降水條件下的云雷達與微波輻射計反演液態(tài)水含量對比分析

鄒明龍 ，劉黎平，鄭佳鋒，曾震瑜 ，李博勇

(1. 成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都610225；2. 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081)

1 引 言

地球上大約50%的大氣被云系覆蓋，云是地氣系統(tǒng)輻射收支的主要調(diào)節(jié)者[1]。液態(tài)水含量（LWC, Liquid Water Content）和 液 態(tài) 水 路 徑（LWP, Liquid Water Path）是描述大氣中云水含量的重要參數(shù)。云中液態(tài)水與輻射之間的相互作用對全球氣候變化產(chǎn)生十分重要的影響，是人工影響天氣過程中決定人工增雨條件的前提，尤其是空中的過冷水含量是衡量人工增雨潛力和增雨條件的最重要指標之一。

云雷達（CR, Cloud Radar）具有靈敏的探測精度，能夠探測從直徑為幾微米的云粒子到弱降水粒子的范圍，具有穿透云的能力而能描述云內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測云的垂直剖面變化[2]。利用云雷達反演液態(tài)水含量是云雷達重要研究方向之一。國內(nèi)外學者結(jié)合雷達與飛機觀測，Atlas[3]首先提出了液態(tài)水含量與雷達反射率因子存在指數(shù)關(guān)系，并擬合出了非降水云的液態(tài)水含量與反射率因子的經(jīng)驗關(guān)系式（LWC-Z）；此后Fox 等[4]和 Sauvageot 等[5]也分別擬 合 出了與 Atlas的結(jié)果相似的經(jīng)驗關(guān)系式。當云內(nèi)存在降水時，云雨粒子對反射率因子的貢獻遠大于對液態(tài)水含量的貢獻，此時利用非降水擬合的經(jīng)驗關(guān)系反演會導致液態(tài)水含量偏大，Beadi等[6]、Krasnov等[7]和劉黎平等[8]分別擬合出了發(fā)生降水時的液態(tài)水含量與反射率因子的經(jīng)驗關(guān)系式。因LWC-Z關(guān)系的可變性，特別是云粒子和含有大的降水粒子的關(guān)系差異非常大，且降水會導致電磁波能量衰減引起回波強度偏差，使得這種方法反演的LWC 可能存在一定誤差。

微波輻射計（MWR, Microwave Radiometer）通過被動接收大氣中的氧氣、水汽和液態(tài)水發(fā)射的微波輻射，即能實時探測大氣溫度、相對濕度、水汽密度和液態(tài)水含量廓線等氣象要素[9]。近年來由于微波輻射計在大氣探測中的應用受到重視，其技術(shù)發(fā)展相當迅速，利用雙（多）通道微波輻射計反演LWP 的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當成熟并廣泛應用[10-12]；但利用微波輻射計反演LWC 廓線的效果一直不理想[13-14]。隨著微波輻射計在我國的布設(shè)增多，國內(nèi)部分學者通過分析其反演數(shù)據(jù)，結(jié)合常規(guī)探空等數(shù)據(jù)探討了微波輻射計反演溫濕廓線的性能[15-18]；此外，部分學者將微波輻射計反演結(jié)果應用于大霧和雨雪條件下的氣象要素分析[19-21]。然而當微波輻射計在雨天觀測時，天線罩上易積水導致探測亮溫出現(xiàn)偏差，進而導致微波輻射計反演結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差[22]。Ware 等[23]提出了微波輻射計斜路徑觀測模式，用于緩解天線罩著水的影響，此時來自空中的微波輻射透過“U 型天線罩”的垂直面被輻射計天線接收，然后利用專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件反演得到大氣要素廓線。國內(nèi)外學者針對這種斜路徑觀測模式對于緩解降水影響的有效性做了相應的工作，證實了斜路徑觀測在一定程度上減小了微波輻射計的探測誤差，其在降水條件下反演的溫濕廓線優(yōu)于天頂觀測[24-26]。

