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基于S波段雙偏振雷達反演和雨滴譜儀觀測的浙江地區降水微物理特征研究
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中國氣象局氣象能力提升聯合研究專項(22NLTSY007)、浙江省自然科學基金聯合基金資助項目(LZJMZ24D050009)、浙江省科技廳重大社會公益專項(2022C03150)資助


Precipitation Microphysics Characterised by Polarimetric Radar and Disdrometer Observations in Northern Zhejiang Province
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    摘要:

    本文利用六部激光雨滴譜儀與兩部S波段雙偏振雷達觀測數據,分析了浙北地區2022年3—10月暖季降水微物理特征,并評估了雷達反演體積中值直徑D0和截距參數Nw的精度。結果表明:①浙北降雨D0Nw均值分別為1.0 mm和104.3m-3·mm-1,呈現以高濃度小雨滴為主的暖云降水特征?;诮涤曷?i>R均值與標準差可有效區分層狀云(雨滴譜窄,R<10 mm·h-1,D0<1.0 mm)和對流云(雨滴譜拓寬,RD0均值分別為19 mm·h-1和1.8 mm)降水。②T矩陣散射模擬的S波段雷達參量(反射率Z、水平反射率Zh、差分反射率ZDR和差分傳播相移率Kdp)與實際觀測一致,驗證了散射模型的適用性,并構建了D0ZDR)和D0Zh/Nw)的反演關系,二者的理論反演偏差分別為-0.005 mm和0.029 mm。③六次降雨過程檢驗反演關系精度表明嘉興S波段雙偏振雷達對D0Nw(相關系數0.536,偏差-0.395 m3·mm-1,均方根誤差0.819 mm)的反演精度均優于杭州S波段雙偏振雷達。本研究為浙江地區雙偏振雷達反演降水微物理參數提供了科學依據,未來需進一步優化模型以提升反演精度。

    Abstract:

    This study systematically investigates the microphysical characteristics of warm-season precipitation over northern Zhejiang Province, China, based on comprehensive observations from six laser precipitation monitors (LPMs) and two S-band dual-polarisation weather radars (HZ-SPOL and JX-SPOL) collected between March and October 2022. In addition, the performance of dual-polarisation radar retrievals of raindrop size distribution (DSD) parameters, specifically the mass-weighted mean diameter (D0) and the normalised intercept parameter (Nw) of the gamma distribution, is quantitatively evaluated. The results reveal the following: (1) Precipitation in the northern Zhejiang region is predominantly characterised by high concentrations of small raindrops, with an average D0 of 1.0 mm and a mean Nw of 104.3m-3·mm-1, exhibiting typical features of warm-cloud precipitation. A classification approach based on the statistical properties (mean and standard deviation) of rainfall rate effectively discriminates between stratiform and convective precipitation. Stratiform precipitation shows relatively narrow DSDs and low spatial variability across sites, with low rainfall intensity (R<10 mm·h-1) and smaller drop sizes (D0 <1.0 mm). In contrast, convective precipitation exhibits significantly broader spectra, with D0 and average R values reaching up to 1.8 mm and 19 mm·h-1, respectively, and displays much greater spatial heterogeneity. Medium-sized raindrops (1.0-2.0 mm) contribute the largest fraction (33.4%) to total rainfall accumulation, while larger drops (D0 >2.5 mm), though relatively infrequent, still account for 10.3% of total rainfall volume. (2) Simulated polarimetric variables at S-band—reflectivity (Z), differential reflectivity (ZDR), and specific differential phase (Kdp)—calculated using a T-matrix scattering model based on local DSDs, show good agreement with actual radar observations, validating the applicability and robustness of the scattering model in the region. Retrieval relationships for D0 and Nw are established using the localised DSD dataset. Sensitivity analysis indicates that D0 is primarily influenced by ZDR, with a negligible bias of -0.005 mm, while Nw is influenced by both Z and ZDR and exhibits larger variability, with a mean bias of 0.029 m-3·mm-1. (3) Validation is carried out using six precipitation events observed at Changxing in 2023, comparing retrievals from two radars: Jiaxing (JX-SPOL) and Hangzhou (HZ-SPOL). The JX-SPOL retrievals of D0 show better agreement with LPM measurements, with a mean bias of 0.087 mm and RMSE of 0.418 mm, outperforming HZ-SPOL (bias -0.195 mm, RMSE 0.444 mm). For Nw, JX-SPOL yields a higher correlation coefficient (0.536) compared to HZ-SPOL (0.199), and the absolute deviation and RMSE (HZ-SPOL 1.046 m-3·mm-1 and JX-SPOL 0.819 m-3·mm-1) are relatively close, although systematic biases remain: JX-SPOL tends to underestimate by 0.395 m-3·mm-1, whereas HZ-SPOL overestimates by 0.494 m-3·mm-1. Overall, this study provides a scientific basis for improving dual-polarisation radar retrievals of precipitation microphysics in Zhejiang Province. The findings highlight the importance of localised DSD datasets in optimising retrieval algorithms and emphasise the need for further validation efforts using diverse precipitation events and multi-site observations to enhance the accuracy, stability, and generalisability of radar-based microphysical retrieval techniques.

    參考文獻
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    引證文獻
引用本文

陳昊,羅麗,陳亮,汪章維,崔雪東,王晗,沈吉.基于S波段雙偏振雷達反演和雨滴譜儀觀測的浙江地區降水微物理特征研究[J].氣象科技,2025,53(5):719~737

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  • 收稿日期:2025-01-13
  • 定稿日期:2025-07-28
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  • 在線發布日期: 2025-10-30
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