参数化的多次散射雷达方程和它的反演理论 II:反演理论

本文根据参数化的多次散射雷达方程,分析了激光多次散射对激光回波信号和一次散射雷达方程反演结果的效应,提出了迭代前向积分法和迭代后向积分法以求解参数化的多次散射雷达方程,并根据多次散射信号对云和气溶胶的前向散射相函数的高度敏感性提出了一个从双接收视场的多次散射激光回波信号,同时确定云和气溶胶消光系数分布和前向散射相函数的方法.此外,本文还根据数值试验分析了这些反演方法在地基激光雷达和空间站激光雷达两种情形下的适用性.     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 Ⅰ:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明,在小于4的光学厚度内参数化的解和Monte-Carlo解之间的标准偏差小于27％,而本模式的计算时间比Monte-Carlo方法偏小4个数量级左右.本模式不仅适合于研究多次散射对激光回波信号和激光大气遥感的效应,而且对于考虑多次散射的激光大气探测而言,是一个合适的应用模式.     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 I:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究Ⅱ:ISPRM和VSPRM2

在改进的同步物理模式（ＩＳＰＲＭ）实践基础上,根据泛函数变分原理,按ＴＯＶＳ遥感方程,提出了较普遍的变分同步物理反演模式（ＶＳＰＲＭ２）,其一级功能（ＶＳＰＲＭ１）和ＩＳＰＲＭ完全相同。ＶＳＰＲＭ从协合（ｓｙｎｅｒｇｙ）遥感反演机理,进一步拓宽和发展了ＩＳＰＲＭ模式。分析了ＶＳＰＲＭ２模式性能,指出这类模式的反演潜力。特别着重分析了模式的水汽核函数参数化和水汽遥感反演问题。针对这类非适定反问题的强欠定性质,为妥善使用先验信息,以获得精确的正演辐射率Ｒ。,还对透射率精确计算,低层温、湿廓线反演通道最佳选择和云层影响修正的改进作了进一步分析。经过长期业务运行条件反演比较实验,结果表明改进的物理反演方法（ＩＳＰＲＭ）是适于中国大陆包括青藏高原温、湿参数分布的反演方法,特别在有云条件下能反演出温、湿廓线。     

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。     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究I:ISPRM和SRRM

文中对10a来改进的同步物理反演方法（ISPRM）实践与发展进行了总结。在不违背先验信息和卫星测值之间独立的原则下,所做的改进都是针对这类非适定反演问题的欠定性（under－determinedness）进行的。由适定反演理论知道,正演是反演的基础,又是卫星辐射率测值输入和反演结果输出之间的桥梁。为了获得好的正演,就必须竭尽可能充分利用一切可以使用的先验信息,把非适定反演问题转化成适定的反演问题,从而通过Ridge回归或Bayes反演过程,把先验信息、理论模拟信息和卫星探测信息三者最佳地结合起来,以最大限度减少这类反演问题的欠定性对数值解的影响。     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究Ⅰ:ISPRM和SRRM

文中对10a来改进的同步物理反演方法(ISPRM)实践与发展进行了总结。在不违背先验信息和卫星测值之间独立的原则下,所做的改进都是针对这类非适定反演问题的欠定性(under-determinedness)进行的。由适定反演理论知道,正演是反演的基础,又是卫星辐射率测值输入和反演结果输出之间的桥梁。为了获得好的正演,就必须竭尽可能充分利用一切可以使用的先验信息,把非适定反演问题转化成适定的反演问题,从而通过Ridge回归或Bayes反演过程,把先验信息、理论模拟信息和卫星探测信息三者最佳地结合起来,以最大限度减少这类反演问题的欠定性对数值解的影响。     

基于雷达组网拼图的定量降水反演Ⅱ:方案改进及综合评估

为提高雷达定量降水反演精度,结合多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动站降水观测资料,在利用最优化法建立辽宁本地化动态Z-I关系基础上,进一步优化雷达定量降水反演方案,分别开展了分雷达回波强度等级与分地理区域优化降水Z-I关系研究。结果表明:两种优化方案的定量降水反演评估指标均有所改善,整体而言,优化方案有效降低了雷达定量降水反演误差,降水反演能力得到进一步提高。2013年辽宁抚顺"8. 16"典型强降水个例定量降水反演结果显示,两种优化方案反演降水的空间分布形势与地面降水实况场更加接近,尤其弥补了单一动态Z-I关系法对20. 0 mm·h^-1以上量级强降水落区范围以及40. 0 mm·h^-1以上量级超强降水中心反演不足的问题,采用优化方案后的各项评估指标均大幅提升,明显改善了雷达定量降水反演的不确定性,降水反演效果具有更强的稳定性和可靠性,为灾害性短时强降水天气事件短临预报预警提供了定量参考。     

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。      

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

控制论与人工影响天气II.工程控制论在人工增雨作业中的应用与建模

人工增雨已有60余年历史,虽已取得很多成绩,仍存在很多亟待解决的科学技术问题,典型问题如作业具有一定的主观性及其与效果检验有脱节.控制论研究如何对系统施加控制作用使其表现出预定行为.作者研究工程控制论在人工增雨作业中的应用与建模问题,将工程控制论引入人工增雨作业,称作“局部控制”方法.以冷云的人工催化过程为例,以单容加延迟的过程来简化单块冷云催化核化过程,建立了有反馈的冷云催化框架模型.根据效果调整催化剂的播撒率以实施控制作用,使作业后的雨云关键参数达到预期值.这种“局部控制”方法,可使现有作业更科学化和客观定量化,只在作业设备中增加一通讯单元和作为传感/变送器以及控制器的一套专业软件即可.“局部控制”方案也可嵌入以自然控制论为框架的大范围全面全程控制问题中,简化作业的方案.