利用機(jī)載探測(cè)設(shè)備研究云中零度層附近云雷達(dá)反射率與液態(tài)含水量的關(guān)系

王爍，張佃國(guó)，郭學(xué)良，崔雅琴，樊明月，劉泉

(1. 山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031；2. 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；3. 山東省氣象信息中心，山東 濟(jì)南 250031)

引言

層狀云或積層混合云是實(shí)施飛機(jī)增雨的主要作業(yè)對(duì)象，云雷達(dá)觀測(cè)是揭示云層微物理結(jié)構(gòu)的一種重要手段。毫米波測(cè)云雷達(dá)能夠穿透含水量較高的混合相云層，對(duì)非降水云及弱降水云也具有很高的探測(cè)敏感性[1-2]，可以獲得云內(nèi)宏微觀參數(shù)及水平、垂直結(jié)構(gòu)變化，對(duì)云特性研究、人影作業(yè)指揮和降水預(yù)測(cè)都具有重要意義。在層狀云降水條件下，利用云雷達(dá)回波強(qiáng)度、速度和速度譜寬，可以準(zhǔn)確反演降水粒子的譜分布、含水量等微物理參數(shù)，建立雷達(dá)參量與云內(nèi)液態(tài)含水量之間的關(guān)系。DENG and GERALD[3]利用多普勒功率譜和雷達(dá)反射率反演了云滴譜參數(shù)，估算了卷云的冰水含量、粒子數(shù)密度等參數(shù)；FRISCH et al.[4]利用Ka波段云雷達(dá)、微波輻射計(jì)和簡(jiǎn)易的降水模型對(duì)層積云內(nèi)不同粒子參數(shù)進(jìn)行了分析，基于多普勒功率譜反演出粒子數(shù)濃度、液態(tài)含水量等參數(shù)；HOGAN et al.[5-6]利用地基激光雷達(dá)結(jié)合毫米波雷達(dá)得到的光學(xué)厚度識(shí)別了過冷水存在區(qū)域，將雷達(dá)后向散射率與云中過冷水關(guān)聯(lián)起來；吳舉秀等[7-8]利用毫米波雷達(dá)參量識(shí)別了層狀云中過冷水，并利用多普勒速度的雙峰譜反演了混合相云的過冷水含量及冰晶含水量；劉黎平等[9]利用毫米波雷達(dá)和飛機(jī)聯(lián)合觀測(cè)層狀云，采用FRISCH et al.[4]的方法反演了層狀云內(nèi)粒子參數(shù)，并與飛機(jī)觀測(cè)進(jìn)行了初步對(duì)比；蘇添記等[10]論述了雙偏振雷達(dá)的質(zhì)量控制方法的新進(jìn)展。

在驗(yàn)證地基云雷達(dá)反演出的云中液態(tài)含水量時(shí)，需要飛機(jī)在云雷達(dá)體掃區(qū)域內(nèi)同步觀測(cè)，對(duì)時(shí)空一致性有很高要求。機(jī)載云雷達(dá)的應(yīng)用，使雷達(dá)反射率與云中液態(tài)含水量的時(shí)空匹配較易實(shí)現(xiàn)。本文利用機(jī)載Ka波段云雷達(dá)(an airborne Ka-band Precipitation cloud Radar, KPR)與機(jī)載DMT(Droplet Measurement Technologies)粒子測(cè)量系統(tǒng)，針對(duì)2018年4月22日積層混合云進(jìn)行了穿云觀測(cè)，就KPR反射率與云內(nèi)液態(tài)含水量的相關(guān)性進(jìn)行初步分析，為下一步用KPR反演云內(nèi)液態(tài)含水量的特征變化提供參考依據(jù)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

