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使用全球降水测量的卫星数据进行中尺度对流系统的研究

章节 · 2017 1月

DOI: 10.1007/978-3-319-35095-0_30

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2 authors:

Dimitris Mitropoulos Haralambos Feidas

塞萨洛尼基亚里斯多德大学 亚里士多德塞萨洛尼基大学

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使用全球降水测量卫星数据研究中尺度对流系统

D. Mitropoulos1, H. Feidas1*

1 塞拉利尼亚亚里士多德大学地质学院气象与气候学系54124希腊

*对应作者电子邮件：hfeidas@geo.auth.gr

摘要 本研究的主要目的是探讨使用的潜力 全球降水测量（GPM）任务卫星提供的数据，以更好地了解对流系统的结构和动力学，以中尺度对流系统（MCS）为例，在希腊中部和爱琴海北部地区开发的 2015年6月18日.GPM数据可以表示对流云和云微物理学的三维结构。 结果表明，GPM核心卫星可以通过区分固体与液体沉淀和层状降水对流来提供对流系统内各种雨水特征的有用信息。 它也能够区分云层熔化层的高度和宽度以及MCS内的液滴尺寸分布。

1介绍

极端天气对现代社会在人力和经济损失方面都有很大的影响。这种极端天气通常是中尺度对流系统（MCS），它是一种大型对流系统，具有大量降雨和冰雹，伴随着阵风（Houze，1993）。这种系统可能会对日常生活造成负面影响，如洪水泛滥，作物损害，对运输/通信行业的严重影响。

可以通过被动辐射计监测MCS的发展，例如Meteosat第二代（MSG）上的SEVIRI，它感测来自云顶的辐射。然而，对于对流云单元的内部结构，不能提供任何信息。来自地面雷达的有源传感器可以通过云层看到，但不能覆盖广泛的地区，如人口稠密地区或像海洋这样的大型水体。 由NASA和JAXA开发的全球降水测量任务（GPM）核心卫星以及其包含的其他卫星正是试图用一套主动和被动传感器来解决这些问题的（Hou et al。，2014）。

本研究的目的是检查GPM核心观测卫星上的新产品，并专门研究这些产品在进一步研究中东地区对流系统和MCSs的结构和微物理特性的方面的潜力。

2数据和方法

核心观测卫星于2014年2月由NASA和JAXA发射，是GPM任务的基础。从核心观测卫星收集的数据作为统一降水测量与其他研究和作战卫星的参考标准。核心卫星每天进行一次或两次通过，并使用两种科学仪器提供即时的雨雪措施：

（a）GPM微波成像仪（GMI）是一种无源传感器，可捕获表面的降水强度。它使用13个不同的微波通道来观察不同类型的降水通过云排放的能量，以估计雨量 - 从重到轻的雨 - 并检测下降的雪。

（b）双频降水雷达（DPR）是一种主动传感器，它提供了云系统内不同高度的这些粒子反射的微波能量衍生的沉淀粒子的三维信息。它的工作频率分别为Ka波段（35.55 GHz）和Ku波段（13.6 GHz）两种频率，允许雷达推断降水粒子的大小，并提供对风暴物理特性的洞察。 Ka波段频率在78英里（125公里）的地区扫描，并且嵌套在158波长（254公里）的Ku波段频率的较宽扫描范围内。

本研究中使用的GPM数据是针对2005年6月18日在爱琴海北部地区发生的MCS的案例研究。起初，Ku波段雷达的反射率数据被用于5 km x的分辨率5公里x 0.25公里，以三维可视化MCS的对流单体。该频率（13.6 GHz）是检测强降雨率的理想选择，这是由于衰减衰减和返回光束的适当波长（lambda;= 22mm）。另外，使用两个雷达（Ku和Ka波段）之间的差分衰减方法（Meneghini等人1992）（图1），云系统的液滴尺寸分布是可以确定的。后者可用于提取参数，如云液体含水量，到达地面的降水类型，亮带的检测及其宽度以及与单频方法相比较好的降雨率估计值TRMM。此外，GPM微波成像仪（GMI）和双降水雷达（DPR）仪器的耦合使得对流系统的顶部高度的获取变得可行，将重点放在具有令人满意的细节的过冲顶部。

