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。     

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。     

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。     

偏振雷达探测小椭球粒子群LDR的雷达气象方程

双线偏振雷达探测小椭球粒子群时,雷达单发双收或交替发射。在粒子旋转轴呈某一取向时,要获得定义为RLD_(vh)或RLD_(hv)这个物理量,必须先建立Z_(vh)及Z_(hv)的雷达气象方程,并需重新定义相应的雷达反射率因子。本文推导出了能反演Z_(vh)及Z_(hv)的雷达气象方程,并模拟了具有Gamma谱分布的扁椭球粒子群在空间均匀取向时的LDR的变化情况。     

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。     

双基地偏振雷达探测时小旋转椭球雨滴的侧向散射特性

从旋转椭球粒子散射理论出发,给出单个小旋转椭球雨滴在入射不同偏振波时的散射函数,并对其在不同仰角情况的数学图形和物理意义做了讨论,为推导基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程、研究椭球雨滴群对双基地线偏振雷达探测能力的影响、处理和分析双基地偏振雷达资料,提供了理论依据.     

C波段双线偏振雷达退偏振因子的应用潜力

退偏振因子是双线偏振雷达可以获得的一个很重要的云不的物理量。从理论上计算了液态和简单的冰相降水粒子对空间取向和尺度大小等因素的关系。     

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。     

用双线偏振雷达研究云内粒子相态及尺度的空间分布

本文用中国科学院兰州高原大气物理研究所平凉雷达站的Ｃ波段双线偏振雷达的层状云、对流云的观测资料，结合不同粒子的生长规律及对Ｃ波段雷达波的散射特性的研究，用ＺＤＲ参量系统分析并解释了层状云、对流云内粒子相态及尺度的空间分布规律。从中发现：在发展旺盛的对流云中ＺＤＲ＞３．０ｄＢ的区域经常会延伸到４ｋｍ以上，这些区域可能存在过冷水滴和扁状冰相粒子，而这些粒子的存在与对流云的发展有一定的关系。零度层以下层状云ＺＤＲ的突增和实减反映了冰相粒子融化形成大雨滴然后大雨滴破碎的规律。冰雹云中负的ＺＤＲ与冰雹的取向和尺度有关。这一工作代表了中国双线偏振雷达最新研究成果，它证明了双线偏振雷达在研究云微物理机制方面优于普通雷达，双线偏振雷达为研究云的发展机制、人工影响天气指挥及效果检验提供了新的手段，这一结果也为该技术在中国的推广提供了有利的依据。     

双偏振多普勒天气雷达差分反射率因子的测量误差

针对同时发射、同时接收体制双偏振多普勒天气雷达,论述了测量差分反射率因子时雷达应满足的基本要求,提出了测量差分反射率因子时能够引入误差的3类因素,即雷达测量基本要求不满足、接收机噪声和散射粒子相对运动引起的回波功率起伏、云雨目标对水平极化波和垂直极化波衰减的不同,并分别对影响差分反射率因子测量误差的各种因素及其影响程度,进行了深入研究和分析.     

双线偏振多普勒雷达测量降水

文章介绍了双线偏振多普勒雷达相对于常规多普勒雷达的一些技术特点，常用偏振参数的含义以及这些偏振参数间的联系，偏振参数与降水粒子物理性质和降水强度间的关系，以此来说明可用偏振参数阈值对降水粒子进行分类，进而求取降水率。     

双线偏振雷达识别冰雹的数值研究

利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云模式,详细地讨论了云雨衰减作用和云中各粒子共存于同一空间给双线偏振雷达识别冰雹带来的影响.在实际工作中,分析双线偏振雷达的回波时,这些讨论结果对分析和理解云降水过程有帮助.另外,本工作能为改装双线偏振雷达提供有益的理论参考.     

双基地雷达系统探测椭球雨滴群时主站仰角对探测性能的影响

为了提高双基地偏振雷达的探测精度,从旋转椭球粒子散射和衰减的理论出发,推导出基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程,并利用此方程探讨了旋转椭球雨滴群一致垂直取向情况下,主站雷达发射仰角、目标粒子群位置等因素对双基地偏振雷达探测能力的影响程度.结果表明,随着仰角的抬高,几何因子值和两种偏振状态下的回波功率比均出现了高值区和低值区面积减少的变化特征;散射截面因子值也随着仰角的抬高在水平偏振时增加,垂直偏振时减少.     