Ka波段云雷達(dá)和DMT粒子測(cè)量系統(tǒng)分別懸掛在“空中國(guó)王350”飛機(jī)兩側(cè)機(jī)翼下方，KPR(圖1a)由Prosensing公司生產(chǎn)，工作頻率為35 GHz，發(fā)射脈沖寬度為20 μs，屬于Ka波段，設(shè)備的兩根天線垂直上、下指向，采用線性極化平板陣列，同時(shí)向上和向下發(fā)射脈沖對(duì)，可連續(xù)觀測(cè)云的水平垂直結(jié)構(gòu)變化。KPR測(cè)得的雷達(dá)基本參量包括雷達(dá)反射率、多普勒速度及速度譜寬。KPR具體參數(shù)如表1所示。圖1b為機(jī)載DMT粒子測(cè)量系統(tǒng)，主要包括云粒子組合探頭CCP(Cloud Combination Probe)、降水粒子探頭PIP(Precipitation Imaging Probe)、綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)AIMMS30(Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System)、熱線含水量?jī)x和積冰探測(cè)儀器，可觀測(cè)云降水粒子、過冷水等云微物理參數(shù)及相關(guān)宏觀信息。機(jī)載DMT中具體設(shè)備及功能如表2所示。

圖1 機(jī)載探測(cè)設(shè)備示意圖(a. KPR, b. DMT)Fig.1 Airborne detection equipment (a. KPR, b. DMT)

表1 KPR核心參數(shù)

Table1KeyparametersofKPR

35.64 GHz±30 MHz10 W,5%1 dB0.1～20 μs/20 kHz35.5～35.9 GHz32.5 dB4 dB90 dB@1 MHz

2 云雷達(dá)軌跡訂正及噪聲濾除

KPR探測(cè)是以飛機(jī)為基點(diǎn)，向下探測(cè)高度坐標(biāo)為負(fù)值，向上為正值，觀測(cè)過程中可以設(shè)定不同的探測(cè)高度(不同探測(cè)高度對(duì)應(yīng)不同距離庫(kù))，考慮春季無強(qiáng)對(duì)流發(fā)展，云頂高度不高，本次探測(cè)過程中選定了16 km的探測(cè)高度，距離庫(kù)為640個(gè)。結(jié)果如圖2a所示，這種顯示視角為機(jī)載掃描視角，與常規(guī)的地基云雷達(dá)回波圖存在明顯差異，為了更好地判斷云頂高度等觀測(cè)信息，需進(jìn)行飛行高度軌跡訂正。

軌跡訂正是采用數(shù)據(jù)插值的方法，根據(jù)飛機(jī)掛載的北斗通信系統(tǒng)確定的飛行高度，將KPR探測(cè)值訂正到海拔高度上(由于北斗通信系統(tǒng)記錄的高度信息均大于0，因此訂正后的雷達(dá)回波圖只保留了海拔大于0的部分)，使KPR產(chǎn)品顯示視角從沿軌跡飛行的角度轉(zhuǎn)換到地面。圖2b為飛行高度訂正后的雷達(dá)回波圖，圖中有一條超過40 dBZ的回波軌跡，這是由于在KPR上下掃描時(shí)，沿飛行軌跡會(huì)存在接收增益和噪聲，在雷達(dá)控制板中可以讀到該數(shù)據(jù)。為了剔除雷達(dá)飛行軌跡噪聲，獲取軌跡上真實(shí)的雷達(dá)反射率，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即先進(jìn)行軌跡噪聲濾除，再進(jìn)行軌跡訂正。

表2 DMT設(shè)備功能及量程介紹

Table2EquipmentfunctionandrangeofDMT

CCP,CDP(,Cloud Droplet Probe):2～50 μm, CIP(,Cloud Imaging Probe):25～1 550 μmCDP:1—121 μm,13—302 μmCIP:25 μmPIP,PIP:100～6 400 μmPIP:100 μmAIMMS30、、、、、、、:0～15 km;:-20～+40 ℃;:0～100%:0.05 ℃;:0.5 m·s-1;:2%

圖2c為修正后的雷達(dá)回波圖，在處理探測(cè)值時(shí)刪除與飛行軌跡寬度一致的10個(gè)距離庫(kù)數(shù)據(jù)，同時(shí)為了剔除近地面雜波(定義為近地面處回波強(qiáng)度超過25 dBZ的回波)，將數(shù)據(jù)列中每列數(shù)據(jù)最大值處以上23個(gè)距離庫(kù)和以下25個(gè)距離庫(kù)刪除，選定的23和25個(gè)距離庫(kù)是近地面雜波所占的最大距離庫(kù)。之后用三次樣條插值(cubic spline interpolation)的方法得到去除了軌跡噪聲和近地面雜波的回波圖，濾除雜波后再進(jìn)行軌跡訂正，即得到修正后的雷達(dá)回波圖。為了方便視圖，僅截取了地面以上10 km的部分進(jìn)行分析討論。