本研究中使用的数据采用HDF5的形式，对于操纵大型和复杂的数据非常有用，并由NASA的“STORM”平台（https://storm.pps.eosdis.nasa.gov）下载。此外，HDF5数据是用美国航空航天局的程序THOR（高分辨率观察评估的工具）和Panoply进行处理的。

3 对2015年6月18日个例的应用

3.1 GMI和DPR产品

无源微波辐射计（如GMI）的结果不能给出对流系统的3D细节，但能够对降雨率和总可降水（TPW）进行非常好的估计（图2）。

降雨率（图1a）显示了由于表面强度降雨（gt; 10 mm / hr）引起的多个对流单体的模式。从TPW数据可以看出，具有最高潜力的区域产生较高量的积水（图1b）。例如，预计在Thermaikos海湾（爱琴海北部）地区会出现较高的雨量（约35毫米）。

创新的双频雷达产生了许多有趣的产品，如对流电池的三维图像（图3），亮带雷达回波的深度（图4a），附近的可沉淀水的相位表面（图4b）和风暴顶部高度（图5a）。 MCS的横截面显示主要对流单体的反射率和在3400米（冻结水平T = 0℃）附近的亮带的出现（图5b）。滴滴尺寸分布特征如可沉淀颗粒的直径及其在一定体积空气中的浓度如图6所示。

亮带的检测是非常重要的，因为它表明冰晶体（雪）开始融化并逐渐改变为水滴的熔融层。没有检测到明亮的波段不可能评估表面和上部空气附近的雪和雨的位置（图4a）。

另外，通过将3-D图像（图3）与风暴顶部高度（图5a中的红色区域）组合，可以检测MCS的过冲顶部。该信息对于检测最严重的单体也是非常有用的。横截面对于MCS微物理学及其强度的研究非常重要（图6）。在图5b示出了在冰点水平附近的水平高反射率，其表示亮带区域。、

图1 DPR概念的双频测量降水（JAXA，NICT）。

图2 （a）降雨量（mm / h） （b）总体可降水量（mm）超过MCS。

图 3.（a）和（b）从两个不同角度的雷达扫描的每个级别的反射率数据对MCS的三维描绘。 紫色和红色分别显示大于20 dBZ和45 dBZ的反射率，表明单体的核心和可能的强烈的上升气流。 绿色显示高度8公里，黄色显示10.5公里高度。

图4.（a）明亮带深度在3400m附近。 紫色表示检测算法的误差值 （b）达到表面时可沉淀水的相位。

图5. （a）云顶高度（米） （b）黑线表示的冰冻水平的反射率横截面。

图6 （a）平均质量加权液滴直径（mm） （b）标准液滴浓度/ m3 mm。

图7 （a）云液体含水量，以克/ m3计 （b）可降水量，以克/ m3计。

图8 （a）降水类型。 蓝色是层状雨，黄色是对流的，红色是未分类（其他）的雨 （b）降雨量（mm / hr）。

如图6a所示，可以看出，最大的滴（高反射率）位于图5所示的四个单体中的两个中。 从图6b中可以看出，另外两个单体不包含反射与第一个相同数量的雷达能量的大滴。

3.2组合产品（DPR和GMI）

组合产品通过GMI辐射计和DPR雷达的耦合而成。 它们的组合提供了更好的降雨率估计，同时提供如云液体含水量（CLW）（图7a）和可沉淀含水量（PWC）的高度的微物理特性（图7b）。 最终产品是降水（对流或层状降雨）的类型（图8）。 在图 8a其他降水类型可能是暖雨，因为分类方法使用不存在于暖云（gt; 0oC）中的亮带的检测。

最后，主要用于操作目的的最有用的产品是降雨率积（图8b）。 降雨率显示出对流单体的正面图案，似乎是一个小飑线。 这个假设与弧形线上的降雨率一致，恰好大于20mm / h。

4.结论

本案例研究的结果表明了GPM核心观测卫星产品监测和分析MCS的复杂结构和微物理学的潜力。 GPM 核心卫星数据产品最具创意的功能有：

1.检测亮带

2.滴粒度分布产物如可沉淀颗粒的直径和浓度，云液含水量和可降水含量，

3.对流单体的三维描述

4.表面附近的降水类型。

参考

Houghton JT, Ding Y, Griggs DJ, Noguer M, van der Linden PJ, Dai X, Maskell K, Johnson CA,