基于时域有限差分法的雪花粒子群多次散射研究

为精确利用雷达回波反演雪花粒子的微物理参数,建立满足指数分布的非球形雪花粒子群模型,在94GHz频率下利用XFDTD软件计算电磁波不同入射方向下粒子群的后向散射截面,并与简单相加作比较,结果表明:同一入射方向下,粒子群多次散射效应下的后向散射截面均大于简单相加的结果;不同入射方向下,粒子群的后向散射截面表现出很大的差异。因此雷达实际探测中必须考虑多次散射和入射电磁波的方向。     

扁椭球雨滴后向散射的Gans理论和T矩阵差异对雷达探测释义的影响

非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。      

双极化天气雷达方程

在回转椭球状降水粒子的假设下求出了降水粒子的散射截面，并且考虑了粒子轴线铅垂和随机取向两种的典型情况，推导了极化雷达的回波方程以及降雨量公式。     

双/多基地天气雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

首先导出小椭球散射的方向函数及侧向散射截面的表达式。然后,考虑发射水平偏振波与垂直偏振波这两种情况下,当小椭球粒子群旋转轴作一致铅直取向和在空间作均匀随机取向时,分别建立适用于双/多基地雷达接收子站的雷达气象方程。主要结果为:(1)当入射波以不同的仰角及方位角射到旋转轴任意取向的椭球上时,会在椭球的3个轴上产生不同的极化电偶极矩分量,使小椭球散射方向函数不仅与散射方向有关,还与天线和粒子两个直角坐标之间的配置情况有关。(2)无论入射波偏振方式是水平还是垂直,小椭球粒子的总侧向散射截面恒是散射波在该方向上造成的侧向散射截面之和。(3)双基地雷达气象方程与单基地雷达气象方程比较,其差别在于侧向散射截面与后向散射截面的不同,另外,有效照射体积不同,子站与单基地站天线方向性函数不同,使双基地雷达气象方程中多出与双基地角有关的一个因子。(4)主站天线辐射在半功率点内不论均匀与否,双基地雷达气象方程中的侧向散射截面均代表总的侧向散射截面且依赖入射波偏振方式。(5)给出了小椭球群旋转轴一致铅直取向情况下的双基地雷达气象方程,这些方程与入射波偏振方式、主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。入射波为垂直偏振时一致铅直取向的椭球群的侧向散射截面可能由包含铅直分量在内的3个正交分量组成。这具体依赖于主站天线仰角。但入射波为水平偏振时到达子站天线处的回波功率与主站天线仰角无关。(6)给出了小椭球群旋转轴在空间无规则取向时的双基地雷达气象方程,这些方程与主站天线仰角、入射波偏振方式等无关,但与主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。     

双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力

首先给出小椭球粒子侧向和后向散射截面的表达式,将其中相关参数用双基地雷达坐标系中的量表示,在定义小椭球粒子侧向散射能力后,分别推导出发射水平与垂直偏振波条件下估算侧向散射能力的算式,并通过仿真计算,获得各高度上的侧向散射能力和分布情况.得出的主要结果为:(1)发射水平偏振波时,在低高度的等高面上,当离开基线垂直向上或向下距离增加时,侧向散射能力先逐渐变小到最小值后,再逐渐增大.在基线左、右的延线上也基本呈这种分布,仅在主站与子站的垂直方向上存在侧向散射能力的最低区域.随着等高面高度升高,侧向散射能力分布情况基本相似,仅子站上下的弱侧向散射值有所提高.(2)发射垂直偏振波时,在低高度水平面上无论被探测的扁旋转椭球粒子处在该平面上(除主站与子站张培昌等:双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力.     

基于S波段双偏振雷达资料的降水粒子类型识别算法及应用

基于质量控制的S波段双偏振雷达格点化观测数据,利用模糊逻辑算法,结合降雨粒子散射和空间取向等特征建立了降水粒子类型识别算法,用于分析降水过程中降水粒子的空间分布情况及粒子类型的演变过程。该算法可以将降水粒子分为液态、冰态、混合态等不同种类,有助于发现影响降水多寡的云微物理关键结构。首先根据不同降水粒子的雷达回波特性得到隶属函数,其次根据不同雷达观测变量在判别粒子类型时的贡献不同,确定每个观测值对应的隶属函数值的权重,对各个函数值进行加权平均后,得到不同粒子类型对应的逻辑值。最后进行集成和退模糊化处理,选出每个格点中逻辑值的最大值,认为该值所代表的粒子类型即为该格点所代表的粒子类型。在确定观测值对应的隶属函数值的权重时,水平反射率因子和环境温度作为计算粒子类型的直接影响因子,不再进行加权平均计算,提出了基于S波段双偏振雷达参量和环境温度的降水粒子类型识别算法。通过华南前汛期一次降水过程,利用雷达观测降水资料,验证了该算法的合理性。验证结果表明,反演所得的"雨"类型的分布特征与实际观测降水的分布特征基本一致,证明该算法可以反映降水区域的粒子类型,识别结果基本合理。进一步研究发现在降水发生之前,空中存在大量"毛毛雨"类型的粒子,在降水发生时毛毛雨和雨粒子的变化呈负相关性,表明此次降水主要由毛毛雨碰并产生雨粒子并降落地面产生。     