3 云雷達(dá)反射率與云中液態(tài)含水量關(guān)系研究

早期研究總結(jié)出雷達(dá)反射率和利用云滴譜型反演出的過冷水之間的關(guān)系，ATLAS[11]提出了冷云中雷達(dá)反射率與液態(tài)含水量的經(jīng)驗(yàn)公式，表示為：

(1)

式中Z為雷達(dá)反射率(單位：mm6·m-3)，QLWC為液態(tài)含水量(單位：g·m-3)。

隨后研究中，SAUVAGEOT and OMAR[12]利用飛機(jī)探測(cè)到暖云中實(shí)際云滴譜型，歸納出雷達(dá)反射率與液態(tài)含水量的關(guān)系式為：

(2)

圖2 KPR反射率(單位：dBZ；a.未經(jīng)高度訂正的原始數(shù)據(jù)，b.高度訂正后的數(shù)據(jù)，c.剔除軌跡噪聲及地物雜波后的數(shù)據(jù)；a、b中雙實(shí)線為飛行軌跡噪聲)Fig.2 KPR reflectivity (units: dBZ; a. raw radar reflectivity without altitude correction, b. radar reflectivity after altitude correction, c. radar reflectivity after eliminating track noise and ground clutter; double solid line in Fig.2a and Fig.2b for flight track noise)

在應(yīng)用此關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)雨滴對(duì)雷達(dá)反射率大小起著重要的影響，進(jìn)而使利用雷達(dá)分析云的微物理結(jié)構(gòu)的過程變得更為復(fù)雜。為了減少雨滴對(duì)雷達(dá)反射率的影響，F(xiàn)OX and ILLINGWORTH[13]歸納出雷達(dá)功率譜型中的雙峰特征，將云滴所對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率提取出來，并與液態(tài)含水量進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，二者相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82，用回歸曲線擬合出的關(guān)系式為：

(3)

劉黎平等[9]參照GOSSARD[14]的研究方法，用地基云雷達(dá)反演得到了層狀云降水過程中回波強(qiáng)度與液態(tài)含水量的關(guān)系為：

QLWC=0.012 89Z0.559

(4)

為了研究KPR反射率與液態(tài)含水量之間的相關(guān)性，文中選取2018年4月22日穿云觀測(cè)的兩段(約為108 km范圍內(nèi))數(shù)據(jù)(圖3)進(jìn)行分析。圖3中黑色曲線為飛機(jī)實(shí)際飛行軌跡，共選取了兩片不同的積層混合云進(jìn)行探測(cè)分析，圖3a選取時(shí)間段為10:05—10:15，圖3b選取時(shí)間段為10:21—10:29，兩時(shí)段共計(jì)18 min，飛機(jī)飛行高度在4.3～4.4 km之間浮動(dòng)。圖3a選取時(shí)段內(nèi)的KPR反射率平均值為2.9 dBZ，最大反射率為23.46 dBZ；圖3b選取時(shí)段內(nèi)平均值為-6.6 dBZ，最大反射率為12.18 dBZ。兩時(shí)段的云發(fā)展強(qiáng)度不同，圖3a時(shí)段內(nèi)的云頂高度超過6 km，發(fā)展更為旺盛。

圖3 KPR反射率(填色，單位：dBZ)及飛行軌跡(黑色曲線)示意圖(a. 10:05—10:15, b. 10:21—10:29)Fig.3 KPR reflectivity (colored, units: dBZ) and flight track (black curve) (a. 10:05-10:15, b. 10:21-10:29)

液態(tài)含水量是利用CDP探頭探測(cè)的各檔粒子數(shù)濃度以及各檔平均直徑計(jì)算得到，計(jì)算方法如下所示：

(5)

