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。      

球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和DDA法理论计算，分别获得了球锥扁椭球形冰粒对3.2、5.6和10.7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明，测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸（等容半径）而且受其形状影响，“差反射率雷因子ZDR”与粒子形状参数“水平-垂直尺度比”呈很好的线性正相关。这是利用双偏振雷达探测识别球锥扁椭球形冰雹的依据。     

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。     

分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

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。     

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.     

降雨强度,雨区衰减与双线偏振雷达观测量关系的研究

本文为了改装双线偏振雷达的需要,用扩展边界条件法计算了椭球形雨滴的后向散射截面、衰减截面及吸收截面,得出了任意谱参数情况下,可能产生的散射强度及差反射率因子Z_(DR)值的大小。给出了降雨强度、衰减系数和双线偏振雷达观测量间的关系。为双线偏振雷达定量测量降雨工作及讨论雨区对雷达波衰减打下了基础。     

X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究

X波段双偏振雷达观测参数能够完成雨滴谱反演,但是由于X波段雷达波长较短,降水观测时存在较大的衰减,本文采用自适应约束算法进行反射率和差分反射的衰减订正。通过对雨滴模型的散射模拟以及对雨滴谱进行Gamma谱拟合,建立了雨滴谱参数与双偏振雷达目标参数之间的函数关系和雨滴谱参数相互之间的关系,用于进行雨滴谱反演。将雨衰减订正前后的雷达目标参数进行雨滴谱反演并与实测雨滴谱进行对比,结果表明,所建立的X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法能够较好地反演雨滴谱,并且经过订正后反演得到的雨滴谱在浓度、尺度和谱形上都优于订正前的反演结果,通过对距离高度扫描和平面位置扫描数据进行雨滴谱反演,可以得到雨滴谱参数的垂直结构和水平分布,可用以进行降水分析。     

94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:（1）双波长比可以反映小到0.1 mm中值尺度的冰粒子,对粒子总数、谱的形状参数不敏感,对粒子大小、形状、云衰减较敏感。（2）雷达灵敏度一定时,星载雷达可测云厚与雷达波长、冰含水量（IWC）的垂直分布、云厚及衰减有关;没有进行衰减订正时,双波长比和衰减有关,冰含水量越大,波长越短,衰减越大,双波长比最大值与可探测云厚有关。两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m3、厚2 km的冰云;当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3时,云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。（3）如果两部雷达气象方程中用水的介电因子,测量回波强度应进行介电因子的订正后再计算双波长比。      

椭球雨滴群旋转轴取向对双线偏振多普勒雷达参量影响的计算分析

以椭球粒子的电磁波散射理论为基础, 主要研究椭球雨滴群旋转轴在空间的取向特征, 建立粒子旋转轴空间取向与风场、 雷达天线仰角间的关系。在考虑粒子传输效应的情况下, 分析了旋转轴取向对双线偏振雷达探测参数ZDR和LDR的影响, 为提高双线偏振多普勒天气雷达观测资料的精度提供了理论依据。     

A numerical study of the effects of cloud droplets on the diffusional growth of snow crystals

We studied the effect of supercooled cloud droplets on the diffusional growth rate of isolated ice plates and ice columns by approximating the shape of a plate as an oblate spheroid and a column as a prolate spheroid. This work is an extension of the pioneering work of Marshall and Palmer [Marshall, J.S. and Langleben, M.P., A theory of snow-crystal habit and growth, J. Met., 11, 104–120, 1954] who studied the influence of cloud droplets on the growth rate of spherical ice crystals. The vapour density field for oblate and prolate spheroids was obtained by solving Helmholtz's equation with the assumption that the vapour at the ice surface had the equilibrium value. As result, it was possible to calculate separately the temporal evolution of the axis length and the mass of the snow crystals.The results indicate that the presence of cloud droplets around the snow crystal can increase by around 10% of the ice growth rate relative to an environment free of cloud droplets. The magnitude of the growth enhancement is proportional to the liquid water content. The results also corroborate the importance of the shape and aspect ratio on the crystal growth. A general mass growth rate equation for diffusional growth was found, which incorporates effects of cloud droplets and crystal shape through the size and aspect ratio of the snow crystal.     

