2019, Vol. 77
中国气象学会主办。
文章信息
- 吴举秀, 窦芳丽, 安大伟, 顾瑜, 周青, 刘伟. 2019.
- WU Juxiu, DOU Fangli, AN Dawei, GU Yu, ZHOU Qing, LIU Wei. 2019.
- 94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析
- Sensitivity of dual wavelength reflectivity ratio of 94/220 GHz space-borne radar to cloud parameters with non-spherical ice crystals
- 气象学报, 77(3): 529-540.
- Acta Meteorologica Sinica, 77(3): 529-540.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2019.016
文章历史
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2018-03-16 收稿
2018-07-24改回
2. 国家卫星气象中心, 北京, 100081;
3. 青岛市气象局, 山东青岛, 266003;
4. 中国气象局气象探测中心, 北京, 100081
2. National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081, China;
3. Qingdao Meteorological Bureau, Qingdao 266003, China;
4. Meteorological Observation Center of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
云是由大气中水汽凝结成的水滴、过冷水滴、冰晶或者其混合物组成，是卫星反演、数值预报、气候模式研究中不确定性的主要来源之一。随着毫米波技术的不断发展，毫米波测云雷达探测灵敏度、探测能力不断提高，在云物理、云降水机制及大气辐射研究中发挥了越来越重要的作用(Kollias, et al，2007；Battaglia, et al，2013)。毫米波雷达工作频率为大气气体对电磁波吸收最小的频段，中心频率分别在35、94、140及220 GHz附近，波长越小，云及降水对电磁波的衰减越大，因此，目前毫米波测云雷达主要应用在Ka波段(中心频率35 GHz左右，波长8.6 mm左右)和W波段(中心频率94 GHz左右，波长3.2 mm左右)。国际上自20世纪60年代开始发展测云毫米波雷达，并逐渐增加双极化及多普勒功能，用来探测非降水云或者弱降水云(Lhermitte, 1988, 1990；Kropfli, et al，1995；Hogan, et al, 2000；Kollias, et al, 2007；吴举秀等，2014)。毫米波雷达主要为地基或机载，目前星载的毫米波雷达是CloudSat卫星搭载的94 GHz云廓线雷达，实现首次从空间采用主动毫米波遥感对云体垂直结构进行探测，结合其他卫星反演产品可以得到云分类、液态水/冰含水量、辐射通量和加热率等(Stephens, et al，2008)。中国自20世纪80年代开始已研制出多种型号的Ka波段云雷达用于云物理研究(仲凌志等，2009；黄书荣等，2017；王喆等，2016)。近年来中国开始研制W波段云雷达，2013年研制成功机载W波段云雷达(Wu, et al, 2014)，首部地基W波段多普勒双极化云雷达目前已完成验收(吴举秀等，2017)。220 GHz雷达的研制和应用国际上较少，1988年美国研制了215 GHz云雷达主要用来研究层状云和雾，由于衰减较强，测量结果不确定性很大(Mead, et al，1989)。粒子对94、220 GHz电磁波的后向散射能力较强，且94、220 GHz测云雷达体积较小，适合装载在卫星上，首部W波段雷达的研制成功为中国星载雷达的实现奠定了基础。波长较短的雷达，器件设计比较困难，加工精度要求较高，An等(2014)评估了220 GHz雷达的发射机、接收机、天线组成及大气传播效应，目前中国正在研制220 GHz测云雷达。
