王金虎,肖安虹,王宇豪,王昊亮,包金旺

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.中國(guó)氣象局 氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044;3.中國(guó)科學(xué)院 中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;4.南京信大安全應(yīng)急管理研究院,南京 210044)

過(guò)冷水極不穩(wěn)定,是人工影響天氣以及飛機(jī)安全飛行的重要影響因素[1].目前對(duì)過(guò)冷水的探測(cè)方法具有多樣性.如HOGAN等[2-4]為了估計(jì)層狀云中的過(guò)冷水在全球的分布,首次采用航天飛機(jī)攜帶的雷達(dá)系統(tǒng)用于反演光學(xué)厚度;MCFARQUHAR等[5]為了獲得混合相態(tài)云中不同尺度粒子的含水量,利用云粒子成像儀成功反演出過(guò)冷水中的液態(tài)水含量;而SHUPE等[6-8]通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及微波輻射計(jì)對(duì)混合相態(tài)云進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè),獲得各種水凝物相態(tài)的閾值.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)過(guò)冷水的識(shí)別也取得了一定的進(jìn)展,如WANG等[9]利用Himawari-8衛(wèi)星構(gòu)建了一種測(cè)量過(guò)冷水云檢測(cè)算法;宋繼燁等[10]基于微脈沖激光雷達(dá)后向散射信號(hào),并結(jié)合大氣溫度廓線有效識(shí)別了云中過(guò)冷水層;而袁敏等[11]則利用CloudSat衛(wèi)星資料識(shí)別了當(dāng)飛機(jī)處于積冰環(huán)境中的過(guò)冷水分布區(qū)域.在過(guò)冷水的識(shí)別算法上,彭亮等[12]在SHUPE研究[6-8]的基礎(chǔ)上,通過(guò)不同相態(tài)粒子的散射性能和聚合狀態(tài),添加線性退極化比,建立了模糊邏輯算法;吳舉秀等[13]則利用各項(xiàng)研究所得的水凝物閾值,通過(guò)閾值法成功分離出層狀云中的過(guò)冷水;而王金虎等[14]利用毫米波雷達(dá)聯(lián)合微波輻射計(jì)研究了一種識(shí)別過(guò)冷水的算法,可避免飛機(jī)因結(jié)冰而發(fā)生意外;李玉蓮等[15]為了準(zhǔn)確識(shí)別過(guò)冷水滴的光譜峰值,采用最小二乘法對(duì)局部譜峰進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,成功構(gòu)建了一種譜峰識(shí)別算法,能夠準(zhǔn)確分離不同粒子譜峰.以上研究為本文幾種過(guò)冷水識(shí)別算法提供了理論依據(jù).

綜上所述,眾多學(xué)者對(duì)過(guò)冷水的成功識(shí)別,為后續(xù)的研究提供了不同數(shù)據(jù)處理方法及經(jīng)驗(yàn)積累.但是探測(cè)手段較為單一,也缺乏不同算法之間的對(duì)比研究,因此本文利用英國(guó)Chilbolton觀測(cè)場(chǎng)的35 GHz Copernicus雷達(dá)、94 GHz Galileo雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)以及探空資料,通過(guò)閾值法與模糊邏輯算法反演過(guò)冷水區(qū)域,與微波輻射計(jì)反演的液態(tài)水路徑結(jié)果相互驗(yàn)證,同時(shí)利用多普勒譜密度法反演混合相態(tài)云中不同粒子的過(guò)冷水質(zhì)量濃度及有效半徑.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)源于英國(guó)Chilbolton觀測(cè)場(chǎng)(51.144 5°N,1.437 0°W)的35 GHz Copernicus雷達(dá)、94 GHz Galileo雷達(dá)以及波段為905 nm的激光雷達(dá).其中35 GHz Copernicus雷達(dá)有兩種脈沖寬度(0.4 μs(uncoded)和4 μs(coded)),在寬脈沖模式下,距離分辨率更高.兩部毫米波雷達(dá)部分參數(shù)如下表1所示.使用的微波輻射計(jì)位于同一觀測(cè)場(chǎng),共提供21個(gè)通道數(shù)據(jù),中心頻率范圍為22.200～30.000 GHz,其中前14個(gè)通道為水汽吸收通道,用于大氣水汽的探測(cè),后7個(gè)通道為氧氣的吸收通道,用于大氣溫度的探測(cè),大約每2 min輸出一組數(shù)據(jù).探空溫度則由懷俄明州立大學(xué)提供(www.weather.uwyo.edu).