X波段双线极化雷达差分反射率的衰减订正

同时发射水平和垂直极化电磁波的双线极化雷达,能同时获取两个通道的反射率和相位.使用极化雷达极化分集的物理基础是降水粒子在下落过程中总是呈现扁椭球形状,在平衡时,降水粒子椭率与其体积有关,差分反射率就是衡量粒子椭率大小的物理量.但是由于水平和垂直方向的差异,导致了这两个方向的衰减出现差异,进而导致差分反射率不能真实地反映粒子的椭率大小,所以必须进行衰减订正.本文使用实际雷达回波资料,利用反射率和差分反射率之间的约束关系,同时考虑了探测仰角对差分反射率的影响,通过统计拟合的方法,确定了差分衰减与差分传播相移之间的关系.在此基础上,比较了一次层状云个例的两个比较均匀降水区域在订正前后的差异.结果表明,雷达RHI、PPI图像在订正前后发生了明显的变化,差分反射率与反射率之间的关系得到改善,说明这种订正方法的可行性和实用性.这种使用实际雷达资料本身的约束关系进行订正的方法,可以灵活地根据不同的雷达、不同的地点、不同的天气环境统计相应的订正参数,因此避免了诸如温度等的变化对订正参数的影响,具有较好的实际应用前景.     

用C波段双线偏振雷达研究冰雹云

本文计算了不同相态、不同形状的降水粒子对5.6cm,10.7cm雷达波的散射特性,并利用降水粒子散射特性及云雨雷达回波的Z_(DR)特征并结合地面降雹情况,分析并解释了1990年8月9日和8月30日甘肃省平凉两次雹暴过程的雷达RHI资料.我们推测:Z_(DR)值为负值的区域相应于降雹区,ZDR负值与大扁冰雹和小锥状冰雹关系密切;而雨区Z_(DR)具有较大正值,雨区大于5dB的Z_(DR)由直径D>0.5cm的雨滴所致.利用冰雹区和雨区Z_(DR)信息的不同可能识别降水粒子的相态.C波段双线偏振雷达和10cm波长雷达相比有独到之处:雨区Z_(DR)值较大,而冰雹区Z_(DR)值又较小,这更有利于研究云雨相态和空间结构.可以预期双线偏振雷达对防雹工作及云物理研究工作是有很大帮助的.     

椭球雨滴群旋转轴呈正态分布情况时雷达反射率因子的修正

推导出了在云降水粒子群为小旋转椭球水滴群、椭球旋转轴呈正态分布、云降水粒子谱为M-P分布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。为新一代多普勒天气雷达观测资料的雨滴形状和分布特征订正、提高降水测量精度提供了理论依据和方法。     

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。     

微波辐射计观测同降水相关性的研究

利用南阳站微波辐射计反演产品数据,结合L波段探空、多普勒天气雷达和地面雨量等资料,分析了2017年6月4—5日南阳地区一次降水过程中水汽与液态水变化特征,并对2017年6—8月不同降水条件下该地区的水汽与液态水总含量进行了统计。结果表明:微波辐射计反演的产品数据较准确,可靠性较强,可应用于日常业务工作和科研中。降水开始前,水汽总含量与液态水总含量明显增加,随着降水减弱结束,水汽总含量与液态水总含量减少。利用这一现象,可以将水汽和液态水的变化作为选择人工影响天气作业最佳时机的辅助判别条件。对比同时刻、同位置的雷达和微波辐射计资料发现,水汽总含量和液态水总含量跃增时对应较强雷达回波。水汽总含量达到5 cm、液态水总含量达到1 mm,可以作为判断南阳地区夏季降水开始的参考值。