双线偏振雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

推导出了双线偏振雷达探测小椭球粒子群时,粒子旋转轴一致铅直取向和在空间均匀随机取向的两种情况下,雷达分别发射水平偏振波和垂直偏振波时的雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子。      

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/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.     

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。     

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。     

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.     

双线偏振雷达资料在数值模式中的应用: 模拟器的构建

基于Rayleigh-Gans散射原理构造一个S波段双线偏振雷达模拟器。模拟器考虑了云冰、雪、雨和雹4种水凝物,以水凝物的混合比和数浓度以及水凝物粒子的轴比、相对介电常数、下落倾角为输入量,计算得到水平/垂直偏振反射率因子、差分反射率、比差分相位等偏振量。通过二维理想飑线模拟的试验结果表明,模拟器合理地再现了二维理想飑线系统成熟期的主要偏振特征:雹的反射率较高,差分反射率较低(又称Zdr洞);对流云区的Zdr柱;层云区的反射率和比差分相位的0℃层亮带特征;雨滴反射率与差分反射率因子的“雨线”统计特征。利用该模拟器建立了模式变量和偏振雷达观测的联系,有助于未来将偏振雷达观测资料应用于模式预报效果评估及对流尺度资料同化等方面的研究和应用。      

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。     

基于飞机观测资料的降水粒子反射率因子阈值分析

降水粒子对云的生消和演化有非常重要的影响。毫米波雷达适合观测非降水云和弱降水云。利用毫米波雷达数据判断云内降水粒子生成与否有很高的实用价值。本文利用飞机观测的云滴谱数据计算云的反射率因子。将其与雷达探测值进行比对,发现两者有较好的一致性。因此利用滴谱计算的降水粒子反射率因子阈值可以作为雷达判断降水粒子生成的指标。通过分析滴谱计算云滴和降水粒子的反射率因子的概率密度函数可以得到用于区分云滴和降水粒子的反射率因子阈值。通常,云滴的反射率因子不超过-5dBz,降水粒子的反射率因子高于-20dBz,-15~-12dBz可作为判断降水粒子出现的阈值。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

强烈雹暴三体散射的多普勒天气雷达分析

该文从干冰球和水球的散射特征出发, 分析了强烈雹暴三体散射的多普勒天气雷达基本反射率因子的形成机制, 讨论了影响三体散射观测的主要因素; 利用连云港CINRAD/SA天气雷达资料, 对2004年6月26日发生在连云港市境内的一次大冰雹过程的三体散射特征进行了详细分析, 并对三体散射在业务上的应用进行了探讨。结果表明:产生三体散射的反射率因子区强度超过60 dBz, 三体散射的反射率因子值小于18 dBz, 长度通常小于14 km; 径向速度整体上为朝向雷达的低值, 谱宽很大, 可达13 m/s以上; 首次观测到三体散射后, 可立即预报有大冰雹将降落到下游地区, 提前量在20 min以上, 这些结果为利用三体散射预报冰雹提供了新的线索。     

Comparison of Precipitation Observations from a Prototype Space-based Cloud Radar and Ground-based Radars

A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars.     

任意基线雷达反射率因子垂直剖面生成算法

该文提出了一种基于雷达体扫资料的任意基线雷达反射率因子垂直剖面的生成算法。在计算雷达反射率因子垂直剖面上的格点在雷达极坐标中的仰角、方位和斜距位置后, 采用径向、方位上的最近邻居和垂直方向的线性内插相结合的客观分析方法得到格点上的反射率因子分析值。在垂直线性内插时分别用dBZ值和Z值 (单位: mm6/m3) 进行插值。结果表明:用该方法得到的雷达反射率因子垂直剖面从回波强度和空间位置来看都是合理的; 当采用垂直线性内插时, 用dBZ值插值比用Z值插值得到的雷达反射率因子垂直剖面在空间分布上更连续, 反射率因子分析值总体上更接近观测值; 低仰角的插值效果比高仰角的好。     

ANALYSIS AND CASE STUDY ON THE GENERATION OF RADAR ECHO BRIGHT BAND

In this study, the vertical profiles of radar refractive factor (Z) observed with an X-band Doppler radar in Jurong on July 13, 2012 in different periods of a stratiform cloud precipitation process were simulated using the SimRAD software, and the contributions of each impact resulting in the bright band were analyzed quantitatively. In the simulation, the parameters inputted into SimRAD were updated until the output Z profile was nearly consistent with the observation. The input parameters were then deemed to reflect real conditions of the cloud and precipitation. The results showed that a wider (narrower) and brighter (darker) bright band corresponded to a larger (smaller) amount, wider (narrower) vertical distribution, and larger (smaller) mean diameter of melting particles in the melting layer. Besides this, radar reflectivity factors under the wider (narrower) melting layer were lager (smaller). This may be contributed to the adequate growth of larger rain drops in the upper melting layer. Sensitivity experiments of the generation of the radar bright band showed that a drastic increasing of the complex refractive index due to melting led to the largest impact, making the radar reflectivity factor increase by about 15 dBZ. Fragmentation of large particles was the second most important influence, making the value decrease by 10 dBZ. The collision–coalescence between melting particles, volumetric shrinking due to melting, and the falling speed of raindrops made the radar reflectivity factor change by about 3–7 dBZ. Shape transformation from spheres to oblate ellipsoids resulted in only a slight increase in the radar reflectivity factors (about 0.2 dBZ), which might be due to the fact that there are few large particles in stratiform cloud.     

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.     

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。     

利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究

新一代天气雷达很多位于地形复杂的山区,地形遮挡形成观测盲区,严重影响了新一代天气雷达数据的应用效果。利用基于高分辨率地形数据计算的波束遮挡信息,依据反射率因子垂直廓线,由高仰角无遮挡的反射率因子观测数据得到低仰角完全遮挡区的数据。以杭州雷达为例,通过直接对比反射率因子值和对比填补前后雷达估算降水效果两种途径检验了填补效果,结果表明：填补与观测“真值”有很好的一致性,填补后降水估算效果优于填补前。本文提出一种填补低仰角完全遮挡区的方法,适用于均匀性降水系统。