式中W為液態(tài)含水量，Ci為從第1檔到第30檔云滴數(shù)濃度，di為從第1檔到第30檔云滴平均直徑，CDP前12檔的直徑間隔為1 μm，13—30檔為2 μm，ρw為水的密度，由于本次探測(cè)過程在0 ℃附近，存在融化效應(yīng)，因此ρw取1 g·cm-3。鄧育鵬等[15]在其文章中分析了計(jì)算得到的含水量值與熱線含水儀實(shí)測(cè)的有效值之間的關(guān)系，表明二者分布趨勢(shì)一致，當(dāng)粒子尺度不大時(shí)，結(jié)果數(shù)值相當(dāng)。由于此次飛行過程中熱線含水儀出現(xiàn)故障，無法實(shí)測(cè)云中含水量，因此用CDP計(jì)算的液態(tài)含水量進(jìn)行替代，計(jì)算時(shí)使用了全譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于在0 ℃層附近飛行，尺度在50 μm左右的小冰晶會(huì)發(fā)生融化，可視為大云滴處理。

圖4為沿飛行軌跡計(jì)算的液態(tài)含水量與KPR反射率之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)利用Matlab軟件中的Correlation coefficients函數(shù)計(jì)算獲得，該函數(shù)可直接在函數(shù)庫(kù)中進(jìn)行調(diào)用。圖4a與圖3a的云層相對(duì)應(yīng)，圖4b與圖3b的云層相對(duì)應(yīng)，云中液態(tài)含水量與KPR反射率之間存在一定相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最大可達(dá)0.81，與FOX and ILLINGWORTH[13]計(jì)算結(jié)果相一致。為了細(xì)化相關(guān)性分析，根據(jù)KPR反射率的谷值將時(shí)段進(jìn)行劃分，共計(jì)9個(gè)時(shí)段，下文將對(duì)每個(gè)時(shí)段的粒子宏微觀特征進(jìn)行整理分析。

9個(gè)時(shí)段內(nèi)KPR反射率與液態(tài)含水量之間的相關(guān)性及宏微觀參量特征值如表3所示。

表3中KPR反射率與液態(tài)含水量均為該時(shí)段內(nèi)的平均值，云滴數(shù)濃度從CDP探測(cè)結(jié)果中讀取，為各檔粒子數(shù)濃度之和；云滴平均直徑計(jì)算方法如下所示：

(6)

式中，Ci為CDP各檔粒子數(shù)濃度，di為CDP各檔直徑，與公式(5)計(jì)算時(shí)選取的參量相同，NCDP表示各檔粒子數(shù)濃度之和；冰晶數(shù)濃度從CIP探測(cè)結(jié)果中讀取，為減小儀器探測(cè)的系統(tǒng)誤差，參照MCFARQUHAR et al.[16]和JACKSON and MCFARQUHAR[17]的處理方法，去掉了CIP前4檔數(shù)據(jù)，僅統(tǒng)計(jì)直徑大于125 μm的粒子濃度信息；垂直風(fēng)速、垂直風(fēng)速范圍、相對(duì)濕度、溫度范圍可從AIMMS30探頭中讀取，其中垂直風(fēng)速與相對(duì)濕度為該時(shí)段內(nèi)平均值，規(guī)定下沉氣流為正值，上升氣流為負(fù)值。溫度范圍可以判斷該時(shí)段內(nèi)的液態(tài)水是否為過冷水。

表3 各時(shí)段粒子特征參數(shù)及氣象要素統(tǒng)計(jì)

Table3Statisticsofparticlecharacteristicparametersandmeteorologicalelementsineachperiod

()/dBZ/(g·m-3)/(·cm-3)/ μm/(·L-1)/(m·s-1)/(m·s-1)/(%)/℃a(2 min)0.46-40.100.1330.4415.0216-0.27-1.45～1.0697.46-1.12～-0.15b(1 min 20 s)0.70-30.800.0914.0410.6632-0.16-0.72～0.6398.56-0.79～-0.01c(1 min 45 s)0.447.670.1439.9517.06470.06-0.82～1.3799.08-0.95～-0.06d(2 min 15 s)0.141.050.2026.8114.2267-0.08-1.23～1.4399.49-0.93～0.20e(2 min 50 s)0.817.730.0614.0611.2019-0.27-1.00～0.8597.52-0.30～0.50f(2 min 10 s)0.23-0.600.0312.08.914-0.28-0.97～0.2092.86-0.06～0.29g(1 min 45 s)-0.07-7.630.0617.810.223-0.29-0.75～0.3393.97-0.44～0.43h(1 min 30 s)0.71-24.900.1520.521.881-0.25-0.83～0.5099.15-0.91～-0.34i(2 min 45 s)0.37-11.900.0412.910.635-0.28-0.84～0.4098.50-0.74～0.06