在测定云粒子大小、液态水及冰含水量、粒子有效半径时，单毫米波雷达反演具有一定的不确定性，假设水云粒子谱为对数分布，利用毫米波雷达反演液态水含量误差可达50% (Fox, et al，1997)。Brown等(1995)利用飞机测量的冰晶谱及94 GHz雷达探测回波强度反演了冰含水量，误差在-50%—100%，认为如果提供冰粒子大小，误差将减小至-30%—40%。利用两部云雷达，根据云粒子对两个波段电磁波散射的差异，可以获得云粒子的更多信息，Hogan等(2000)联合35、94 GHz云雷达反演了卷云冰晶粒子大小，Sassen等(2005)利用激光雷达及S、Ka、W波段雷达研究了融化层的散射特征，探讨了融化层的反演模式。衰减主要来自液态水(Lhermitte，2002)，Battaglia等(2014)分析认为G波段(110—300 GHz)雷达可以大幅度提高对边界层的层云、中层冰云、卷云和降雪的探测能力，因此，220 GHz雷达如果装载在卫星上用来探测冰云具有很大的优势。由于冰云中冰晶形状复杂，冰云微物理参数反演存在很大的不确定性，双频探测可以获得云更多信息，从而提高云中粒子的反演精度。目前，中国准备发展星载W波段(94 GHz左右)、G波段(主要在220—240 GHz)的双频测云雷达，W波段雷达可以垂直探测云的三维结构，220 GHz雷达主要用来探测冰云，利用双波长比来增加对云的反演精度，减小微物理参数反演的不确定性。而且这两个波段测云雷达的发展，对云的参数化、数值天气预报、全球气候模式等方面的发展也具有重要意义，有关专家也对220 GHz云雷达可探测云的高度、波长不同带来介电因子差异而影响双波长比(dual wavelength reflectivity ratio，DWR)的结果如何处理等方面非常感兴趣，中国很少有这方面的文献，因此，在分析冰云中不同形状冰晶粒子对这两个波段电磁波的散射特性(吴举秀等，2016)的基础上，本研究主要探讨不同冰云散射模型情况下，94/220 GHz雷达双波长比和冰云微物理特性的关系以及星载雷达对冰云的可探测高度，分析双波长比计算中应该注意的细节问题，进一步研究星载双频雷达测云的可行性。
2 基本理论两部雷达同时探测，可以获得回波强度的双波长比(单位：dB)
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(1) |
式中，Z94、Z220分别指94、220 GHz雷达探测的回波强度(单位，mm6/m3)。理论上回波强度(雷达反射率因子)用下式计算
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(2) |
式中，λ为雷达波长, Dmax为最大粒子的最大尺度，D为粒子的最大尺度。N(D)为粒子滴谱，σ(D)为后向散射截面，|Ki|2为冰的介电因子，其中，Ki=(mi2-1)/(mi2+2)，mi为冰晶的复折射指数，波长为3.2、1.36 mm时，冰的复折射指数可分别取1.7831+0.002i、1.7831+0.005i(Mätzler，2006)。雷达实际采用的气象方程中，一般使用水的介电因子|Kw|2，其中Kw=(m2-1)/(m2+2)，m是水的复折射指数，则对于冰云，不考虑衰减损耗的等效雷达反射率因子可表示为(Hogan, et al, 2006)
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(3) |
两部雷达探测的回波强度出现差异时，双波长比不等于0，才能探讨双波长比和云内微物理参数的关系。当粒子都处于两个波段的瑞利散射区，不考虑衰减时理论上双波长比应为0 dB。
雷达反射率因子取决于云的滴谱及云粒子后向散射截面等，根据Heymsfield等(2002)、Kosarev等(1991)、Baum等(2005)，中纬度冰云冰晶谱可以取Γ分布，谱的中值尺度(Dm)和粒子谱形状参数(μ)具有如下关系
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(4) |
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(5) |
式中，N0为滴谱的浓度，β为斜率，D为粒子最大尺度。
实际上云及降水的衰减较大，探测到的回波强度需进行衰减订正，云层的光学厚度(τn)表示为(Lhermitte，2002)
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(6) |
式中，ΔR为距离库长度，k(i)为第i个距离库的衰减系数。根据衰减订正的逐库订正法(张培昌等，2001)，第n个距离库雷达实际测量得到的反射率因子(Zm(mm6/m3))和真实反射率因子(Zr(mm6/m3))(假设等于理论计算的结果Ze)的关系为
