世界上首次用实测数据反演W和Ka波段的融化层衰减

电磁波在大气中传输时会经历一定的信号衰减。当波长较长时（例如S波段），云雨造成的衰减往往可以忽略不计。然而，当波长减小到毫米量级，信号衰减逐渐明显。其中，冰晶对W和Ka波段信号造成的衰减往往很低，降雨造成的衰减可通过已知的雨滴谱分布进行估计。

融化层虽然在空间尺度上只有几百米，但在毫米波段引起的电磁信号衰减可达到雨衰的量级。如图1所示，融化层衰减对地基和星载雷达的反演均有显著影响。

2. 研究背景

1）目前，估计融化层的信号衰减有2种途径：数值模拟和实验观测。

2）2008年Matrosov用数值模拟的方法估计了W, Ka和X波段的融化层衰减，并给出了融化层衰减和雨强之间的关系式。该研究虽然被后续工作广泛采用，但迄今为止没有被观测验证过。

3）实验观测的方法可以分为两种：

第一种是2018年日本Nakamura等提出的两台Ka波段的雷达（一台山上，一台山下）相互对准，然后估计融化层衰减。但该套装置受地域影响较大，且只进行了可行性实验，没有后续工作发表。更关键的是，该研究没有回答一个雷达反演的关键问题：融化层衰减与雨强的关系。

第二种是利用多波段雷达之间的差分吸收特性估计强衰减频段的信号衰减量。该方法不受地域限制，可操作性较好。麦吉尔大学的Bellon等用垂直指向的X波段雷达和UHF风廓线雷达的反射率因子数据估计了X波段的融化层衰减。

4）基于反射率因子数据的差分衰减方法虽然简单易行，但是在毫米波段并不适用。因为大多数雨滴和雪晶在毫米波段并不满足Rayleigh散射的条件。基于此，我们提出在雷达速度谱上寻找满足Rayleigh散射的小粒子。该方法的思路如图2。

3. 研究方法

如图3所示。

4. 结果与讨论

1）如图4所示，该工作首次实现了W和Ka波段融化层衰减的定量反演，验证了Matrosov对毫米波段融化层衰减的模拟结果。

2）如图5所示，对比雨中和融化层中的电磁波衰减，我们发现了有趣的现象。即在雨强特别大的时候，单位距离的融化层衰减和雨衰接近，但在小雨时，融化层衰减比雨衰强得多。

Tips: 近期介绍的这四篇论文是笔者博士期间的主要工作。欢迎对云物理和雷达气象学感兴趣的老师和同学批评指正，期待能一起交流和讨论。

本文相关文章“Melting Layer Attenuation at Ka- and W-Bands as Derived From Multifrequency Radar Doppler Spectra Observations”发表于JGR: Atmospheres。第一作者李浩然博士（haoran.li@helsinki.fi）毕业于赫尔辛基大学，合作作者为赫尔辛基大学Dmitri Moisseev教授。

原文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JD030316

https://www.researchgate.net/publication/334824089_Melting_Layer_Attenuation_at_Ka-_and_W-Bands_as_Derived_From_Multifrequency_Radar_Doppler_Spectra_Observations