根據(jù)表3中的相關(guān)系數(shù)，可將時(shí)段劃分為強(qiáng)相關(guān)時(shí)段(相關(guān)系數(shù)超過0.7)、中等相關(guān)時(shí)段(相關(guān)系數(shù)介于0.3至0.7)、弱相關(guān)時(shí)段(相關(guān)系數(shù)低于0.3)，其中時(shí)段b、時(shí)段e和時(shí)段h屬于強(qiáng)相關(guān)時(shí)段。通過對(duì)比時(shí)段b、e與時(shí)段a、c、d內(nèi)的粒子參數(shù)可以看出，高相關(guān)性時(shí)段的云滴數(shù)濃度與尺度低于其他時(shí)段，冰晶濃度相對(duì)較低。然而對(duì)比時(shí)段h與時(shí)段f、g、i時(shí)，發(fā)現(xiàn)高相關(guān)性時(shí)段云滴數(shù)濃度與尺度高于其他時(shí)段，冰晶濃度大。冰晶的存在會(huì)在一定程度上影響到KPR反射率的變化，當(dāng)冰晶濃度或尺度過大時(shí)，液態(tài)含水量與KPR反射率的相關(guān)性將降低。經(jīng)計(jì)算，時(shí)段h獲取的CIP數(shù)據(jù)中平均直徑為33.1 μm，SAUVAGEOT and OMAR[12]指出，在分析雷達(dá)反射率與液態(tài)含水量之間的關(guān)系時(shí)，云內(nèi)粒子的直徑需要小于200 μm，粒子尺度越小，兩參量相關(guān)性越高，當(dāng)粒子直徑超過200 μm后，雷達(dá)反射率與液態(tài)含水量之間將無法呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系。垂直風(fēng)速會(huì)影響云滴的碰并效率，當(dāng)云內(nèi)湍流發(fā)展旺盛時(shí)，小云滴將加速碰并形成大云滴。

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取相關(guān)系數(shù)最大的時(shí)段e來擬合KPR反射率與云中液態(tài)含水量之間的關(guān)系。將KPR反射率的單位換算為mm6·m-3后繪制出散點(diǎn)圖和擬合曲線(圖5)。

圖5 KPR反射率(單位：mm6·m-3)與液態(tài)含水量(單位：g·m-3)的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of KPR reflectivity (units: mm6·m-3) and liquid water content (units: g·m-3)

參照劉黎平等[9]冪函數(shù)關(guān)系式，修正后的擬合結(jié)果如公式(7)所示。結(jié)果的方差為0.147 1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.03，決定系數(shù)為0.343 8，擬合結(jié)果精確度得以保證。相較于公式(4)，雷達(dá)反射率前的系數(shù)有所增大，指數(shù)減小。

QLWC=0.11Z0.3

(7)

利用時(shí)段b和時(shí)段h中的數(shù)據(jù)可以對(duì)公式(7)準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證。將兩時(shí)段的KPR反射率換算為Z(單位：mm6·m-3)后代入公式(7)，擬合得到時(shí)段b(圖6a)和時(shí)段h(圖6b)液態(tài)含水量并與機(jī)載探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，利用公式(7)擬合出的液態(tài)含水量與機(jī)載探測(cè)結(jié)果整體趨勢(shì)一致，擬合值略小于實(shí)際探測(cè)結(jié)果。

圖6 液態(tài)含水量擬合結(jié)果(藍(lán)線)與機(jī)載探測(cè)結(jié)果(紅線)對(duì)比(單位：g·m-3；a.時(shí)段b，b.時(shí)段h)Fig.6 Comparison between fitted results of liquid water content (blue line) and airborne detection results (red line) (units: g·m-3; a. Period b, b. Period h)