由于缺乏高時空分辨率探測空中液態(tài)水含量的設(shè)備，國外大多使用探空氣球或者飛機搭載直接探測液態(tài)水的設(shè)備對微波輻射計反演的LWC進行驗證，但其成本高昂且時空分辨率低導致很難驗證微波輻射計反演LWC 的有效性。國內(nèi)目前針對微波輻射計反演結(jié)果的驗證大多集中于溫濕廓線，微波輻射計在云降水微物理參數(shù)探測方面的能力發(fā)揮不夠，特別是在有降水發(fā)生時反演的LWC和LWP數(shù)據(jù)的驗證和應用較少，然而利用云雷達對云滴的空間分布及其強弱直接探測的優(yōu)勢，以及其高時空分辨率和連續(xù)觀測的特點，可以在一定程度上檢驗輻射計反演LWC 的合理性，此外可以進一步對比兩種探測設(shè)備反演差別。

為了發(fā)展云雷達與微波輻射計聯(lián)合反演液態(tài)水含量的方法，檢驗在降水條件下微波輻射計兩種觀測模式（天頂和斜路徑）反演結(jié)果的合理性，以及微波輻射計與云雷達在反演液態(tài)水含量和液態(tài)水路徑上的差別。本文利用了地基Ka/Ku 雙波段云雷達和MP-3000A型微波輻射計，首先結(jié)合云雷達的反射率因子對微波輻射計兩種觀測模式反演的液態(tài)水路徑、溫度、液態(tài)水含量和相對濕度進行了初步分析；隨后對比分析了云雷達與微波輻射計反演得到的LWP和LWC。

2 資料與方法

2019 年4—9 月中國氣象科學研究院在中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地開展外場試驗，本文研究內(nèi)容主要基于該基地的Ka/Ku 雙波段云雷達、MP-3000A 型微波輻射計和地面站分鐘雨強，以及廣東河源L 波段探空數(shù)據(jù)，其中河源站距離該基地直線距離49 km。選取了2019 年4 月27 日（北京時間，下同）和2019 年5 月8 日兩個降水個例，經(jīng)檢驗所選取的兩時段內(nèi)云雷達和微波輻射計均工作正常且數(shù)據(jù)連續(xù)。

2.1 Ka/Ku雙波段云雷達

Ka/Ku雙波段云雷達（CR）由中國航天科工集團第23 所在一部Ka 波段毫米波段云雷達的基礎(chǔ)上升級改造完成。該雷達發(fā)射機采用固定式結(jié)構(gòu)，Ka/Ku 雙波段、全固態(tài)、單發(fā)雙收線性極化和全相參脈沖多普勒體制。該雙波段云雷達主要針對云、降水等元素，兼顧Ka 頻段與Ku 頻段分別在云和降水等氣象目標測量上的優(yōu)勢，利用云和降水對電磁波的散射作用，對探測范圍內(nèi)云和降水的空間分布、回波強度（Z）、徑向速度（Vr）、速度譜寬（Sw）和線性退極化比（Ldr）等參量進行定量探測，獲取目標的形狀、相態(tài)和空間取向特征，具有高靈敏度、高時空分辨率和高可靠性等特點。鄭晨雨等[27]對該雷達的探測性能做了初步分析并討論了利用雙波段云雷達探測的優(yōu)勢。該雷達詳細參數(shù)詳見參數(shù)表1。

表1 Ka/Ku雙波段云雷達技術(shù)指標

2.2 MP-3000A型微波輻射計

MP-3000A 型微波輻射計（MWR）是美國Radiometrics 公司生產(chǎn)的新型地基35 通道微波輻射計。該輻射計包含21個K 波段（22~30 GHZ）和14個V 波段（51~59 GHZ），實際工作時只有8個K波段和14 個V 波段共計22 個波段，其余波段為備用波段。分別選擇22.2 GHZ 和31.4 GHZ 附近的液態(tài)水通道反演得到液態(tài)水路徑和可降水量，且有效性和準確性已經(jīng)得到驗證[28]；反演液態(tài)水含量廓線則利用了22~30 GHZ 和51~59 GHZ 波段，通過測量云液態(tài)水對各類不透明的大氣光譜的貢獻可以得到有限分辨率的液態(tài)水含量廓線，此外利用安裝在MWR 頂部的紅外測溫儀結(jié)合溫度廓線可以測得云底高度用于提高液態(tài)水含量廓線的反演精度。