表1 Copernicus雷達(dá)與Galileo雷達(dá)部分參數(shù)

為了盡可能的研究閾值法與模糊邏輯算法在云中過(guò)冷水識(shí)別情況,本文選取時(shí)間為2003-06-08的降水性層狀云.而在多普勒譜密度法中一般不選取降水性云,選取時(shí)間為2010-10-28層狀云資料.鑒于實(shí)際情況中,微波輻射計(jì)測(cè)量高度一般為10 km左右,為了使所有數(shù)據(jù)高度保持一致,均采用MATLAB中自帶的interp線性插值函數(shù)統(tǒng)一插值到與毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的30 m庫(kù)長(zhǎng),再進(jìn)行反演研究.

2 算法介紹

2.1 閾值法

識(shí)別云中過(guò)冷水的閾值法如下所示[13]:1)過(guò)冷水存在于-40～0 ℃的溫度中;2)激光雷達(dá)后向散射系數(shù)>5×10-5(m·sr)-1的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷水;3)不考慮大的湍流以及風(fēng)切變的影響,當(dāng)激光雷達(dá)探測(cè)不了時(shí)可以利用雷達(dá)譜寬>0.4 m/s同時(shí)線性退極化比(LDR)<-15 dBZ的區(qū)域;4)激光雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)識(shí)別的所有區(qū)域定義為過(guò)冷水.

2.2 模糊邏輯算法

模糊邏輯算法識(shí)別粒子相態(tài)是利用雷達(dá)探測(cè)的參數(shù)矩陣以及所得到的探空數(shù)據(jù),通過(guò)由隸屬函數(shù)所描述的轉(zhuǎn)換規(guī)則,最終反演得到粒子相態(tài)的矩陣[16],主要分為模糊化、規(guī)則推導(dǎo)、集成和退模糊4個(gè)步驟.參考文獻(xiàn)[6-8]給出的閾值構(gòu)造具體的不同隸屬函數(shù).

2.3 多普勒譜密度法

在粒子譜分布為高斯分布的情況下,雷達(dá)反射率因子與粒子有效半徑re、液態(tài)水質(zhì)量濃度CLW的關(guān)系可表示為[19]:re=50exp(-0.5σ2)N-1/6Z1/6,CLW=ρ(π/6)exp(-4.5σ2)N1/2Z1/2其中Z是雷達(dá)反射率因子,ρ是水或冰的密度,σ是譜寬,N是粒子數(shù)濃度.

在不發(fā)生降水時(shí),如果雷達(dá)照射區(qū)域存在多種粒子時(shí),多普勒譜密度譜表現(xiàn)為多峰特征[20].

3 過(guò)冷水反演算法的對(duì)比分析

毫米波雷達(dá)相比于激光雷達(dá)可以穿透降水層,連續(xù)測(cè)量云的各個(gè)參數(shù),識(shí)別出激光雷達(dá)探測(cè)不到的云相態(tài).雷達(dá)反射率因子表示單位體積內(nèi)云粒子直徑6次方的總和.圖1(a)結(jié)果表明2003-06-08 0:00-3:00(協(xié)調(diào)世界時(shí),UTC)在3 km以下,雷達(dá)反射率因子達(dá)到10 dBZ以上(該時(shí)刻發(fā)生了降水,云內(nèi)主要為較大直徑的降水粒子).在3:00時(shí)4～8 km上,雷達(dá)反射率因子呈現(xiàn)中間大兩端小.因?yàn)殡S著由于高度的下降,冰晶粒子發(fā)生碰并增長(zhǎng),形成了較大的降水粒子,但由于高度越來(lái)越低,溫度逐漸上升,結(jié)合探空溫度,0 ℃亮溫層在3.5 km附近,導(dǎo)致的降水粒子水分蒸發(fā),直徑減小,下降至3.5 km時(shí)又變?yōu)楸ЯＷ?在亮溫層以下,冰晶粒子表面開始融化,導(dǎo)致雷達(dá)反射率因子變大.在3:00-18:00時(shí)還有少量雨水下落.直至18:00-21:00時(shí)探測(cè)到位于4.5～10 km的非降水云.多普勒速度代表目標(biāo)物相對(duì)于毫米波雷達(dá)的徑向速度,其中正號(hào)代表遠(yuǎn)離雷達(dá),負(fù)號(hào)代表靠近雷達(dá).從圖1(b)中可以看出在降雨區(qū)域,多普勒速度為-5 m/s.對(duì)比雷達(dá)反射率因子較大的云層,多普勒速度也較大.雷達(dá)有效照射體積內(nèi)不同粒子直徑相差越大,譜寬則越大.反演結(jié)果表明在降水區(qū)域譜寬較大.因?yàn)椴煌睆降慕邓Ｗ赢a(chǎn)生下落速度的不均勻分布導(dǎo)致.云頂都是直徑分布均勻的冰晶粒子,以致譜寬較小,而云的中部為混合相態(tài),導(dǎo)致譜寬介于兩者之間.905 nm激光雷達(dá)后向散射系數(shù)如圖1(d)所示,由于0:00-3:00時(shí)發(fā)生了強(qiáng)降水,激光雷達(dá)由于衰減嚴(yán)重,沒有探測(cè)到降水云的上部,直到21:00出現(xiàn)非降水云,根據(jù)激光雷達(dá)的回波信號(hào)(>5×10-5(m·sr)-1)可知過(guò)冷水主要集中在5 km的高度上.