利用实验资料检验扁椭球形雨滴和冰粒后向散射DDA算法

简要介绍了DDA法理论，并根据后向散射截面测量实验所选用的扁椭球形粒子，运用DDA法计算了它们在微波段，电磁波垂直于粒子旋转轴入射情况下的后向散射截面。经过对比，DDA法计算结果与实验测量资料一致性较好。同时评价了DDA算法计算的特点，分析了扁椭球雨滴和冰粒的后向散射特性并描述了实验测量技术。     

冰雹云降水过程中微波亮温的变化特征

通过冰雹云模式模拟的一次冰雹云降水过程中降水粒子廓线和微波辐射传输模式结合,分析了冰雹云发展的不同阶段的微物理含量垂直结构变化及其对微波亮温的影响,得到以下几点结论:1)如果微波通道受到降水粒子散射和辐射的共同作用,如降水云早期的85 GHz亮温,成熟期的19 GHz亮温及消散期的37 GHz亮温,由于辐射和散射信息互相抵消,致使亮温随雨强的变化较复杂,这些通道亮温和雨强的相关性明显降低,不宜被用来反演地面雨强。2)根据19 GHz亮温随地面雨强或冰相粒子柱含量的改变,可以大致确定降雨云的不同阶段:在发展阶段,主要是降雨层以上的冰相粒子,尤其霰粒影响19 GHz亮温,致使其亮温与冰相粒子柱含量具有较好的负相关,而与地面雨强相关性较差;在成熟阶段,主要受雨水上层逐渐增加的辐射和冰相粒子散射共同作用,使得19GHz亮温与地面雨强和冰相粒子柱含量的相关性都不太好;在消散阶段,19 GHz亮温主要受较强的雨水辐射影响,与地面雨强和冰相粒子柱含量均有着较高的正相关。3)37 GHz是相对比较稳定的通道,其亮温与地面雨强有较好的线性关系,尤其与冰相粒子柱含量相关性更好,因此是反演地面雨强和冰相粒子柱含量的最佳通道。85 GHz亮温对降雨云体的中高层结构较为敏感,使得其亮温随地面雨强增加而降低的变化比较离散,不如37 GHz的集中。     

球形粒子毫米波k-Z关系研究

由于毫米波更接近云粒子尺度,毫米波雷达越来越多地被用来探测云粒子及尺度较小的降水粒子.但是,在使用毫米波雷达探测时,要考虑云和降水粒子散射和吸收以及大气气体吸收所造成的衰减.结合毫米波测云雷达数据处理的实际需要,研究云中衰减系数k与雷达反射率因子Z的关系.假设粒子为小球形,云、雨滴谱分别服从K-M分布和Γ分布,通过模拟...     

非球形气溶胶粒子散射特性及其等效Mie散射误差分析

为分析形状对气溶胶粒子散射特性的影响,采用T矩阵法计算了0.633μm波段(自然光)不同种类、形状的气溶胶单粒子与体散射的散射相函数,并讨论了气溶胶粒子形状畸变与等效Mie散射误差的变化规律。结果表明:粒子形状畸变对气溶胶粒子散射能量空间分布影响较大。对于单粒子,各散射角上的等效Mie散射误差并不随粒子形状畸变程度单调变化。从相对误差量级上看,形状畸变对180°散射的影响强于0°,对35°的散射影响相对较弱。对于两种非球形粒子等效方法,等表面积法优于等体积法。不同类型的非球形气溶胶粒子体散射存在显著差异,沙尘性与海洋性的等效Mie散射误差明显大于煤烟性与可溶性粒子;对于同一种气溶胶,形状的改变对侧向与后向散射影响显著,对前向散射影响不大。     

小旋转椭球粒子群的微波衰减特性

从计算任意形状粒子的衰减截面普遍公式出发 ,推导出了小旋转椭球粒子群旋转轴处于不同状态时的衰减截面函数表达式 ,并计算分析各种状态下衰减截面随降水粒子相态、形状和入射波波长的变化特征 ,所得结果可用于降水微波遥感。     