MWR 包含了三個探測方向，即一個天頂觀測（Zenith）和兩個斜路徑觀測（Off-Zenith），其中斜路徑觀測表示為南斜20 °和北斜20 °觀測；MWR通過Radiometrics 公司專用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以反演得到垂直方向的大氣溫度、相對濕度、水汽密度和液態(tài)水含量的廓線，以及可降水量和液態(tài)水路徑。其中時間分辨率為2.5 min，各類廓線在垂直方向0~10 km 的分辨率為：0~500 m 為 50 m，500 m~2 km 為100 m，2 km~10 km 為250 m。由于云雷達的時間和空間分辨率的精度都大于微波輻射計，本文為了比較兩者，因此在時間上以微波輻射計的探測時刻為準，選擇距離微波輻射計探測時刻最近的云雷達探測數(shù)據(jù)；空間上利用線性插值法將云雷達和微波輻射計都處理成垂直方向0~10 km 分辨率為50 m。此外該微波輻射計南斜觀測時天線接收大氣微波輻射受到地物和周圍探測設(shè)備遮擋的影響，其數(shù)據(jù)可信度較低，因此本文分析的斜路徑觀測數(shù)據(jù)僅限于北斜20 °觀測時的數(shù)據(jù)。

2.3 單波段云雷達反演LWC和LWP

利用液態(tài)水含量與云雷達反射率因子之間建立的經(jīng)驗關(guān)系稱之為LWC-Z關(guān)系。國內(nèi)外學者通過大量外場雷達飛機試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合得到了云雷達反演液態(tài)水的經(jīng)驗關(guān)系式，如表2為國內(nèi)外學者擬合出的具有代表性的經(jīng)驗關(guān)系式，從中可以看出不同云系的LWC-Z關(guān)系變化非常大。仲凌志[29]通過選擇非降水云和降水云討論了不同經(jīng)驗關(guān)系式的反演差別，發(fā)現(xiàn)應當根據(jù)是否發(fā)生降水選擇適當?shù)腖WC-Z關(guān)系式；謝曉林等[30]則探討了在改變經(jīng)驗關(guān)系系數(shù)后的反演差別。本文所使用的云雷達具有4個觀測模式，分別為邊界層模式、卷云模式、降水模式和中云模式，其中降水模式因未采用脈沖壓縮和相干積累等技術(shù)，回波強度探測精度最高，且考慮到降水條件下較大的雨滴對電磁波衰減的影響，因此采用Ku 波段降水模式的反射率因子并利用前人在降水條件下擬合得到的LWC-Z經(jīng)驗關(guān)系計算得到LWC。

表2 具有代表性的LWC-Z經(jīng)驗關(guān)系式

當云頂溫度低于0 ℃且云底溫度高于0 ℃時的云稱為混合云，此時通過云雷達探測得到的反射率因子包含了液體粒子和冰相粒子，此時利用經(jīng)驗關(guān)系反演零度高度層以上的LWC 會出現(xiàn)較大的偏差。Dunn等[31]提出了混合云中冰相粒子與溫度的關(guān)系，當-16 ℃≤T≤0 ℃時，云體內(nèi)的液體粒子和冰相粒子成線性變化，因此可以剔除云雷達回波中冰相粒子的信息。本文利用微波輻射計反演的溫度廓線為依據(jù)，當T>0 ℃時，經(jīng)驗關(guān)系反演得到的全部為液態(tài)水；當T< -16 ℃時，云內(nèi)的液態(tài)水含量為0；當-16 ℃ ≤T≤ 0 ℃ 時，液體粒子與冰相粒子共存，且隨著溫度呈線性變化。云內(nèi)的液態(tài)水含量如表3所示。

