GPM双频降水测量雷达对降雪的探测能力分析
吴 琼1,2,3 仰美霖4 窦芳丽3
【摘 要】提 要：以双频降水测量雷达为主载荷的GPM卫星于2014年2月发射升空。由于轨道倾角以及仪器通道的设置，大大提升了对弱降水和降雪的探测能力。通过四次降雪个例，分析比较了双频降水测量雷达的三种扫描模式(Ku，KaMS和KaHS)对降雪探测能力的差异。结果表明：DPR相态产品和地面实际观测结果比较一致，固态降雪温度<-0.5℃并且降雪发生时的风暴顶高度大多<6 km。Ku波段雷达由于仪器灵敏度的大幅提高，对降雪的综合探测能力最强，而KaMS和KaHS也具有特定的作用。此外，为了保证衰减订正的精度，和非降雪部分的衰减相比，需要主要提高降雪衰减尤其是混合相态湿雪的衰减订正精度。
【期刊名称】气象
【年(卷),期】2017(043)003 【总页数】6
【关键词】GPM， 双频降水测量雷达， 降雪探测， 粒子相态， 路径衰减
引 言
对降水的研究是大气科学的重要组成部分，由于降水在空间和时间上的变化性很大，因此，降水是最难测量的大气参数之一。为了获得高时空分辨率的降水观测数据，美国和日本联合提出了全球降水观测计划(Global Precipitation Measurement, GPM)(Furuhama et al，2002；Iguchi et al，2002)。GPM的基本设想是使用八颗搭载微波辐射计的卫星星座和一颗搭载一部双频雷达和一台微波辐射计的核心卫星提供3 h一幅的全球降水图。这些数据对改进天气
和洪水预报、水资源管理以及研究和监测全球变暖与气候变化具有重要贡献。GPM是热带降水测量卫星(Tropical Rain Measure Mission,TRMM)的后继任务(Kummerow et al，1998)，与2014年2月27日发射升空，降水的精确测量由安装在GPM核心星上的双频降水雷达(dual-frequency precipitation radar,DPR)获取。DPR包括两部微波频点的雷达，分别是13.6 GHz的Ku波段降水雷达和
35.5
GHz
的
Ka
波段降水雷达
(http:∥gpm.nasa.gov;GPM,2013)，由日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)和日本情报通信研究机构(National Institute of Information and Communication Technology,NICT)共同研制。DPR在TRMM Ku波段PR(Precipitation Radar)的基础上增加了Ka波段降水雷达，主要有三个原因：(1)来自于Ka波段的非瑞利散射效应有助于获取粒子谱分布(drop size distribution,DSD)的信息，从而减少降水反演中由于Z-R关系的不确定性所带来的降水估计误差(骆三等，2011；成璐等，2014;廖荣伟等，2015)；(2)Ka波段有利于准确估计降水系统中相态转换的高度，这个信息不仅可以提高DPR的降水反演精度，还可以改善被动微波辐射计的降水反演精度；(3)通过提高Ka波段的灵敏度，有望探测到65°S～65°N大部分的降雪(Hou et al,2008;2014；GPM ATBD,2015)。
降水根据其不同的物理特征可分为液态降水和固态降水，降雪属于固态降水的一种。降雪对城市交通和农业生产等都有较大影响，强降雪更是影响我国的主要气象灾害之一。目前，对降雪的常规观测仍然以地面测量为主，探测仪器包括雪量计和地基雷达等，能够测量的降雪参数有积雪覆盖、雪水当量和雪深等。这些参数描述的基本都是雪下落后的情况，对雪在空间垂直结构的观测则无能
为力。GPM的成功发射大大提高了现有的降雪探测水平，将二维观测提升到了三维。
本文主要基于GPM DPR雷达对降雪的4次实际观测数据，重点探讨了DPR对降雪的探测能力，为后续DPR在降雪监测中的应用做准备。
1 研究数据
根据实际天气过程和DPR的轨道覆盖情况，选择了2015年在我国发生的四次降雪事件作为研究对象，相应的轨道号、日期、主要覆盖区域以及选择的扫描行号范围如表1所示。
使用的数据以GPM V03版本的标准产品为主，包括2A.GPM.Ku.V5，2A.GPM.Ka.V5，2A.GPM.DPR.V5和2A-ENV.GPM.DPR.V5(GPM，2015)。 2A.GPM.Ku记录的是Ku波段雷达的测量结果，一条扫描行包含49个角库。2A.GPM.Ka记录的是Ka波段雷达的测量结果，也有49个角库，但被分成了两种扫描模式，一种是波束匹配模式KaMS(matched scan)，该模式包含25个角库，正好和Ku波段雷达第13至第37个角库的波束相匹配，另外一种是高灵敏度模式KaHS(high-sensitivity)，该模式共有24个角库，在该模式下，Ka波段雷达的灵敏度最高。2A.GPM.DPR包括了所有Ku和Ka波段雷达的测量结果，和2A.GPM.Ku和2A.GPM.Ka的不同之处在于，前者使用了双频联合的反演算法，后者仅使用了单频的反演算法。2A-ENV.GPM.DPR是环境参数文件，来自于日本气象局的分析场数据(GPM ATBD，2015；Kobayashi et al，2015)，主要包括气压、温度和风速等。需要说明的是为了尽可能地保证几种扫描模式在时空上的一致性，文中所有涉及到Ku扫描模式时的数据，都仅指为与KaMS匹配的那部分。
GPM双频降水测量雷达对降雪的探测能力分析
