当45度仰望天空时，除了心中剪不断的万缕思绪，绝大部分时间你还会观察到飘在天空中奇形怪状的各种云。在这万千种的云里，有一种云堪称云中的姚明。
这一类云，不仅仅能上窜到十几公里、深入平流层，还能够给地面带来各种剧烈的天气现象，比如短时强降水、雷暴、冰雹，甚至龙卷。这种云便是本文研究的对象，深对流（deep convection）。
图1 大涡模式模拟的深对流三维结构
（Garrett et al., 2018）
面对这云中的高人，你是否会进一步思考，它由何构成、云中的水滴冰滴有多少、亦或者世界的另一端是否有这一样的云？今天我们就将利用全球首颗星载双波段降水雷达（DPR）对深对流做一个CT扫描，来回答这些问题。
DPR的成像
DPR能够在Ku和Ka两个微波波段进行主动遥感观测，当卫星发射的雷达波束与深对流中的不同直径粒子相会时，两个波段所发生的散射过程有所差异，使得雷达接收的散射信号有所差异。图2展示了一个深对流系统的剖面图，在DPR的观测中，我们可以根据雷达回波所达到的高度定义深对流。这里采用Ku波段20 dBZ回波顶最大高度在10 km以上作为标准。在这个例子中，可以看见Ku和Ka波段对深对流的成像具有很大的差异。Ku波段的波长更长，能够在深对流中穿透更深的距离，Ka波段波长短，在深对流的上层快速地衰减。在箭头所示的像素点中，Ka波段的回波强度在10 km高度附近便开始出现快速的衰减。
图2 DPR双波段对深对流的成像
深对流来得快、去得也快，在没有地面雷达观测的地区以及人烟稀少的地区很难捕捉到它的存在。而利用DPR的观测，我们可以捕捉到全球范围内的深对流。
图3 利用DPR观测到的全球范围内深对流的分布
（2014年3月至2017年2月）
DPR成像信息的提取
前文提到，Ku波段和Ka波段遇到粒子的时候散射特征有差异（DFR）。研究中发现DFR与深对流的强度具有高度的相关性。同时，利用DFR可以对粒子的直径进行更精确的反演计算，同时也能够对粒子的数浓度与冰水含量进行反演计算。在这个研究中，利用Ku和Ka两个波段的回波信息，结合QuickBeam辐射传输模式建立了查算表，从而可以使用Ku和DFR的值直接获取冰粒子的平均直径、冰粒子的数目和冰水含量（图4）。
图4 利用Ku波段雷达回波和DFR对平均直径、冰粒子的数目和冰水含量计算的查算表
利用该查算表，我们可以提取深对流中的三个微物理参数。如图5所示，在深对流12 km高度上，三个不同的参数具有明显的区域差异，比如陆地上的直径大于海洋上，中纬度地区的直径大于低纬度区域。这也意味着，当你在不同地方观察深对流时，所观察到的云内部具有明显的差异。
图5 深对流中12 km高度位置，平均直径、冰粒子的数目和冰水含量中值的分布
类似图5，可以观察到10 km、11 km、13 km等不同高度上这些参数的全球分布，从而得到深对流的微物理参数三维特征，这样我们就完成了利用DPR对深对流的CT扫描。
参考文献 >
该研究第一作者为西南大学倪相副教授，合作者包括德州农工大学Corpus Christi分校Chuntao Liu教授，犹他大学Edward Zipser教授。论文采用了GPM的双波段降水雷达的观测研究了全球深对流系统的分布和微物理特性。研究着重讨论深对流系统中对流高度最高的观测点，即深对流核（Deep Convection Core, DCC），提取Ku与Ka波段在DCC的观测，定义Ku与Ka波段的差异为双频比（Dual Frequency Ratio，DFR）。结论表明，DFR的值与对流的强度特征显著相关。利用QuickBeam辐射模式建立的查算表，对DCC中10 km以上区间的微物理特性进行了计算，结果表明了不同区域DCC上层的微物理参数差异明显，这解释了不同区域对流特征的差异。比如非洲中部和热带大陆区域相比，两个区域DCC数目是接近的，但非洲中部的DCC中，冰粒子具有更大的直径、更多的冰水含量，却有更少的冰粒子数目。该研究有助于我们理解全球对流系统的结构、强度的区域差异。