表3 LWC分布隨溫度的變化情況

液態(tài)水路徑LWP 定義為某一時刻空中總的液態(tài)水含量，可以表示為云雷達探測范圍內(nèi)垂直方向液態(tài)水含量的積分，其表達式為：

式中，Δz為云雷達探測的垂直分辨率，LWC2(zi)表示通過經(jīng)驗關(guān)系反演以及剔除零度層以上的冰相粒子后各高度層的液態(tài)水含量。

2.4 雙波段云雷達反演LWC

本文使用了劉黎平等[32]提出的基于Ka/Ku 雙波段云雷達回波強度譜密度數(shù)據(jù)和最優(yōu)估計技術(shù)的云內(nèi)上升速度、雨滴譜和液態(tài)水含量反演方法（DWSZ）。首先利用雙波段回波強度譜密度比值峰值位置，計算得到空氣垂直運動速度，然后再考慮空氣垂直運動速度、湍流和雨區(qū)衰減條件下，計算得到一定雨滴譜分布時的雙波段回波強度譜密度數(shù)據(jù)，利用三維變分方法使正演得到的回波強度譜密度與雷達時間觀測的結(jié)果差異最小化，從而得到雨滴譜分布，并計算LWC。由于該方法反演LWC 對于融化層及以上的區(qū)域誤差較大，本文只對比分析了雙波段反演的融化層以下的LWC廓線。

3 結(jié)果與分析

3.1 微波輻射計兩種探測模式反演產(chǎn)品對比分析

圖1 是 2019 年 5 月 8 日 01:48—22:57 云雷達反射率因子和微波輻射計分別在斜路徑觀測(Off-Zenith)和天頂觀測(Zenith)下反演的0 ℃高度（ZH）、液態(tài)水路徑（LWP）、液態(tài)水含量（LWC）、相對濕度（RH）和龍門站地面分鐘雨強（Rain rate）。圖2 是當日三個時次的微波輻射計反演的溫度和相對濕度與L 波段探空對比以及相關(guān)系數(shù)(CC)和偏差分析(Bias)。

3.1.1 溫度（0 ℃層）

利用云雷達在觀測混合云時，冰相粒子在下落過程中經(jīng)過零度溫度層時，會部分融化形成外覆水膜，這種特殊的結(jié)構(gòu)致使雷達介電常數(shù)增大且融化過程中粒子不斷增大，當粒子完全融化后形成較大的液滴，其通常會導致液滴粒子破碎或降水粒子下落速度的加快，這個過程會使得Z急劇增加然后減小，這種現(xiàn)象在反射率因子圖像上表現(xiàn)為一個很明顯的亮帶。因此，真實的0 ℃溫度層位于亮帶附近，利用亮帶的位置可以粗略地檢驗微波輻射計反演的0 ℃層高度的合理性，進而說明其反演溫度廓線的準確性，此外利用L 波段探空數(shù)據(jù)可以對特定時刻的溫度廓線進行定量分析。

結(jié)合圖1a 和圖1f 的反射率因子和地面雨強可以看出，該時段發(fā)生了較長時間的連續(xù)性降水，微波輻射計斜路徑觀測時的零度層高度與亮帶位置基本重合，且在整個降水時段沒有明顯的變化；而天頂觀測時的零度層高度受降水影響較為明顯，隨著降水的開始，其零度層高度有一個明顯增大的趨勢，表明其反演的溫度偏高，且連續(xù)降水時其與斜路徑觀測時的高度偏差維持在1.0~1.5 km的不穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖2a~2c 發(fā)現(xiàn)微波輻射計兩種探測模式反演的溫度與探空的相關(guān)關(guān)系較好，但天頂觀測反演的溫度偏差最大可超過4.6 ℃，斜路徑觀測的偏差明顯小于天頂觀測，說明降水導致天頂觀測反演的溫度出現(xiàn)明顯誤差。

3.1.2 液態(tài)水路徑（LWP）

液態(tài)水路徑表示了某一時刻空中總的液態(tài)水含量。如圖1a，微波輻射計兩種探測模式反演的LWP 變化趨勢較為一致，相關(guān)系數(shù)為0.85，表明兩者的相關(guān)性較好。兩種探測模式所反演LWP 的極值總是位于回波強度整體較強的降水時刻，且隨著回波強度的整體強弱變化而增大或減小，當雷達回波整體上較強的時刻，在不考慮冰相粒子對回波貢獻的情況下此時云中所含的液滴粒子濃度或尺寸相對較大，理論上其所含的液態(tài)水含量也是較大的，這與微波輻射計所反演的LWP 較為符合；此外，微波輻射計兩種探測模式反演LWP的差異主要體現(xiàn)在回波較強的降水時刻，表現(xiàn)為天頂觀測遠大于斜路徑觀測。

