层建筑的例子由2008年2月19日162 7UTC(图1a)开始，共出现三层回波。最低层从地面到地面以上约500米(AGL)，从雷达中心到50公里的整个横截面水平延伸。俄克拉荷马州诺曼1200 UTC探测到从地面到950 hPa的强稳定层，伴有微弱的北风(图2a)。这一稳定的层与夜间移动到俄克拉荷马州南部的浅锋面边界有关。在浅层稳定层的上方是一个延伸到900 hPa的近等温层。在1627 UTC雷达观测时，2-m的温度接近9摄氏度，表明对流边界层的深度约为500米。这个深度是通过假设一个干燥的绝热层(CBLs的特征)从表面向上延伸，直到它与1200UTC探测时的温度剖面相连接来估计的。利用观测到的2-m温度和表面压力计算了该层的位温，假设CBL上方探测结构不随时间演化。

图2所示。斜对数图， Norman, OK，来自(a) 1200 UTC 2008年2月19日和(b) 0000 UTC 2008年4月8日。CBL的深度用粗的水平虚线表示。图示右侧的数字表示距地面高度(km)。(a)中从980到950 hPa的粗灰线将观察到的1700 UTC的9℃ 2-m温度与沿干绝热带探测到的温度剖面连接起来，用于估计CBL深度。

　　一个对1700 UTC的快速更新周期(RUC)分析的检验(Benjamin et al. 2004)也表明边界层深度接近500米。这些边界层深度估计与KOUN雷达的最低回波层深度非常吻合(图1a)。结果表明，双偏振雷达观测可以提供对流边界层深度的信息。

在1.5 ~ 2.5 km和7.5 ~ 9.5 kmAGL之间可以看到另外两个层状回波(图1a)。这些层在不同的方位角方向上表现不同。可见和红外卫星图像(未显示)表明在俄克拉荷马州中部存在稀薄的高空云层。来自廷克空军基地(AFB)和俄克拉荷马城1650 UTC的观察员报告，云底的年平均速度分别为7.6公里和8.5公里。这些报道的云团数据与图1a中7.5 ~ 9.5 km的云团基本吻合，表明该云团是由非降水云团的颗粒散射(ZDR约为1 dB)形成的。melnikov等人(2011b)展示了WSR-88D 描绘云结构的潜力。然而，在较低的水平没有云的报告，而雷达显示了一个层近2公里的AGL。雷达操作员(V.M.M.)在目测确认在数据收集期间的这个时候没有低空云层。此外，对应的1700 UTC RUC分析相对湿度(RH)值，在2至3公里的年平均降水量中在50%以下，这表明没有足够的水分形成云。在1200 UTC最近的无线电探空测风仪剖面(图2a)显示了相对湿度的强梯度(因此，潜在折射率的强梯度)、风速和接近该层高度的方向。如图2a所示，这个反射层的顶部刚好低于稳定的温度层。因此，我们假设这种层状雷达回波是由强折射率垂直梯度内不稳定湍流混合引起的强折射率扰动产生的。附近的国家海洋和大气管理局(NOAA)风廓线仪获得的最大反射率高度(图1b)也与KOUN观测到的最大反射率高度一致，为不稳定湍流混合产生更大的C2n层的假设提供了进一步的支持。

b.布拉格散射层之上的对流混合

另一个可能使用C2n观测值的例子是2008年4月7日2309 UTC的观测值(图3)。第一个特征是强烈的垂直反射率梯度，从地表延伸至约1.5 ~ 2.0 km AGL，延伸至100 km(即，最大距离显示)。这个特征的顶部是波浪形的，位于高处。

图3所示。(a)、(b)由2008年4月7日起kounradar沿08和1808方位角(南北)方向测得的log[C2n (m-2/3)]的垂直截面。(c) 2008年4月7日，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)珀塞尔剖面仪网络(NPN)发回的功率高度剖面图。

在0.8到2.0公里之间，特征顶部延伸到雷达南部更高的高度。虽然俄克拉荷马州中部大部分时间都能看到碎云，这与向南移动的弱锋有关，但到2309UTC，锋已向北移动。2-m的温度接近25℃，因此边界层相当温暖，并伴有强烈的东南风。诺曼4月8日0000 UTC探测到的边界层顶部约为1.5 km AGL(图2b)，由干绝热层顶部与近恒定混合比层顶部重合所示。该探测估算的边界层深度与KOUN观测到的最低层深度吻合较好。

