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。     

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水(冰)椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法(EBCM)计算出相应的理论值，用Mie公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。     

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。     

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。      

粒子边缘粘连对0℃层亮带雷达反射率因子的影响分析

针对云中粒子在融化、并合过程中的粘连现象对0℃层亮带的影响分析,利用离散偶极子近似算法(DDA)计算融化过程中两个大小相同的球形粒子在雷达发射波偏振方向上发生粘连后的散射特性,以两个等体积融化球为例,它们在雷达发射波偏振方向上发生粘连时的总后向散射截面σDDA,并与同体积融合球的后向散射截面σmieequal比较。结果表明:(1)在等体积直径较小时,σDDA/σmieequal≥1.5,随着等体积直径的变大,σDDA/σmieequal会减小趋向于1,甚至会1;(2)在同样的等体积直径处,σDDA/σmieequal随着融化程度的加深而增大,在谐振区可出现减小。引入"粘连概率p"参数刻画粘连影响,并应用于含有0℃层亮带的层状云的雷达反射率因子的定量模拟试验。结果表明,在粒子融化、并合过程中,在雷达发射波偏振方向上的粘连,可以有效地增大雷达反射率因子、使亮带现象更加突出。     

旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式研究

利用DDA(Discrete Dipole Approximation)算法产生的旋转扁椭球水滴散射特征数据进行了多项式拟合,以3.2mm波长为例,给出了两种偏振状态下后向散射和衰减效率的快速算式。对比分析了快速算式结果和DDA数据的独立样本,结果表明,快算结果的绝对相对误差在5%以内,而耗时仅用DDA算法产生这些数据所用时间的10-6量级。所得结果可直接用于云降水区含扁椭球形水滴情况下的雷达回波模拟、雷达资料定量处理和毫米波雷达的衰减订正等,此方法还可用于其他波长、形状的水滴和冰晶。     

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.     

小旋转椭球粒子群的微波散射特性

文中从不同方向线性偏振的入射波对小旋转椭球状降水粒子极化产生的散射出发 ,推导出散射能流密度函数 ,以及降水粒子群旋转轴处于不同状态下的散射截面 ,得出散射截面随降水粒子相态和入射波波长变化的一些曲线 ,其结果可供遥感反演计算使用。     

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。     

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。     

太赫兹频段雷达探测的冰云微物理参数反演算法模拟研究

在假设冰云粒子呈球形以及粒子谱服从对数正态分布的条件下,利用离散偶极子近似法(DDA),计算出太赫兹频段(220 GHz)冰云粒子的雷达反射率因子,及其与瑞利假设下雷达反射率因子的比值。忽略衰减和多次散射的影响,根据太赫兹波段冰云的雷达反射率因子,基于最优估计理论反演冰云的微物理参数,并验证该算法的可靠性。反演结果表明,当冰云粒子大小在设定的尺度范围内时,有效粒子半径(r_e)的反演误差小于4%,粒子谱宽(σ)的误差小于2.5%、粒子数密度(N_T)的误差小于1%,冰水含量(IWC)的误差小于5%。还分析了当N_T和σ为定值时,反演结果随粒子尺寸的变化情况,当冰云粒子尺寸在模拟计算设定的范围内时,r_e的反演误差小于0.04%,σ的反演误差小于0.02%,N_T的反演误差小于0.50%,IWC的反演误差小于0.08%,如果冰云粒子大小超出模拟计算设置的范围,反演误差随着r_e增加而增大。该结果证明了基于最优估计理论反演得到的冰云微物理参数与模拟设定值有良好的一致性,说明该方法可应用于太赫兹频段云雷达的冰云观测及云微物理参数的反演和研究。      

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.     

Calculation on the light scattering function of hexagonal ice crystals

Hexagonal ice crystal is a basic form of the particles in cirrus. The emphasis in this paper is on discussing the computational results of scattering phase matrices for infrared absorptive band by making use of the model developed by the authors. Comparisons have been made between infrared and visible light as well as between hexagonal columns and plates and equivalent spheriods and spheres. It is found that the effects of light absorption on phase function may cause the decreases of scattering energy in side direction and the directions near backscattering, and weaken halo and rainbow peaks which are induced by the refractions and internal reflections. There is a general agreement in the phase functions for ice crystals with different shapes. However, the scattering intensity in side direction for spheres and in backward and backside directions for spheroids is weaker as compared with hexagons. It is believed that these features would, doubtless, have influences on the detection of cirrus by laser and radiation transfer in the atmosphere.     

对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究

针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。     

近红外波段凝结核性质对雨滴散射特性的影响

用M ie散射理论,在已知大气气溶胶粒子的折射率基础上,计算并讨论大气气溶胶以及在其上凝结形成的雨滴的散射相函数、散射效率因子等散射特性。结果表明,对流层中气溶胶粒子的散射能力依次为水滴,冰晶,海洋性粒子,沙尘性粒子,水溶性粒子,煤烟。对于在可溶性核上凝结形成的雨滴,海洋性核的散射能力强于水溶性核的散射能力。由不可溶性核凝结形成雨滴的散射能力依次为煤烟核、冰晶核和沙尘性核。纯水雨滴的散射能力介于沙尘性核和冰晶核之间,强于海洋性核。该结论可以为光学测雨仪器在不同地区条件下的参数设置提供依据。     

Microphysical and radiative properties of mixed-phase altocumulus: A model evaluation of glaciation effects

Using a cloud model with explicit microphysics and radiation, we evaluate the microphysical changes in a supercooled liquid altocumulus cloud with increasing ice content, until glaciation occurs. The properties of the ice and water particle constituents are resolved independently, revealing the relative radiative contributions from the water phase source cloud versus the ice phase virga. Cloud contents are also converted to millimeter-wave radar reflectivities to shed light on the ability of such radars to study these ubiquitous clouds. The results show that the radiative and radar backscattering properties of mixed-phase clouds are dominated by the cloud droplets and ice crystals they contain, respectively.     

双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究北大核心

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。     

气溶胶散射相函数的单站观测研究

利用2014年夏季在河北饶阳开展的“华北区域光化学立体试验”观测得到气溶胶辐射特性,根据三波长角散射浊度仪Aurora 4000测量获取的前向角散射系数（10°~90°）和后向散射系数,提出了一种基于浊度仪直接测量的气溶胶角散射系数和改进的HG相函数近似获取气溶胶散射相函数、不对称因子的拟合估算方法。分析了2014年6月16日—8月18日夏季观测试验期间河北饶阳地区大气气溶胶细粒子（PM_2.5）在635 nm,525 nm,450 nm 3个波段的不对称因子、相函数等的变化特征。结果表明:用改进的HG相函数近似能够较好地拟合河北饶阳实际观测的PM_2.5的气溶胶散射相函数。拟合得到河北饶阳地区观测期间干气溶胶细粒子在3个波段的平均不对称因子（g）分别为0.53±0.04（635 nm）,0.57±0.05（525 nm）和0.57±0.07（450 nm）。