圖7為各時(shí)段云滴譜譜分布，其中圖7a為時(shí)段a—e，圖7b為時(shí)段f—i?？梢钥闯?，在所有時(shí)段內(nèi)云滴譜型均為雙峰分布，第一峰值集中在9～11 μm，第二峰值集中在16～21 μm。不同的是，時(shí)段b、e、h的第二峰值濃度大于第一峰值，而其他時(shí)段的第一峰值均大于第二峰值。時(shí)段b、e、h內(nèi)的KPR反射率與液態(tài)含水量之間均表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)，由此看出，相關(guān)系數(shù)的大小與云滴譜型有關(guān)。當(dāng)大云滴濃度高于小云滴時(shí)(第二峰值大于第一峰值)，大尺度云滴可使后向散射截面增加，從而增大KPR反射率，實(shí)際上當(dāng)粒子增大到一定程度后，決定雷達(dá)反射率大小的主要是云粒子尺度而不是濃度，結(jié)合探測(cè)到冰晶譜(圖8)發(fā)現(xiàn)，這些時(shí)段的冰晶濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于云滴濃度，并且尺度較小的點(diǎn)狀小冰粒占比大，此時(shí)，云內(nèi)的液態(tài)含水量主要取決于數(shù)濃度較大的大云滴。因此，在大云滴占比相對(duì)較高的b、e、h時(shí)段，液態(tài)含水量與KPR反射率之間的相關(guān)系數(shù)有一定程度提升。其他時(shí)段，都出現(xiàn)了尺度很大的冰晶粒子，特別是相關(guān)性最弱的時(shí)段g，出現(xiàn)了許多尺度超過500 μm的冰晶聚合物，決定了反射率的大小，而云滴平均直徑較小，對(duì)反射率貢獻(xiàn)小，所以反射率和由云滴累計(jì)的液態(tài)水之間出現(xiàn)負(fù)相關(guān)情況。

圖7 各時(shí)段云滴譜型分布(單位：cm-3·μm-1；a.時(shí)段a—e，b.時(shí)段f—i)Fig.7 Distribution of cloud drop size spectrum (units: cm-3·μm-1; a. Period a-e, b. Period f-i)

照射體積內(nèi)的云滴和冰晶粒子的譜分布及散射特性決定了KPR回波強(qiáng)度的大小。圖8及圖9分別給出了時(shí)段a—i內(nèi)粒子譜型及典型冰晶粒子圖片?？梢钥闯?，圖8a中時(shí)段b的冰晶粒子最大不超過500 μm，小于其他時(shí)段內(nèi)的冰晶尺度，根據(jù)前文SAUVAGEOT and OMAR[12]提出的理論，尺度在200 μm以內(nèi)的粒子對(duì)結(jié)果相關(guān)性的影響較小，可以解釋時(shí)段b的相關(guān)系數(shù)強(qiáng)于其他三個(gè)時(shí)段。圖8b中，時(shí)段h的冰晶尺度上限雖然超過了800 μm，但超過300 μm的冰晶濃度迅速下降，超過400 μm的冰晶濃度量級(jí)僅為100。

圖8 各時(shí)段冰晶譜型分布(單位：L-1·μm-1；a.時(shí)段a—e，b.時(shí)段f—i)Fig.8 Distribution of ice crystal spectrum (units: L-1·μm-1; a. Period a-e, b. Period f-i)

圖9a—i分別對(duì)應(yīng)在a—i時(shí)段選取的具有代表性的3張粒子圖片，在圖像下方標(biāo)明了圖片拍攝時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻的溫度。分析發(fā)現(xiàn)，圖9中的冰晶粒子形態(tài)可以分為3類，第1類是點(diǎn)狀小冰粒，如圖9a、b、h中第3幅所示，放大后占2～3個(gè)像素，尺度為50～75 μm；第2類是形狀規(guī)則的白色或黑色的圓形冰粒子，如圖9a、c、i中所示，尺度約為400 μm；第3類是形狀各異的針狀、板狀等冰晶單體或聚合體，如圖9d、g所示，這類冰晶易于發(fā)生碰并或淞附效應(yīng)，增長(zhǎng)速度較快。