Single scattering from frozen hydrometeors at microwave frequencies

Scattering of electromagnetic waves from homogeneous or coated spheres can be computed in a mathematically exact way using the Mie theory. Therefore, for many approaches in remote sensing, frozen hydrometeors are parameterized as ice spheres. However, many frozen hydrometeors have non-spherical overall shapes and lack a spherically symmetric internal structure. They exist in a huge variety of shapes and exhibit different mixtures of ice, water and air. Therefore it is desirable to accurately compute scattering from non-spherical particles in order to clearly understand the effect the shape of a hydrometeor has on its scattering pattern.In this study, single scattering parameters like scattering cross section, absorption cross section, and asymmetry factor were calculated for frozen hydrometeors using the Discrete Dipole Approximation (DDA). The particles were modeled as hexagonal plates, columns, needles and dendrites by applying known dimensional relationships. The calculations were carried out over a wide range of centimeter and millimeter-wavelengths (1 GHz to 300 GHz), since millimeter-wave radiometers are highly sensitive to scattering by frozen hydrometeors in the atmosphere.The study results show that for size parameters < 1 (a ratio between wavelength and particle size) the scattering cross section of randomly orientated ice crystals is close to that of an equal volume ice sphere. Absorption cross section and asymmetry factor of non-spherical particles however are up to twice as high as that of equal volume ice spheres. Further the influence of the assumed model for the refractive index of ice at microwave wavelengths on the scattering parameters is investigated.     

小旋转椭球粒子群轴趋正态分布时的衰减特性

研究小旋转椭球粒子群旋转轴的空间取向在正态分布情况下,衰减截面随分布方差、期望及波长的变化。并对结果做了讨论分析,以便为微波大气传输研究、大气微波遥感,尤其是改善天气雷达定量测量降水的精确度,提供依据。     

求解非球形大粒子光散射问题的一种简明数值计算方法

对于实际大气中传输的非偏振自然光的散射问题,所关心的散射参量通常为散射强度和线偏振度。本文通过对光子沿随机抽样人射路径的散射几率进行统计,建立了计算多粒径大粒子系统单次散射相函数及线偏振度的一种简明数值方法。对于粒子表面具有曲率的情况,该方法可以避免处理由表面曲率引入的“发散因子”。由于大气中液滴的形状一般近似为旋转扁椭球,本文也根据所建立的数值计算方法,计算和讨论了旋转扁椭球形液滴的散射相函数和线偏振度。     

小旋转椭球粒子群的微波衰减系数与雷达反射率因子之间的关系

通过模拟及取样导出了小旋转椭球粒子群旋转轴呈 3种不同取向 ,而入射电磁波分别为水平发射水平偏振波及水平发射垂直偏振波时的衰减系数与雷达反射率因子之间的关系 ,获得 3种波长的具体表达式 ,并对结果作了物理分析。所得结果可直接用于雷达定量测量降水时的衰减订正。     

旋转椭球雨滴群的雷达气象方程及测雨订正

导出了雷达发射水平偏振波时适用于旋转椭球雨滴群在三种不同取向情况下的雷达气象方程,并且重新定义了相应的雷达反射率因子,确定了在用雷达测定非球形雨滴降水时的订正系数,为提高雷达定量测量强降水的精确度提供了一种瓣的理论方法。     

降水现象对大气消光系数和能见度的影响

大气中各种粒子对大气消光系数和能见度有不同程度影响,除气溶胶粒子外,降水粒子对能见度影响也不可忽视。为了解降水粒子对能见度的影响,确定能见度变化与降水现象之间的关系,该文在分析降水粒子的大小、速度、形状、谱分布、光学特性等特征的基础上,忽略气溶胶粒子的影响,建立基于实测谱分布的降水与能见度的理论模型,讨论不同类型降雨、降雪对大气消光系数和能见度的影响。同时选取Parsivel降水粒子谱仪在南京地区的降雨和降雪观测记录,利用实测数据来对比验证本文所建立的降水-能见度理论模型。结果表明:能见度随着降水强度的增大呈指数降低;受降水粒子特性和天气条件等多种因素影响,能见度与降水强度之间的关系并不是唯一对应的;降雨和降雪对能见度的影响各不相同,相比而言,降雨对能见度的影响比较容易确定,而降雪对能见度的影响比较复杂,主要因为雪花或冰晶的类型复杂多变,对大气消光系数有不同程度的影响。结合理论分析和实测数据对比验证,降水现象对能见度的影响得到了证实。     

双基地多普勒雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

以椭球粒子的电磁波散射理论（Gans理论）为基础,考虑粒子群旋转轴一致铅直取向情况下,深入研究散射体对雷达波的侧向散射特性,推导出发射水平偏振波与垂直偏振波时的双基地雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子、侧向反射率-后向反射率之比及差分反射率因子等雷达探测参数的表示式,为进一步研究和应用双基地多普勒天气雷达提供理论依据。     

激光遥测大气消光系数的误差分析

激光遥测大气消光系数分布的主要方法,是假设大气消光系数与大气体后向散射微分截面之比值k为常数,并取激光实测的地面值,然后由解光雷达方程求得。本文将讨论由于大气气溶胶物理属性随高度变化以及大气分子散射的作用,使比值k产生相应变化,并分析由此引起大气消光系数的探测误差。