由于94 GHz雷達(dá)缺少線性退極化比(LDR)數(shù)據(jù),將Z、σD和探空溫度作為閾值法的3個(gè)參數(shù),將Z、σD、多普勒速度以及探空溫度作為模糊邏輯算法中的4個(gè)參數(shù),其中溫度樣本采用插值法完成高度上數(shù)據(jù)的匹配,對(duì)2003-06-08云中過(guò)冷水進(jìn)行識(shí)別.閾值法識(shí)別的結(jié)果如圖2(a)所示,其中第一根黑色虛線為0 ℃溫度線,高度為3.3 km,依次向上高度為4 km、6 km、8 km、9.3 km高度線,9.3 km為反演過(guò)冷水存在的最高高度,0:00-5:00時(shí)過(guò)冷水主要集中于3.3～8 km范圍,21:00-24:00時(shí)集中于4～6 km范圍.模糊邏輯算法識(shí)別結(jié)果如圖2(b),黑色虛線為0 ℃溫度線,向上藍(lán)色虛線依次為4 km、6 km、7 km、8 km,大部分過(guò)冷水最高高度低于7 km,可見飛機(jī)安全飛行高度至少在7 km以上,該結(jié)論與其他學(xué)者的結(jié)果一致[21].從過(guò)冷水的分布上看,與閾值法圖2(a)反演結(jié)果基本一致,但是圖2(a)中將云層中含有液態(tài)水的水凝物全部歸類為過(guò)冷水,而圖2(b)中僅為過(guò)冷水的部分分布在云層底部,在4～6 km高度上以混合相態(tài)云為主體,且精確識(shí)別出在3:00時(shí)刻上“柳葉狀”的相態(tài)為雪的粒子.可見模糊邏輯算法將云層中過(guò)冷水、混合相態(tài)、雪粒子劃分清晰,根據(jù)后文第四部分多普勒譜密度法得出的結(jié)論,不同的相態(tài)水凝物含水量相差較大,因此可以得出在過(guò)冷水的反演上,模糊邏輯算法精確度高于閾值法.微波輻射計(jì)探測(cè)的液態(tài)水路徑如圖2(c)所示,結(jié)果表明0:00-3:00和12:00附近兩個(gè)時(shí)間段天頂單位處的集成液態(tài)水質(zhì)量濃度最高,21:00-23:00時(shí)天頂單位處的集成液態(tài)水質(zhì)量濃度不為0.在該時(shí)刻下,云中存在一定過(guò)冷水.反演結(jié)果與圖2(a-b)識(shí)別結(jié)果相吻合.

4 混合相態(tài)云中過(guò)冷水的反演

從圖3來(lái)看,過(guò)冷水可能存在的4.5～5 km云層中.由于過(guò)冷水質(zhì)量濃度極少,多普勒速度以及譜寬變化情況不明顯.由于2010-10-28靠近地面有濃霧,導(dǎo)致激光雷達(dá)衰減嚴(yán)重,只有較大后向散射回波被接收到,結(jié)果表明過(guò)冷水可能存在于4.5～5.5 km附近.LDR的物理意義為發(fā)射的線性極化信號(hào)探測(cè)到云內(nèi)球形粒子與非球形粒子的比值,反演結(jié)果表明在5 km附近可能存在過(guò)冷水.