在強(qiáng)相關(guān)的b、e、h時(shí)段內(nèi)(圖9b、e、h)，點(diǎn)狀小冰粒占比大，此外也有少量圓形冰粒子，可見這類粒子對(duì)相關(guān)性影響較小，雖然時(shí)段e內(nèi)(圖9e)出現(xiàn)了相互粘連的針狀冰晶，但是時(shí)刻集中在10:14:30之后，在該時(shí)段前期仍以小冰粒為主。弱相關(guān)時(shí)段d、f、g內(nèi)(圖9d、f、g)，冰晶尺度超過毫米量級(jí)，這種粒子邊生長(zhǎng)邊下落，其后向散射能力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均直徑為十幾微米以內(nèi)的云滴[18-19]。表3中時(shí)段g出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)的情況，主要是時(shí)段g所在的溫度區(qū)間稍稍超過了0 ℃，板狀冰晶粒子表面融化更易發(fā)生相互碰并，增長(zhǎng)為尺度很大的聚合物(圖9g中有較多碰并的冰晶圖像)，而且冰晶外包的水膜也會(huì)使冰晶后向散射能力增大，因此KPR反射率與云滴決定的液態(tài)含水量之間的相關(guān)性將會(huì)急劇下降。

圖9 各時(shí)段典型粒子圖片(a—i分別對(duì)應(yīng)a—i時(shí)段內(nèi)3張具有代表性的粒子圖片)Fig.9 Typical particle image in each period (Fig.9a for three typical images in Period a, Fig.9b for three in Period b, Fig.9c for three in Period c, and so on)

4 結(jié)論與展望

利用KPR與DMT探測(cè)設(shè)備，對(duì)2018年4月22日積層混合云進(jìn)行穿云探測(cè)，并將KPR資料進(jìn)行軌跡訂正和插值處理，利用CDP探測(cè)到的云滴各檔數(shù)濃度計(jì)算得到云中液態(tài)含水量，就沿飛行軌跡的雷達(dá)反射率與軌跡上液態(tài)含水量之間的相關(guān)性展開分析，結(jié)論如下：

1)KPR反射率與云中液態(tài)含水量之間并非完全強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，有些時(shí)段相關(guān)性較強(qiáng)，最高相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.81；有些時(shí)段相關(guān)性較差，甚至出現(xiàn)負(fù)相關(guān)。強(qiáng)相關(guān)時(shí)段內(nèi)云滴譜型大尺度云滴濃度要高于小尺度云滴，大尺度云滴后向散射截面大，且對(duì)云中液態(tài)含水量貢獻(xiàn)高。當(dāng)云中大尺度云滴濃度相對(duì)較高時(shí)，KPR反射率與液態(tài)含水量往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

2)冰晶的大小對(duì)KPR反射率與液態(tài)含水量的相關(guān)性具有重要影響。強(qiáng)相關(guān)時(shí)段CIP探頭拍攝到的粒子多為點(diǎn)狀小冰粒且尺度不超過100 μm，而弱相關(guān)時(shí)段拍攝到的粒子多為針狀冰晶或冰晶聚合體，尺度為毫米量級(jí)，該尺度冰晶在云中大量的存在減弱了KPR反射率與液態(tài)含水量的相關(guān)性。

在分析KPR反射率與云中液態(tài)含水量之間的相關(guān)性時(shí)，應(yīng)盡量避開冰晶所在的冷云云層，在暖云中尋找二者之間的關(guān)聯(lián)。此次選取的個(gè)例飛行溫度區(qū)間基本在-1～1 ℃之間，且以上升氣流為主，對(duì)流發(fā)展較為旺盛，有一定的冰晶在云中增長(zhǎng)，CDP在探測(cè)云內(nèi)小粒子時(shí)，包含了部分冰晶粒子，因此計(jì)算值為液態(tài)和固態(tài)含水量之和，結(jié)果高于實(shí)際液態(tài)含水量，因而對(duì)相關(guān)性的結(jié)果分析產(chǎn)生了一定的影響。在今后飛行試驗(yàn)中，計(jì)劃選取合適的暖云進(jìn)行穿云觀測(cè)，以歸納更好的關(guān)系式；或是參照FRISCH et al.[4]的方法，利用多普勒功率譜將冰晶影響效應(yīng)進(jìn)行剔除，再進(jìn)行對(duì)比分析。