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。     

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。     

双线偏振雷达测雨公式的对比分析

以滴谱理论为基础,用模拟雨滴谱分布的方法,讨论了雨滴主普变化以及降水强度变化对双线偏振雷达测雨式的影响,分析了双线偏振雷达测雨式优于普通雷达的原因,进而对回归所得双线偏振雷达各测雨式的测雨精度进行了对比分析,提出子双线偏振雷达各测雨式中的最佳测雨式。     

双线偏振雷达测雨效果的对比分析

本文根据1993、1994年15次层状云和12次对流云降雨过程的地面降雨资料和C波段双线偏振雷达资料，对双线偏振雷达和普通雷达测量不同强度降雨的效果进行了评估和比较。结果表明，从相对误差来看，双线偏振雷达使普通雷达的小雨高估、大雨低估的测量误差趋势减弱，它对小到中雨的测量结果优于普通雷达。双线偏振雷达大雨高估的现象可能与强对流性降雨中冰相粒子的存在有关。     

C波段双线偏振雷达反射率因子的衰减订正及对降雨估测精度的改进

C波段双线偏振雷达反射率因子易受衰减的影响,为了提高降雨的准确性,需要对雷达反射率因子进行衰减订正。K_(DP)是能够用于衰减订正的一个有效因子,本文采用小波分析法对Ф_(DP)数据进行预处理,再将处理后的数据拟合得到相对准确的K_(DP)。为了验证衰减订正的效果,利用S波段雷达反射率因子作为参考,对比分析了衰减订正前后C波段双线偏振雷达反射率因子的变化,结果表明:经过衰减订正后的Z_H更接近于S波段雷达的反射率因子。在进行降雨估测时,不同方案估测降雨的差异较大,当C波段双线偏振雷达与S波段雷达均采用Z-R关系估测降雨时,S波段雷达的效果更好。当C波段双线偏振雷达采用衰减订正后的R(Z_H,K_(DP))法估测降雨时,效果优于S波段雷达的R(Z)方案。当降雨强度10 mm·h~(-1)时,雷达估测的雨量普遍低于地面雨量计的雨量,经过雨量计校准后,可以进一步提高降雨估测精度。     

双线偏振雷达的降水估测：II.误差分类分析

详细地定量地分析了降水估测中的Ｚ－Ｒ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的Ｚ－Ｒ关系之间无明显差别,ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大,双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小,Ｚ－Ｒ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可人为呈一偏差逼近０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

本文分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率 作为衰减订正的一种有效途径,以及由于 值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子 与差传播相移率 进行衰减订正的 综合法。基于同样的考虑,在随后利用 、 进行降水估测时,提出了 综合估测方法。利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得了一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明, 综合法对 、 有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求。2005年8月11日从15:08:03--22:05:46,间隔5-12分钟不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明, 综合估测法比单因子 法、 关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合。 关系法中,利用订正后的 值,比利用订正前的 值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善。     

雨区衰减及谱变化影响雷达测雨精度的数值模拟

用随机函数的方法，并假定雨滴谱为Ｇａｍｍａ分布，模拟并讨论了雨滴谱变化及雨区衰减对雷达和双线偏振雷达测雨误差的影响。结果表明：双线偏振雷达测雨精度受雨区衰减及滴谱变化的影响均小于普通雷达。雨区衰减使双线偏振雷达测雨产生小雨高估，大雨影响不大的现象，其主要原因可能是差反射率因子ＺＤＲ的测量误差。     

双线偏振雷达测量精度的统计分析与降水估测

通过对双线偏振雷达１９８８－１９９０年一些观测资料的统计分析，我们发现：空间相关系数ρＶ、时序相关系数ρＴ、差示反射率因子ＺρＲ及其均方差σＤＲ各自遵从一定的统计分布规律；σＤＲ（ｄＢ）与ρＴ之间近似呈线性负相关；选择３２对预平均处理取样模型为最佳；当ρＴ＞０．９５，预平均本数为３２时σＤＲ可降到０．２ｄＢ以下。这些结论为我们提高双线偏振雷达的性能和探讨系统的气象应用提供了依据。另外，在选择最佳采     

数字化天气雷达和双线偏振雷达的标定方法初探

数字化天气雷达定量探测的精度误差与雷达标定的误差有直接关系。特别是对于双线偏振其差反射率因子ＺＤＲ的典型值又为－３－＋５ｄＢ，而不同类型降水物的ＺＤＲ值可能仅相差十分之几分贝，因此，雷达标定的精度是至关重要的。     

差分反射率ZDR和反射率Ze测雨精度的对比分析

本文根据大量不同类型降雨的雨滴谱资料，分析了两种雷达测雨与滴尺度分布的关系，模拟计算了双线偏振雷达可测到的(R/ZH)-ZDR和常规天气雷达可测到的Z-R经验关系和它们在测量降雨率精度的对比分析。表明差分反射率ZDR对改进雷达测雨的精度有着明显的优势。     