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(7) |
式中，k(n)为第n个距离库的衰减系数，其定义见吴举秀等(2016)。
不考虑云、雨等的衰减，考虑收发损耗及匹配滤波器的损耗，根据雷达气象方程可以推导出回波强度(Z)的计算式为
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(8) |
式中，pr为接收功率，R为目标物与雷达的距离，pt(kW)为发射脉冲峰值功率，λ(mm)为波长，τ(μm)为脉冲宽度，θ为波束宽度，G0(dB)为天线的增益，L∑(dB)是馈线系统的收、发损耗，LP(dB)为匹配滤波器的损耗，Lat是大气损耗，公式右侧的150为将距离、功率、波长等参数从国际标准单位转化为雷达气象中常用单位而产生的值，|K|2是粒子的介电因子。将毫米波雷达相应的参数代入式(8)，可得到雷达探测灵敏度。
文中冰晶粒子的具体形状依据散射特性数据库取11种(Liu，2008)，不同形状粒子的密度随粒子大小而变化。各个形状冰晶的最大尺度范围、等质量球半径、形状参数、后向散射及衰减特性等见吴举秀等(2016)，非球形冰晶的散射特性利用离散偶极子近似法获得。冰晶形状分别为长柱状、短柱状、厚柱状、厚板状、薄板状、3瓣子弹花、4瓣子弹花、5瓣子弹花、6瓣子弹花、星状雪花、树枝状雪花。
3 非球形冰晶云的双波长比假设两部雷达气象方程中均使用冰的介电因子，利用式(2)、(4)、(5)及后向散射截面可以计算Ze，获得对应的双波长比。如果两部雷达气象方程中均使用水的|K|2，水的|K|2随温度、波长而变化，具体取值见Lhermitte(2002)，94、220 GHz两个频段对应介电因子相差很大，则测量的回波强度应根据式(3)进行订正，订正后再计算双波长比，否则由于220 GHz电磁波对水的|K|2小于94 GHz的值，造成双波长比最小值为负值，无法正确反映所测冰云的参数。同理，如果220 GHz雷达取冰的介电因子，94 GHz雷达取水的介电因子，应对94 GHz雷达回波进行介电因子的修正后，再求冰云的双波长比。根据Lhermitte(2002)，假设雷达气象方程中94 GHz的|K|2=0.75(水的介电因子), 220 GHz的|K|2=0.414(水的介电因子)，则由式(3)可知，94 GHz的探测结果应增加约6.3 dB，220 GHz的应增加约3.7 dB，然后再求双波长比。
3.1 单形状冰晶云的双波长比假设单层冰云中只有一种形状的冰晶，固定温度T=233.15 K，计算不同滴谱分布、冰含水量、粒子尺度条件下的两种波长的雷达反射率因子，得到双波长比。根据粒子总数(N)和粒子滴谱的关系，可得对应的粒子滴谱浓度；根据粒子滴谱、粒子的等质量等效半径及其对应的密度可以求冰含水量(IWC)，具体见吴举秀等(2016)。由于冰晶最大尺度(Dmax)均大于0.05 mm，并且结合文献(Baum, et al，2005；Dowling, et al，1990)，Dm取0.1—1 mm，粒子总数取较典型的值N=0.01 cm-3。当粒子谱形状参数μ=0、1、2时，双波长比随冰含水量(图 1a1、a2、a3)、中值尺度(图 1b1、b2、b3)、有效尺度(图 1c1、c2、c3)的变化见图 1，粒子有效尺度取粒子谱的3阶矩与2阶矩的比值。可以看出，双波长比基本在0.5—12 dB，随着粒子冰含水量的增大，双波长比基本上是增大的。冰含水量相同时，雪花具有较小的双波长比，最大值约为5 dB；在冰含水量小于约0.003 g/m3时，薄板状六角形冰晶具有最大的双波长比，当冰含水量增大时，其他几种六角形冰晶具有较大的双波长比；因此如果冰含水量小于0.1 g/m3，双波长比超过5 dB，冰晶形状基本可判断为六角形。随着粒子大小(中值尺度、有效尺度)的增大，双波长比也增大，双波长比对六角形冰晶的大小较敏感；相同滴谱时，六角形冰晶(除了薄板状冰晶)有较大的双波长比，子弹花和雪花的双波长比较小且差别较小；根据雷达反射率因子的定义，双波长比与粒子浓度无关。在有效尺度及中值尺度为0.1 mm时(照射体积内粒子有小于0.1 mm的，也有大于0.1 mm的)，许多粒子已处于220 GHz毫米波的米散射区，其后向散射能力小于瑞利散射，此时94 GHz雷达主要是瑞利散射(吴举秀等，2016)，因此双波长比大于0 dB。可以看出，双波长比对粒子谱形状参数(μ)不敏感，随着μ减小双波长比有轻微增大，但是冰含水量是轻微减小的。