3.1.3 液態(tài)水含量（LWC）

圖1b 和圖1c 分別給出了微波輻射計兩種探測模式下反演的LWC、ILWC 和ZH，其中ILWC 是指微波輻射計反演的LWC 垂直積分得到，表示的物理意義是單位面積上總的液態(tài)水含量，與LWP所表述的物理意義是一致的，而LWP 是微波輻射計直接反演得到的一個確定的值，因為微波輻射計的LWP和ILWC(LWC)的反演原理是不一樣的，目的是利用LWP 驗證ILWC(LWC)隨時間的變化趨勢。

圖1 微波輻射計兩種探測模式反演產(chǎn)品對比

可以發(fā)現(xiàn)微波輻射計兩種探測模式下反演的LWC 存在明顯差別。（1）LWC 值的大小存在明顯差別，在選取的個例時段內(nèi)斜路徑反演的LWC 最大值為1.282 g/m3，而在04:30 雷達回波發(fā)生明顯衰減的強降水時刻天頂反演最大值達到13.302 g/m3，兩者差值達到了一個數(shù)量級。（2）斜路徑反演LWC 的空間分布與云雷達回波隨時間變化較為一致，天頂反演LWC 與云雷達回波的空間分布對應較差，LWC 主要分布在垂直高度3~6 km 范圍內(nèi)且與雷達回波存在區(qū)域以及強度差異較大。（3）ILWC 隨時間變化的差異較大，尤其是在較為明顯的階段性降水及其前后時段，在較強的降水后，理論上空中的液態(tài)水含量應當隨著雷達回波的減弱而減小，但在所選取的個例時段內(nèi)，天頂反演的ILWC存在多處雨后激增的現(xiàn)象，且增加的液態(tài)水主要分布于3~6 km 的無回波或弱回波區(qū)域，其原因可能是降水結(jié)束后附著在天線罩上的水膜導致微波輻射計探測亮溫出現(xiàn)偏差致使反演LWC 出現(xiàn)明顯誤差，且反演LWC 時使用了微波輻射計多個通道的亮溫，所以對于微波輻射計反演LWC誤差分析的不確定性將增大。

3.4.4 相對濕度（RH）

圖1d 和圖1e 分別為斜路徑和天頂反演的相對濕度-時間高度圖，結(jié)合圖2d~2f 三個時次的微波輻射計與探空相對相關(guān)性和偏差分析，發(fā)現(xiàn)微波輻射計斜路徑明顯優(yōu)于天頂反演。斜路徑反演的相對濕度能大致反映出云體的變化，尤其是在混合云降水及其前后時段相對濕度的大值區(qū)與雷達回波表現(xiàn)出的云體隨時間的變化趨勢較為一致；天頂反演結(jié)果則存在明顯不足，相對濕度所反映的云體變化與雷達回波的差別較大，尤其是在幾個明顯降水時段之間的弱降水或非降水時段，具體表現(xiàn)為2~4 km 的中層相對濕度明顯偏小，在存在雷達回波的區(qū)域其相對濕度小于60%，結(jié)合L波段探空的相對濕度，發(fā)現(xiàn)在2~4 km 的相對濕度都介于80%~95%之間，兩者的偏差可達30%，而在8 km 以上的高層無雷達回波區(qū)域存在相對濕度為100%的情況是極不合理的，與探空的偏差接近100%。此外，在04:30左右的強降水時刻，在4~6 km 區(qū)間內(nèi)存在相對濕度小于40%的情況與理論不符。

圖2 2019年5月8日07:15（a、d）、13:15（b、e）和19:15（c、f）L波段探空與微波輻射計反演的溫度(a~c)和相對濕度(d~f)