將2010-10-28,905 nm激光雷達(dá)后向散射系數(shù),LDR 和探空溫度作為閾值法參數(shù)得到圖4(a)識(shí)別結(jié)果,將Z,v,σD和探空溫度作為模糊邏輯算法參數(shù)得到圖4(b)識(shí)別結(jié)果.對(duì)比圖4(a)和(b)過(guò)冷水主要集中在云層底部和4.5～5 km附近,其中閾值法結(jié)果圖經(jīng)多次驗(yàn)證,在譜寬為0.3時(shí),結(jié)果擬合情況最好.

35 GHz雷達(dá)的兩種脈模式的多普勒譜分別有128、256個(gè)傅里葉變換點(diǎn),間隔0.041 9 m/s,速度范圍為-5.363 3～5.321 4 m/s(coded)、-2.681 6～2.639 7 m/s(uncoded),寬脈沖模式(coded)的譜密度比窄脈沖模式(uncoded)高約10 dB,因此能更靈敏地探測(cè)到混合相態(tài)云中的少量過(guò)冷水.如圖4(c)表明15:00寬脈沖模式的多普勒譜有較為明顯的雙峰譜,而窄脈沖模式的多普勒譜僅識(shí)別出了單峰譜,在4.5 km左右存在極少量的過(guò)冷水.這與圖4(a)閾值法以及圖4(b)模糊邏輯法識(shí)別的過(guò)冷水基本對(duì)應(yīng).

2010-10-28 15:00(UTC)4.44～4.56 km高度的原始多普勒密度(code)如圖5(a)所示.在保證多普勒譜有超過(guò)7個(gè)連續(xù)的速度點(diǎn)基礎(chǔ)上,本文采用5點(diǎn)平滑處理去噪處理,結(jié)果如圖5(b).結(jié)果表明多普勒譜對(duì)應(yīng)的過(guò)冷水從4.44 km開始逐漸增多,直至4.56 km處消失,對(duì)比圖4(b)顯示的模糊邏輯識(shí)別結(jié)果可知該結(jié)論符合實(shí)際情況.圖5所示的結(jié)果中左邊速度為負(fù)是冰晶的多普勒譜,粒子下落速度在1 m/s左右,說(shuō)明冰晶粒子尺度較大,譜寬>1 dB,右邊正速度區(qū)為液態(tài)水的多普勒譜,粒子的上升速度為0.5～1 m/s,表明空氣存在垂直弱上升運(yùn)動(dòng).

反演結(jié)果如圖6所示,圖6(a)為分離出的冰晶粒子與過(guò)冷水粒子的液態(tài)水質(zhì)量濃度,經(jīng)過(guò)與全局譜反演的液態(tài)水質(zhì)量濃度的結(jié)果對(duì)比.在混合相態(tài)云中液態(tài)水質(zhì)量濃度主要來(lái)自過(guò)冷水(0.027 3～0.064 4 g/m3),在4.53 km附近達(dá)到最大,而冰晶粒子的液態(tài)水質(zhì)量濃度很低,為0.011 9 g/m3.過(guò)冷水的有效半徑為5～10 μm,而冰晶的有效半徑可達(dá)35～40 μm.由于雷達(dá)反射率因子由云中較大的冰晶粒子決定,因此當(dāng)云為混合相態(tài)時(shí),實(shí)際液態(tài)水質(zhì)量濃度會(huì)被低估.

5 結(jié) 論

基于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)以及探空溫度的數(shù)據(jù),利用閾值法,模糊邏輯算法和多普勒譜密度法對(duì)云中過(guò)冷水分布和液態(tài)水含量進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:1)通過(guò)對(duì)閾值法以及微波輻射計(jì)反演的液態(tài)水路徑對(duì)比可知,閾值法與模糊邏輯算法都能較好地識(shí)別云中過(guò)冷水區(qū)域,但模糊邏輯算法具有更高的反演精度.2)在混合相態(tài)云中,由于雷達(dá)反射率因子取決于較大的粒子,而混合相態(tài)云中冰晶粒子主導(dǎo)了雷達(dá)的回波強(qiáng)度,所以利用全局譜的雷達(dá)反射率因子反演液態(tài)水含量會(huì)存在低估現(xiàn)象,需要利用雙峰譜進(jìn)行功率譜密度分離,分別計(jì)算不同相態(tài)下粒子的含水量和有效半徑.