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| 图 1 双波长比随冰含水量(a1、a2、a3)、中值尺度(b1、b2、b3)、有效尺度(c1、c2、c3)的变化 Fig. 1 Changes of DWR with IWC (a1, a2, a3), Dm (b1, b2, b3) and De (c1, c2, c3) |
体积散射与使用的冰云体积散射模型有关，实际冰云中含有各种形状的冰晶，不同形状的冰晶具有不同的比例，Baum等(2005)通过分析机载及气球携带的粒子探测器探测结果，获得了适用于中纬度地区冰云的体积散射模型：D≤60 μm，100%滴晶；60 μm < D≤1000 μm，15%子弹花，50%六棱柱，35%六角平板；1000 μm < D≤2000 μm，45%中空六棱柱，45%六棱柱，10%聚合物；D>2000 μm，97%子弹花，3%聚合物，其中D为粒子的最大尺度。文中利用此模型计算冰云的回波强度，上面提到的形状中没有聚合物及中空六棱柱，因此用5瓣子弹花代替聚合物、六棱柱代替中空六棱柱，滴晶为准球形用瑞利散射计算；六棱柱取长柱状，六角平板取厚板状(Fu, 1996)，子弹花取5瓣。计算时温度取233.15 K，N分别取定值0.01、0.1/cm3，中值尺度在0.1—1 mm范围内取值，粒子谱形状参数分别取0、1、2。双波长比随冰含水量(图 2a1、b1)、中值尺度(图 2a2、b2)、有效尺度(图 2a3、b3)的变化见图 2。可以看出，双波长比基本在0.5—12 dB，在N不变时，双波长比随冰含水量、中值尺度、有效尺度增大；粒子总数(N)增多，冰含水量增大，但双波长比不变，即双波长比对单位体积内的粒子总数(N)的变化不敏感，因此冰含水量增大引起的双波长比变化主要是粒子大小的变化引起的。在中值尺度或有效尺度相同时，μ对双波长比的影响较小，最大约1 dB，即双波长比对μ不敏感。双波长比对粒子大小较敏感，对小粒子也较敏感。粒子有效尺度达到0.1 mm时，双波长比也大于0 dB。在这种散射模型下，无法体现粒子形状的影响。
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| 图 2 双波长比随冰含水量(a1、b1)、中值尺度(a2、b2)、有效尺度(a3、b3)的变化 Fig. 2 Changes of DWR with IWC (a1, b1), Dm (a2, b2) and De (a3, b3) |
前面对双波长比的探讨没有考虑冰云的衰减，实际上雷达探测到的回波强度是衰减后的，云雷达可测云厚和衰减有关；如果不进行衰减订正，计算的双波长比也与衰减有关。将雷达接收机可测到的最小功率及雷达相关参数代入式(8)，可以获得不同距离处雷达可测最小反射率因子，Cloudsat星载云廓线雷达在大气中可探测的最小雷达反射率因子为-26 dBz，气象方程中|K|2取0.75(Stephens, et al, 2008)，假设94、220 GHz两部星载雷达的探测能力和Cloudsat星载云廓线雷达相当，因为文中两个波段的云雷达|K|2取0.177，因此，两部雷达对冰云探测到的最小雷达反射率因子为-20 dBz。利用不同的滴谱，依据Dowling等(1990)，构建几条冰云的冰含水量廓线，然后利用式(2)、(4)、(5)分别计算94、220 GHz雷达的Ze(冰云衰减前)，再利用式(6)、(7)得到Zm(冰云衰减后)，最后获得对应的双波长比。
假设冰云符合前文介绍的基于Baum等(2005)的体积散射模型，中值尺度Dm=0.1—1 mm，高度取10—5 km，粒子谱形状参数μ及N取不同值，则冰含水量垂直廓线、衰减前的雷达反射率因子(Ze)、衰减后的雷达反射率因子(Zm)及双波长比如图 3所示。冰含水量廓线设置为随高度降低先增大后减小，云中部冰含水量最大。可以看出，当粒子总数较多时，冰含水量较大，最大达2 g/m3，对应的衰减前的雷达反射率因子较大，同时衰减增大，因此衰减后的雷达反射率因子变小。冰含水量相同时，冰云对220 GHz毫米波衰减较大，当N=0.01 cm-3、粒子谱形状参数μ=2、冰含水量为0.2 g/m3时，衰减前的雷达反射率因子与衰减后的雷达反射率因子差别很大，衰减超过10 dBz(图 3c1)，而94 GHz毫米波此时的Ze与Zm几乎一致，衰减可以忽略不计(图 3b1)；当冰含水量增大到2 g/m3时，220 GHz毫米波衰减达到近150 dB(图 3c2)，94 GHz的衰减只有约15 dBz(图 3b2)；因此探测同样冰含水量的冰云，220 GHz毫米波由于衰减大穿透距离较小。在云顶由于波束经过的路径较小，衰减订正前后的双波长比基本一致；距离增大后，衰减订正前后的双波长比相差很大，差值大小和冰含水量有关(图 3d1、d2)。