3.2 兩種探測設(shè)備反演液態(tài)水路徑（LWP）對比分析

為定量分析兩種探測設(shè)備在反演液態(tài)水路徑上的差異，此部分利用了單波段云雷達反演的LWP 與微波輻射計直接反演結(jié)果對比分析。表4給出了云雷達反演的液態(tài)水路徑（CR LWP）與微波輻射計兩種探測模式下反演的液態(tài)水路徑（MWR LWP）之間的相關(guān)系數(shù)（CC）和偏差（Bias）；圖3 給出了部分時段兩種探測設(shè)備反演的LWP 隨時間的具體變化趨勢。從表4 可以發(fā)現(xiàn)兩種探測設(shè)備反演LWP 的相關(guān)性較好，不同的經(jīng)驗關(guān)系反演結(jié)果有明顯差別，其中利用Krasnov 等[7]和Liu[8]的經(jīng)驗關(guān)系反演的CR LWP 與MWR LWP的相關(guān)性更高；而利用Baedi 的經(jīng)驗關(guān)系[6]反演結(jié)果的偏差要明顯低于 Krasnov 等[7]和 Liu 等[8]，這種小的偏差不能代表其反演結(jié)果就好，可能是在發(fā)生明顯降水時兩種探測設(shè)備誤差相綜合的結(jié)果；如圖3 發(fā)現(xiàn)Baedi 反演結(jié)果在絕多數(shù)情況下是大于MWR 的，其原因可能是Baedi 的關(guān)系式[6]是在發(fā)生毛毛雨的條件下擬合得到的，此時大多數(shù)云滴粒子尺寸小，回波強度低，液態(tài)水含量高，當在這種條件下擬合得到的經(jīng)驗公式應用于存在明顯的降水條件下時，因云滴粒子直徑與反射率因子成六次方關(guān)系，而與液態(tài)水含量成三次方關(guān)系，所以當雨滴粒子足夠大時，利用Baedi的經(jīng)驗關(guān)系反演的CR LWP就會明顯偏大。

圖3 2019年5月8日兩種探測設(shè)備反演LWP隨時間變化趨勢

表4 CR LWP與MWR LWP的相關(guān)系數(shù)（CC）和偏差（Bias）

進一步分析CR LWP 與MWR LWP 隨回波強度的變化，如圖4 給出了兩種探測設(shè)備反演的LWP 之比與垂直方向平均回波強度的關(guān)系，其中CR LWP 選取了Krasnov 等[7]反演結(jié)果。發(fā)現(xiàn)該比值隨著平均回波強度增大而增大，當平均回波強度大于0 dBZ時則出現(xiàn)比值大于1的情況，表明兩種探測設(shè)備反演的LWP 隨時間變化非常一致，但CR LWP 與平均回波強度有明顯相關(guān)，回波強度比較大時出現(xiàn)LWP 的高估，這與探測理論是一致的。主要原因是Z與粒子直徑的六次方成正比，LWC 與粒子直徑的三次方成正比。此外，斜路徑觀測時該比值大值區(qū)明顯大于在天頂觀測時，這種差別主要體現(xiàn)在平均回波強度為0~30 dBZ 時，說明較強的降水會導致微波輻射計天頂觀測明顯大于斜路徑觀測反演的LWP。

圖4 兩種探測設(shè)備反演LWP之比與平均回波強度的關(guān)系

3.3 兩種探測設(shè)備反演液態(tài)水含量（LWC）對比分析

3.3.1 不同高度層LWC的相關(guān)性分析

在混合云降水中，云雷達探測到的云回波在不同高度區(qū)間往往有不同的表現(xiàn)形式，其微物理性質(zhì)存在較大的差別。當云回波在0 ℃層以上時由冰晶和過冷水以及兩者的混合物組成，過冷水相較于冰晶其粒子半徑較小而數(shù)密度較大；當云回波位于0 ℃層以下且云底高度以上時，由于在此高度區(qū)間內(nèi)云滴下落過程中不斷發(fā)生碰并融合，往往包含了云滴粒子與雨滴粒子；云底高度以下往往由全部為直徑較大的雨滴粒子組成。由于液態(tài)水在不同高度區(qū)間表現(xiàn)出來的云微物理性質(zhì)不同，利用微波輻射計的斜路徑觀測反演的0 ℃層高度和云底高度將垂直高度0~10 km 區(qū)分為三個高度層：地面至云底高度區(qū)間為底層雨水層，云底高度至0 ℃層高度區(qū)間為中層云水層，0 ℃層至10 km 高度區(qū)間為上層過冷水層。可以分析兩種探測設(shè)備在三個高度層內(nèi)反演的LWC 的區(qū)別以及相關(guān)性，云雷達利用了單波段反演結(jié)果，微波輻射計則使用了斜路徑反演數(shù)據(jù)。此外，本文只對比分析了云雷達與微波輻射計反演同時存在液態(tài)水含量的情況。