双线偏振雷达产品生成软件系统研究

该项目的目的是以我国新一代天气雷达为工作平台,开发一套利用双线偏振雷达探测物理量,高精度反演降水强度、降水总量、液态含水量和识别冰雹区、过冷水区、降雨区、降雪区、降雹降雨混合区等的软件系统。 双线偏振雷达是继多普勒雷达技术后,将在我国逐步推广的雷达探测技术。在我国新一代多普勒天气雷达系统上增加双线偏振功能后,可以直接探测到与降水粒子的微物理特征有关的差分反射率因子、退偏振因子、差相移、零延迟交叉信号的相关系数等物理量。双线偏振雷达可以改善雷达估测降水的能力,有效识别降水粒子的相态和大小,在人工影响天气、灾害性天气的监测和预警、水库和城市水源的管理、航空等领域有很大应用潜力。     

3836C波段双线偏振多普勒雷达及其在一次降水过程中的应用研究

该文介绍了2004年完成的在北京市气象局升级改造后的3836C波段双线偏振多普勒雷达的技术状况, 并通过对2004年11月9日北京地区一次大范围层状云降水观测资料的分析, 讨论了其探测资料的质量情况和对降水粒子的探测性能, 同时还根据零度层亮带内不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了一种利用双线偏振雷达观测资料识别零度层亮带的方法, 并利用该雷达的观测资料对识别结果做分析检验, 最后讨论了零度层亮带内各种降水粒子相态的变化规律。研究结果表明:除线性退极化比L_DR未作分析外, 3836雷达探测到的这次降雨过程的分析结果与国外双线偏振雷达的研究结果相似, 其对降水粒子相态结构的反映比较有效合理。建立的零度层亮带识别模式合理, 识别得到的结果能反映零度层亮带的特征。通过对零度层亮带内各偏振参数的变化特点分析, 从双偏振雷达测量参数的角度解释了“零度层亮带”现象的形成是由于在零度层以下的冰相粒子融化成大雨滴然后再裂碎为小雨滴, 从而造成在该层内水平偏振反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR先增大后减小、水平/垂直偏振波零延迟相关系数ρ_hv (0) 先减小后增大的规律。     

双线偏振天气雷达工作的十年总结

本文回顾了我所十年来双线偏振天气雷达工作，系统总结了双线偏振天气雷达在识别云中粒子相态、识别冰雹区、定量测量降雨强度及在水文领域应用等方面的研究成果，以供我国广大天气雷达气象工作者参考。在此基础上，对我们的工作进行了展望。     

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.     

双基地多普勒天气雷达探测能力分析

双基地多普勒天气雷达系统是由一个常规多普勒天气雷达和一个或多个远程被动低增益接收机共同组成,是大气风场探测领域的新技术之一。文中首先在瑞利散射假设的前提下,考虑了雷达波的偏振方向、散射体的空间位置等条件,推导了小球形粒子散射函数在双基地雷达系统中的表达形式,建立了双基地雷达气象方程,并将该方程应用于双基地雷达的探测能力、有效探测范围等方面分析,模拟计算了侧向散射能力和被动雷达回波功率在空间的分布变化,为探讨去除旁瓣影响提供了依据。通过分析证明了双基地雷达系统工作状态垂直偏振优于水平偏振的结论。在入射波为水平偏振情况下,高空探测好于低空,而垂直偏振情况则是低空的散射能力强。如果采用双线偏振发射体制,根据需要采用不同的偏振波组合,能够有效扩大双基地探测的范围和信息量。在水平偏振情况下较强回波区域在基线附近和被动雷达一侧的基线延长线周围。由于侧向散射强度低于后向散射强度,双基地雷达对于弱天气回波不太敏感,它的探测范围小于单基地雷达的探测范围。在双基地雷达探测中旁瓣污染是一个不容忽视的问题。文中对双基地雷达参数进行了模拟回波强度计算,并与实测回波资料进行了比较,两者较一致,存在差别的重要原因可能是被动接收天线的垂直变化影响。     

雨区衰减和雷达取样误差对713型双线偏振雷达测量精度的影响

为了确定713型双线偏振雷达的探测精度,本文利用电磁波的矩阵传播法计算了考虑椭球形雨滴在不同空间取向下,雨区衰减对713型双线偏振雷达的可测量反射率因子Z_H、差反射率因子Z_(DR)的影响。并利用已有的统计理论讨论了该雷达的取样误差,为实际雷达改装工作提供了依据。     

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。