假设两部雷达从极轨卫星向下探测，在大气中能探测到的最小雷达反射率因子为-20 dBz，冰含水量垂直分布为0.0001—0.2 g/m3时(图 3a1)，220 GHz毫米波可以穿透约4.5 km的厚度(图 3c1)，94 GHz毫米波可以穿透近4.82 km的厚度(图 3b2)，双波长比约在0.5—20 dB (图 3d1)，在冰含水量最大时双波长比达到最大值；冰含水量垂直分布为0.001—2 g/m3时(图 3a2)，则220 GHz毫米波仅穿透2.2 km左右的厚度(图 3c2)，94 GHz毫米波穿透约4.8 km的厚度(图 3b2)，双波长比最大值约为48 dB(图 3d2)。因此，可测双波长比的距离取决于220 GHz毫米波的穿透距离，冰含水量越大，衰减越大，穿透距离越小。也可以看出，冰云顶部较薄，当云顶冰晶粒子很小且冰含水量约小于0.001 g/m3时，雷达反射率因子小于-20 dBz, 雷达无法探测到冰云(图 3b1、c1)。
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| 图 3 h=10—5 km，冰含水量的垂直廓线(a1、a2)、等效雷达反射率因子及衰减后的雷达反射率因子(b1、b2. 94 GHz，c1、c2. 220 GHz)、双波长比的垂直廓线(d1、d2) Fig. 3 h=10—5 km, vertical profiles of water content (a1, a2), the equivalent radar reflectivity factors, the radar reflectivity factor after attenuation (b1, b2. 94 GHz, c1, c2. 220 GHz), and the DWR (d1, d2) |
冰含水量在0.001—0.2 g/m3，高度约在9.8—5.2 km时(图 3a1)，220 GHz毫米波可以穿透约4.3 km的厚度(图 3c1)的云，94 GHz毫米波可以穿透整层云(图 3b1)，双波长比达到约21 dB(图 3d1)。同理分析冰含水量在0.001—0.9 g/m3时可知，220 GHz毫米波可以穿透约2.7 km的厚度，94 GHz毫米波可以探测4.9 km，双波长比达到约45 dB。因此，双波长比对衰减很敏感，相同含水量的云对220 GHz衰减大，对两部雷达来说，含水量越大，衰减越大，所以实际探测时双波长比对含水量很敏感。
假设高度取11—2 km，分别取Dm=0.09—0.9 mm、Dm=0.1—1 mm，μ及N取不同值时，则冰含水量、等效雷达反射率因子、衰减后的雷达反射率因子、双波长比的垂直廓线如图 4。当两部雷达在大气中可探测最小雷达反射率因子为-20 dBz时，冰含水量垂直分布在0.0001—0.16 g/m3，220 GHz毫米波可穿透约8.2 km冰云，3.2 km高度以下的冰云220 GHz雷达探测不到，94 GHz毫米波能穿透约8.6 km；在高度较低时，衰减前后的双波长比相差较大，衰减前双波长比约在0.5—10.5 dB，衰减后则约在0.5—23.4 dB。冰含水量垂直分布在0.001—2 g/m3时，94 GHz毫米波基本可以穿透8.1 km冰云，220 GHz毫米波仅穿透约3.3 km冰云，双波长比最大达到40 dB，低处的云探测不到；如冰含水量最大值为0.9 g/m3，两部雷达可测厚度增加约0.6 km，双波长比最大值基本不变(图 4a2、b2、c2、d2)。以上分析可见，220 GHz雷达探测不到冰含水量超过1 g/m3的冰云。粒子谱形状参数(μ)对衰减前的双波长比影响不大，但对衰减后的双波长比影响较大，因为粒子谱形状参数影响滴谱斜率，从而影响冰含水量，因此影响到衰减。
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| 图 4 h=11—2 km，冰含水量的垂直廓线(a1、a2)、等效雷达反射率因子及衰减后的雷达反射率因子(b1、b2. 94 GHz，c1、c2. 220 GHz)、双波长比的垂直廓线(d1、d2) Fig. 4 h=11—2 km, vertical profiles of water content (a1, a2), the equivalent radar reflectivity factors, the radar reflectivity factor after attenuation (b1, b2. 94 GHz, c1, c2. 220 GHz), and the DWR (d1, d2) |