圖5 給出了單波段云雷達利用Krasnov 的經(jīng)驗關(guān)系[7]反演結(jié)果（CR LWC）與微波輻射計斜路徑觀測反演結(jié)果(MWR LWC)在三個高度區(qū)間內(nèi)的散點密度圖、相關(guān)系數(shù)（CC）和偏差（Bias）以及所對應的雷達回波強度分布。如圖5a~5c 可以發(fā)現(xiàn)兩種探測設(shè)備反演的LWC 在三個高度區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性都很差，其中云水層兩者相關(guān)性相對較好，相關(guān)系數(shù)為0.4，底層雨水層和上層過冷水層相關(guān)性都明顯低于中層，可能是因為雨水層受雨滴影響較大而過冷水層受冰晶影響導致兩者反演出現(xiàn)偏差。兩種探測設(shè)備反演的LWC 之間存在明顯的偏差，正的偏差表示云雷達大于微波輻射計，云水層的偏差明顯大于雨水層和過冷水層，因為云水層包含了融化層，融化層內(nèi)反射率因子明顯增大可能導致這種大的偏差，此外云水層內(nèi)粒子含有融化、碰并和分解等多種微物理過程，致使云水層內(nèi)粒子的微物理性質(zhì)變得復雜，因云雷達反射率因子Z的大小在某種程度上只能描述云滴尺寸而不能有效表征液態(tài)水含量的多少，利用反射率因子Z反演結(jié)果就會出現(xiàn)誤差。在云水層和雨水層的散點密度的大值區(qū)主要落在中心線附近，但隨著兩者反演LWC 值的增大或減小，兩種探測設(shè)備反演結(jié)果的差異明顯增大，結(jié)合圖5e~5f可以發(fā)現(xiàn)導致這種差異大的原因是在云雷達反射率因子小于-10 dBZ時其反演LWC明顯小于微波輻射計，而當反射率因子大于20 dBZ 時其多數(shù)情況下云雷達反演的LWC都大于微波輻射計。

圖5 不同高度層CR LWC與MWR LWC的散點圖、相關(guān)系數(shù)（CC）和偏差（Bias）

3.3.2 不同時段的廓線分析

圖6 給出了兩種探測設(shè)備反演的4 種LWC 廓線，包含了微波輻射計斜路徑、單波段云雷達兩種經(jīng)驗關(guān)系和雙波段云雷達DWSZ 方法反演結(jié)果，圖6a和6b分別表示5月8日13:13—13:23和13:45—13:55 兩個時段LWC 的平均廓線，所選取的兩個時段內(nèi)云雷達回波相對較強且隨時間變化均勻。（1）利用云雷達三種方法反演的LWC 廓線在兩個時段都較為一致，其中云雷達DWSZ 方法反演LWC 表現(xiàn)為從地面至1 km 遞增，隨后向上遞減；單波段云雷達兩種降水的經(jīng)驗關(guān)系反演差別很大，但變化趨勢一致，與DWSZ 方法反演結(jié)果存在明顯差別，主要體現(xiàn)在1 km 高度以上沒有明顯的遞減，而是在融化層以上迅速遞減。（2）微波輻射計在兩個時段反演的LWC 廓線則存在明顯的差異，其中13:45—13:55 時段微波輻射計反演結(jié)果在2~6 km 存在明顯的豐水區(qū)且遠大于第一個時段，假定雷達探測準確的情況下表明微波輻射計反演結(jié)果極不穩(wěn)定，或者說微波輻射計能探測到雷達所不能探測到的液態(tài)水。（3）排除融化層云雷達經(jīng)驗關(guān)系反演結(jié)果與微波輻射計變化趨勢較為一致，尤其是所選取的第一個時段利用Liu 等[8]的經(jīng)驗關(guān)系反演結(jié)果；雙波段云雷達DWSZ 方法反演結(jié)果與微波輻射計差異主要體現(xiàn)在垂直高度1 km 至融化層底，微波輻射計反演結(jié)果表現(xiàn)為一個增大的趨勢，而DWSZ 方法反演結(jié)果與之相反。造成這種差別的原因可能是DWSZ 方法受雨滴和大云滴的影響比較大，對于1 km 以上的小云滴云雷達的兩個波段沒有探測出明顯差異，通常云內(nèi)小云滴數(shù)濃度時隨著高度增加而增加的，所以反演的液態(tài)水含量隨高度遞減，與微波輻射計的偏差變大。