双偏振天气雷达测雨误差及水凝物识别分析

利用北京2011年12次降雨过程的C波段双偏振天气雷达资料和自动站雨量资料,统计了不同雨强下的差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数ρhv值分布,重点对4种雷达测雨方程的测雨效果和误差进行了分析,并运用实例分析了双偏振产品在水凝物识别中的应用。得到了如下结论:①随着雨量的增强,ZDR、KDP和ρhv逐渐变大;冰雹对应的ZDR为负值,KDP比大雨大但小于暴雨;小雨到暴雨ρhv都超过0.90,冰雹的平均ρhv最小,仅为0.804。②对于4种雷达测雨方程,在小中雨时均高估了雨强,在大雨时均低估了雨强,但3种含KDP、ZDR的测雨方程比I-ZH方程的低估误差要小,在短时暴雨时,这3种方程的估测效果有明显的提高,4个方程中I-KDP-ZDR方程的估测效果最优,稳定性最好。③水凝物识别实例分析表明,利用双偏振产品可以更直接有效地判断冰雹等水凝物,能清晰地揭示出零度层亮带上下的水凝物相态并判断出零度层亮带高度。     

X波段双线极化雷达反射率的衰减订正

X波段雷达虽然其衰减较S和C波段雷达严重, 但是由于其易于移动等特点, 还在各国推广应用, 为了反演获得可靠的降水分布, X波段雷达数据需要进行衰减订正。本文提出一种基于气象目标和单位差分传播相移KDP特性的衰减订正方法。KDP由前向和后向两个分量组成, 为了计算KDP, 必须分离这两个分量以及消除其他随机噪声的影响。本文引进了一种最优化自回归数据滤波算法——卡尔曼滤波来分离这两个分量和消除其他随机噪声。这种方法效率高、实用性强, 同时可以用于其他雷达信号的处理。比较衰减订正结果, 发现使用卡尔曼滤波方法处理后的差分传播相移所进行的反射率衰减订正具有较高的稳定性。     

双线偏振多普勒雷达估算降水方法的比较研究

用美国KOUN双线偏振多普勒雷达2003年5～6月观测的两次强对流降水的天气过程资料，研究了从冰雹云降水回波中剔除冰雹回波得到液态降水区域的方法，冰雹回波剔除的结果保证了估测降水量不受冰雹的影响；分析了S波段双线偏振多普勒雷达几种估测降水强度方法的差异，并与地面雨量站资料进行对比，研究了KDP计算方法本身对降水估测的影响。结果表明：在实际的估测降水中，不同降水估测方法得到的结果有较大的差异，利用KDP估测降水的方法不适合小雨阶段的测量。     

Study of Different Attenuation Correction Methods in Association with Rainfall Estimation for X-Band Polarimetric Radars

Different attenuation correction methods for the X-band dual linear polarimetric radar are analyzed in this paper.The specific differential phase shift K DP is always considered as an effective factor in radar signal attenuation correction.However,the values of K DP for light rains are too small,which results in unstable quality and large errors of rainfall estimation.Therefore,radar horizontal reflectivity Z H and specific differential phase shift are combined together in the Z H –K DP method to correct th...     

贵州威宁X波段双偏振雷达反射率因子的衰减订正分析

针对贵州威宁X波段双偏振雷达的衰减订正问题,在利用综合小波去噪方法对差分传播相移ФDP进行质量控制基础上,基于自适应衰减订正算法对雷达反射率因子ZH进行衰减订正分析,订正结果与昭通C波段新一代天气雷达进行对比,结果表明：（1）综合小波去噪能够有效去除ФDP存在的脉动和毛刺,保证ФDP的连续性和平滑度;（2）订正前后雷达反射率因子在距离雷达较近处（20-35 km）强度廓线基本重合,订正前后差别不大,随着对流区（雨区）距离的增加,电磁信号出现衰减,订正后反射率值加强,总体上订正后的反射率值比订正前高1-12 dB,其中在35～75 km距离范围内,订正后的反射率值达到50 dBz以上,雷达反射率因子更加接近真实情况;（3）使用综合小波去噪配合自适应衰减订正算法可以提高雷达反射率因子衰减订正的准确率,方法具有普适性,在今后科研业务中可以采用该订正方法以进一步提高对粒子相态识别、降水估测精度。     

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.     

双极化天气雷达的工作模式与极化隔离度

双极化天气雷达主要有两种工作模式,即同时发射同时接收模式和交替发射同时接收模式。比较了两种工作模式在谱参数估计精度、速度测量范围、地杂波抑制、信噪比等方面各自的优势和不足,并分析了天气雷达中的退极化现象及其对差分反射率产品的影响;以线性退极化比为例,讨论了极化参数的测量误差对双极化天气雷达系统极化隔离度的要求。理论分析和计算表明,精确的极化测量对双极化天气雷达的极化隔离度提出了非常严格的要求。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

利用X波段双极化雷达和地面自动雨量站数据对北京地区2009年夏季降水进行分析,先采用低通滤波、衰减订正等方法对数据质量进行控制,提取了单位差分传播相移Kdp之后,分别拟合出X波段双极化雷达参数与降水之间的两个关系式:Zh=159R1.37及R=13.9Kdp0.81,最后再分别利用这些拟合公式对北京地区进行降雨估测。结果表明:雷达用这两个公式估测的降雨量与地面实测降雨量有较好的一致性;且当每小时降雨量大于10mm时,Kdp-R的估测比Zh-R估测更稳定、准确;通过平均标准差统计可知,Kdp-R估测精度明显高于Zh-R估测精度。