当冰云高度取10—3 km，冰含水量在0.001—0.1 g/m3时，整层云的雷达回波强度都超过-20 dBz，两部雷达可以穿透7 km厚的冰云，双波长比最大约20 dB；冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3时，94 GHz毫米波可以探测整层云，220 GHz毫米波穿透约6.25 km厚的冰云，双波长比最大约23 dB(图 4a1、b1、c1、d1)。
假设云厚2 km，冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3，雷达反射率因子、双波长比分布见图 5，云顶最小雷达反射率因子超过-20 dBz，94 GHz雷达可以探测到整层云，220 GHz雷达可穿透约1.95 km，双波长比在1—14.7 dB；冰含水量垂直分布的最大值为0.1 g/m3以下时，两部雷达可探测高度基本不变，双波长比最大值减小了约1 dB。也可以看到，如果回波强度进行了严格衰减订正后再计算双波长比，对于以上不同厚度及含水量的冰云，双波长比最大值基本不超过12 dB。
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| 图 5 h=7—5 km，冰含水量的垂直廓线(a)、等效雷达反射率因子及衰减后的雷达反射率因子(b.94 GHz，c.220 GHz)、双波长比的垂直廓线(d) Fig. 5 h=7-5 km, vertical profiles of water content (a), the equivalent radar reflectivity factors, the radar reflectivity factor after attenuation (b. 94 GHz, c. 220 GHz), and the DWR (d) |
利用相同的方法分析了云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3，以及云厚2 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.9，0.001—2 g/m3时的情况。从表 1可以看出，雷达从天顶向下探测，在雷达灵敏度一定时，探测高度和雷达波长、云厚、云内冰含水量及冰含水量的垂直分布有关。探测到的双波长比主要取决于220 GHz云雷达的探测厚度，由于假设最大冰含水量在云中部，因此，云厚在9 km内，94 GHz云雷达可探测云的最大冰含水量为2 g/m3，220 GHz云雷达仅为1 g/m3；冰含水量垂直分布在0.001—0.9 g/m3的云，94 GHz云雷达几乎可以探测到整层云，220 GHz云雷达可探测高度和云厚有关，云越厚，衰减越大，探测距离越小；冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3的云，云厚5 km内，94%的云厚度基本可以被220 GHz云雷达探测到。中纬度卷云冰含水量通常低于0.1 g/m3，热带卷云的冰含水量通常低于1 g/m3(Heymsfield, et al, 2003)，高层云云厚1—2 km，由表 1可知，94、220 GHz的雷达基本可以穿透中纬度的卷云，获得较大的双波长比；对于热带的卷云，94 GHz毫米波基本可以穿透，220 GHz毫米波可以穿透冰云的89%以上。中国主要处于中纬度地区，可以用220 GHz云雷达探测卷云，联合94 GHz云雷达进一步深化对卷云的研究；对于含水量多的厚冰云，220 GHz云雷达探测不到的冰云下层可用94 GHz云雷达补充探测。
| 云厚(km) | 冰含水量范围(g/m3) | 可探测距离(km) | 双波长比最大值(dB) | 可测冰含水量最大值(g/m3)220 GHz | |
| 94 GHz | 220 GHz | ||||
| 2 | 0.001—0.1 | 2 | 1.95 | 13.7 | 0.1 |
| 2 | 0.001—0.2 | 2 | 1.95 | 14.7 | 0.2 |
| 4.6 | 0.001—0.2 | 4.6 | 4.3 | 21 | 0.2 |
| 5 | 0.001—0.2 | 5 | 4.7 | 22 | 0.2 |
| 7 | 0.001—0.2 | 7 | 6.25 | 20 | 0.2 |
| 5 | 0.0001—0.2 | 4.82 | 4.5 | 21 | 0.2 |