圖6 兩種探測設(shè)備反演的LWC廓線

4 結(jié)論與討論

本 文 選 取 了 2019 年 4 月 27 日 和 2019 年 5 月08日兩個降水個例，結(jié)合5月8日云雷達的反射因子和L 波段探空對微波輻射計在兩種探測模式下反演產(chǎn)品進行了初步分析；對微波輻射計反演得到的液態(tài)水路徑與云雷達雨天經(jīng)驗關(guān)系計算得到的液態(tài)水路徑進行了相關(guān)性和偏差分析；利用了微波輻射計的零度層溫度和云底高度將垂直方向分為雨水、云水和過冷水三個高度層，分別對各層內(nèi)兩種探測設(shè)備反演的液態(tài)水含量做相關(guān)性和偏差分析，隨后對比分析了兩個時段兩種探測設(shè)備分別反演的液態(tài)水含量廓線，探討了兩種探測設(shè)備反演液態(tài)水含量的差別。主要結(jié)論如下。

（1）微波輻射計兩種探測模式分別反演的LWP與云雷達回波強度的整體相關(guān)性較好；MWR兩種探測模式分別反演的T、RH 和LWC 垂直廓線，其中斜路徑觀測模式受降水影響較小，其反演結(jié)果明顯優(yōu)于天頂觀測，可用于降水情況下，溫度、濕度和LWC等探測。

（2）兩種探測設(shè)備反演的LWP隨時間變化非常一致，但CR LWP 與平均回波強度有明顯相關(guān)，隨著雷達回波強度的增大，CR LWP 與MWR LWP 之比越大，這可能與云雷達采用的LWC-Z關(guān)系隨反射率因子Z變化有關(guān)。

（3）兩種探測設(shè)備反演的LWC在垂直方向的空間分布的相關(guān)性較差且存在明顯偏差，其中云水層相關(guān)性較好但偏差最大，這可能和云水層內(nèi)包含融化、碰并和分解等復雜的微物理過程有關(guān)；兩種探測設(shè)備反演的LWC 廓線存在差異，表現(xiàn)單波段云雷達反演LWC 與微波輻射計隨高度變化較為一致，但雙波段云雷達反演結(jié)果在1 km 以上逐漸減小，這可能與云雷達的兩個波段對于探測小的云滴差別較小有關(guān)。

云雷達作為一種主動遙感設(shè)備，其回波強度可以反應云的垂直結(jié)構(gòu)變化，但利用LWC-Z關(guān)系反演LWC 時隨云的相態(tài)和滴譜分布等變化容易出現(xiàn)誤差；而微波輻射計作為一種被動遙感設(shè)備，其理論上不受這些因素所干擾，但反演的LWC 由于算法的影響導致其影響因子較多，尤其是在天線罩著水時其反演LWC 效果一直存在爭議。由于云雷達與微波輻射計在探測反演原理上根本性的不同，導致兩者反演結(jié)果存在差異的不確定性進一步增大，本文只是針對這兩種探測設(shè)備在有降水時的反演結(jié)果做了客觀性分析，并針對其差異做了可能性的解釋。在進后的工作計劃中，希望未來再組織有飛機的觀測試驗，并用飛機觀測作為真值來做進一步分析。