更有趣的是从1.5到4公里AGL的散射增强层(图3)。尽管雷达站点显示上方是晴朗的天空,但俄克拉荷马城报道空军基地报道1.5和2.0公里之间有破碎的云层,虽然KOUN观察的多云天气早一个小时。KOUN与Oklahoma City之间的水平距离约为32 km，图3a中的雷达截面从KOUN延伸ardoklahoma City。诺曼0000 UTC探测结果表示从边界层顶部到3kmAGL左右的混云层(图)。2 b)。一幅可见的卫星图像(这里没有展示)显示了俄克拉荷马州中北部的积云，就在康的北部。我们认为，在1.5公里至4公里的高度上，珀塞尔剖面仪观测到的回波功率增加是由正在形成的云团造成的。发展云的存在表明，KOUN测得的C2n值在1.5 ~ 4km之间较大，来自于降水回波发展前积云内的布拉格散射。国家雷达反射率合成图显示，在2324UTC，即C2n观测15分钟后，在KOUN北部可以第一次看到30-dBZ回波，其中更多的积云在0100UTC发展为积雨云。在接下来的一个小时里，其中几次雷暴产生了破坏性的冰雹。

c.一层内部结构更为复杂的布拉格散射

Bragg scatter的最后一个例子是2008年3月1日至2日(图4，这几天没有profiler数据)。可以看到一个弱反射层高达2公里的AGL，横向横跨整个

图4所示。在(a) 2309 UTC 2008年3月1日和(b) 0002 UTC 2008年3月2日由KOUN沿1808方位角测得的[C2 n (m-2/3)]的垂直截面。(c)由诺曼探测3月2日0000 UTC所得的气温(℃)、风速(m.s-1)及相对湿度(%)的无线电探空测风仪剖面图

在约1.7公里的高度有较强的局部散射(图4a)。这一较强反射率层与强相对湿度梯度的高度重合(图4c)，该强相对湿度梯度的顶部为逆温，表明对流边界层的顶部。因此，探测估算出的边界层深度与1.7 km强反射率层深度吻合较好。然而，2008年3月1日日落发生在2326 UTC，在图4所示的两个横截面之间。两次观测间隔53分钟，在1.7 km左右高度的间歇反射逐渐减小，反射率层深度基本保持不变。这表明，雷达在发展稳定的层结上方观测到的活跃的湍流残余层，与Sorbjan(1997)在大涡流模拟中模拟的一样。这一层在日落后的几个小时内可以被雷达看到，这表明雷达可以提供从下午对流湍流消散到晚上边界层稳定过渡的时间尺度信息。

3.结论

KOUN雷达采用增强的探测能力模式，观测显示出各种类型的布拉格散射:反射率对应层对流边界层(最低层1a,,3a,b,和图4a, b),湍流层强梯度内相对湿度(图1),非降水云(图1),强烈的对流云(图3)与上方的发展中的弱反射云层,和一层弱反射率衰减边界层湍流(图4)。折射率扰动与CBL顶部的湿度梯度混合相关联，散射了足够多的雷达信号，可以被WSR-88Ds探测到。

我们对布拉格散射结构的分析表明，最低回波层的顶部与大气探空获得的CBL深度估计数有很好的相关性。雷达还显示了混合层深度(坡度大于等于10-2 km-1;图3)这可能与较大尺度的天气现象(如地表加热水平不均一性)有关。Rabin和doviak(1989)的研究表明，云层遮挡下的表面加热对反射率场有深刻而可观测的影响。雷达观测的CBL深度对边界层内水汽、污染物和湍流的变化具有重要的约束作用。目前对CBL深度的模型预测常常与观测值相差2倍(Bright和Mullen 2002;，表明常规的CBL深度观测将提供新的信息，可用于数据同化系统。

我们收集雷达数据并以RHI格式显示结果，因为这种格式显示了垂直剖面，而正在运行的WSR-88Ds采用圆锥扫描(plan position indicator, PPI)格式收集数据。然而，RHIs很容易从密集的PPIs集合中获得。由于边界层的监测一般在风暴前进行，因此有足够的时间进行密集的PPI扫描。我们在短脉冲模式下采集数据(距离分辨率为250 m)，对C2n有更有意义的估计。为了获得CBL深度，在减少数据采集时间的同时，可以使用长脉冲模式。长脉冲模式将回波信号提高9dB，降低回波功率估计的标准差，但也会使距离分辨率降低到750 m。这对于C2n在近距离的定量估计来说太大了(在45公里以上的距离内，角度分辨率比长脉冲距离分辨率差，这可能会影响对远距离布拉格散射层的定量测量)。KOUN无法在长脉冲双偏振模式下工作，但在长脉冲模式下的观测正在计划中，以供未来的工作。升级后的国家网络WSR-88Ds可以在双偏振长脉冲模式下工作。

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