| 9 | 0.0001—0.16 | 8.6 | 8.2 | 23.4 | 0.16 |
| 2 | 0.001—0.9 | 2 | 1.78 | 32.4 | 0.9 |
| 5 | 0.001—0.9 | 4.9 | 2.7 | 45 | 0.9 |
| 9 | 0.001—0.9 | 8.7 | 3.9 | 40 | 0.8 |
| 2 | 0.001—2 | 2 | 1.1 | 47 | 2 |
| 5 | 0.001—2 | 4.8 | 2.2 | 48 | 1.5 |
| 9 | 0.001—2 | 8.1 | 3.3 | 40 | 1 |
也可以看出，利用双波长比反演云参数时，首先应该进行回波强度的衰减订正。分析上面云厚2 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.12 g/m3时的双波长比和冰含水量、双波长比和中值尺度关系(图略)可知，如果没有进行衰减订正，双波长比偏大，冰含水量在取值范围内的反演误差最大可达900%，中值尺度在取值范围内的反演误差最大超过500%。
5 结论主要分析了94/220 GHz雷达双波长比与冰晶谱参数及粒子大小的关系，探讨了星载双频雷达对冰云的探测高度。
(1) 不考虑云衰减影响时，两部雷达后向散射满足瑞利散射的条件不同，双波长比对冰粒子大小和形状可以提供一些关键性的信息。可以反映0.1 mm的中值尺度及有效尺度的冰粒子，较小的粒子也可以获得较大的双波长比，大粒子双波长比较大。双波长比随着粒子谱的中值尺度增大而增大，即随滴谱斜率增大而减小。六角形冰晶(除了薄板状冰晶)的双波长比较大，子弹花和雪花的双波长比较小，在没有云衰减的情况下，双波长比对冰含水量的敏感性依赖于粒子大小，如果是粒子尺度增大引起的冰含水量增大，则双波长比随冰含水量增大而增大；如果是粒子浓度增大引起的冰含水量增大，粒子大小不变，则双波长比随冰含水量增大基本不变。双波长比与粒子浓度无关，对单位体积内的粒子总数及粒子谱形状参数的变化不敏感。
(2) 考虑衰减影响后，由于220 GHz雷达的衰减大，双波长比变大，含水量越高，衰减越大。雷达灵敏度一定时，雷达可测云厚和云水含量及其垂直分布有关，双波长比随云含水量增大而增大，双波长比最大值和可探测云厚度有关；对于冰含水量最大值在云中部、厚度9 km内的冰云，94 GHz云雷达可探测的最大冰含水量为2 g/m3，220 GHz云雷达仅为1 g/m3；最大含水量一定时，云厚度大衰减增大，可测云厚的比例下降。如果两部雷达可测冰云的最低雷达反射率因子为-20 dBz，两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m3、厚2 km的冰云；当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3时，云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。除了衰减的原因，冰含水量及冰晶粒子很小的浅薄云，回波强度小于雷达可测最小反射率因子, 雷达也无法探测到。220 GHz毫米波雷达可以用来探测高层冰云，对厚冰云可用94 GHz雷达探测，利用双波长比分析高层冰云粒子的大小可以增加反演结果的准确性。
(3) 在计算中，两部雷达都取冰的介电因子，获得冰云的双波长比。实际应用中两部雷达方程中一般取水的介电因子，因为两个频段对应水的介电因子差别很大，造成双波长比最小值为负值，无法正确反映所测冰云的参数，所测雷达反射率因子应进行订正后再计算冰云的双波长比。
(4) 文中是基于雷达搭载在极轨卫星上假设雷达可探测最小反射率因子的，如果雷达搭载在静止卫星上，由于静止卫星距离地球较远，在相同雷达灵敏度下，雷达对云可探测最小反射率因子变大，则对冰云的探测能力大幅度降低。可探测高度是基于两部云雷达灵敏度和CloudSat星载云雷达一样进行分析的，如果两部云雷达的探测灵敏度不一样或探测灵敏度改变，探测距离则会发生变化。反演云参数时，应该先进行双波长比的衰减订正，关于衰减订正的探讨，特别是220 GHz雷达非球形冰晶云衰减系数和回波强度关系式研究是下一步要做的工作。文中是假设冰晶数密度随高度不变的条件下，构建了几条较简单的冰含水量廓线作为参考探讨冰云衰减及雷达探测高度的，实际上不同冰云的含水量垂直廓线是千差万别的，冰晶数密度随高度也是变化的，后续还将通过开展同步观测试验来收集数据，从而对衰减算法及雷达探测能力展开进一步的研究。
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