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。      

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。     

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/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.     

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。     

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。     

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。     

分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

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。     

双基地天气雷达系统的有效照射体积

根据"有效照射体"的基本概念,采用微分理论来回避椭球面近似为平面的假设,推导了双基地雷达系统有效照射体积表达式,证明双基地雷达系统有效照射体积与单基地雷达有效照射体积之比值V_b/V_m,在数值上等于双基地系统主站极轴长度R_t相对于半长轴长度a的导数.有效照射体积数值计算结果与以往相同,放宽了推导过程中的假设条件,显得更加严谨、易懂.还给出了双基地雷达系统各几何量(如V_b/V_m、R_t、主站共面方位Φ、辅站极轴长度Rr、辅站共面方位Φ_r、双基地角β)之间的一些关系式,分析了在双基地雷达系统探测过程中有效照射体积随有关量变化的特征,为双基地偏振雷达系统天线控制、资料处理、旁瓣影响分析、探测精度提高等提供理论依据.     

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。     

中国双偏振天气雷达系统发展综述

回顾了近30年来中国双线偏振天气雷达的研究进展,着重从雷达数据质量控制和雷达偏振参量的测量精度两大方面进行详细叙述。阐述了目前主要通过提高双偏振天气雷达的系统性能,降低系统误差,抑制雷达地物杂波,来提高雷达数据质量和测量精度,而双通道一致性和极化隔离度是双偏振天气雷达系统最主要的性能指标;描述了双偏振天气雷达系统及其产品应用新进展。     

双线偏振雷达差分传播相移的小波滤波初探

根据中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达外场观测资料,利用Daubechies小波对雷达观测的差分传播相移ΦDP进行滤波处理,并与滑动平均和中值滤波这两种常规处理方法的滤波效果进行对比分析。结果表明,Daubechies小波方法不仅同两种常规处理方法一样能有效剔除差分传播相移ΦDP存在的各种脉动与毛刺,使ΦDP数据具有更好的连续性和平滑度,还能有效地保留非气象回波信息,方便对其进行地物识别等后续处理; 此外,其对弱信号的滤波效果也有显著提高,滤波后的ΦDP及其估算的差分传播相移率KDP与反射率因子ZH均有较好的对应关系。     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

利用基于T矩阵法建立的降水粒子雷达探测模型,建立了基于支持向量机（Support Vector Machine,SVM）的雷达降水类型识别模型。通过样本数据归一化预处理,并考虑到样本集中各偏振参量间是非线性的,择优选径向基核函数作为非线性支持向量机的核函数,采用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）获取最优核函数参数C和γ,使模型达到较高分类预测准确率。建立的SVM雷达降水类型识别模型,在各仰角的预测准确率于X波段可达80%以上,于S波段可达95%左右。进一步分析发现,当多波长下预测降水类型相同时,分类预测结果准确率可达97.3%,而错误的概率仅为2.7%。可见,所建立的SVM雷达降水类型识别模型,有效提高了雷达对流天气下降水类型的识别能力。

     

江西一次冰雹过程的S波段双偏振雷达回波特征分析

2020年3月21—23日江西省出现一次冰雹伴随短时强降水过程,3月21日夜间出现的冰雹天气是在西南气流暖湿强迫背景下产生的,22日中午前后的降雹属于显著冷暖平流导致的斜压锋生类强对流天气。利用常规气象观测资料以及南昌双偏振雷达资料,重点对此次过程强对流云系中水凝物相态演变进行了分析。结果表明：冰雹特征（反射率因子<Z_H>60 dBz,差分反射率Z_DR<0 dB）首先出现在0℃层高度区域,后向上向下发展,由于22日当天干球、湿球0℃层高度均在3.8 km左右,融化层厚度小、高度低,且地面温度>20℃,冰雹在下降过程中Z_DR和差分相位率K_DP由负值逐渐转为正值,零阶滞后相关系数C_C逐渐加大至0.9以上,但某些时刻仍具有大冰雹特征（Z_DR<0,C_C<0.9）,表明冰雹在下落过程中出现融化形成外包水膜的小冰雹或大雨滴,但仍有部分大冰雹落地。三体散射现象持续时间长,对应Z_DR具有较大坡度,显示其正值到负值突变,C_C呈现非气象回波特征。冰雹粒子特征主要为Z_H>60 dBz、Z_DR<0dB、C_C<0及K_DP趋近于零,当存在大冰雹时Z_DR<0、C_C<0.9;对比短时强降水时发现Z_DR≥1 dB、K_DP≥1°·km^-1并呈现出随Z_H增大而增大的特征,C_C主要在0.95～1之间,表明强降水主要由大雨滴造成,因此通过双偏振特征变化可判断冰雹向强降水过程的转换。     

一次秋季对流性暴雨的双偏振雷达回波特征分析

本文利用黔东南榕江C波段双偏振多普勒天气雷达资料、常规观测资料及地面加密自动站观测资料等,对2021年9月6日傍晚到夜间贵州东部地区出现的对流性暴雨天气过程的环流背景、影响系统和雷达回波特征进行总结分析。得出：（1）此次天气过程是在副高西伸北抬形成高压坝的背景条件下,中高纬冷涡低槽与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强东移,引导冷空气从西北路径和东北路径两面夹击影响贵州东部地区,配合长时间稳定维持的南北向低空切变线,共同触发不稳定能量强烈释放,产生对流性暴雨天气。（2）带状对流回波东段东移至铜仁、黔东南州境内后逐渐转为片状积层混合降水回波,并长时间稳定维持少动,暴雨发生期间,回波具有明显的低质心高效率的热带暖云降水回波特征;VIL值在10～30 kg·m-2之间,局地出现明显的跃增现象;低仰角径向速度图上长时间维持明显的风场辐合。（3）此次过程雷达偏振参量具有产生强降水的特征,最大ZH在40～60dBz之间,ZDR在0.2～5dB之间,KDP范围为0.5～7.0°·km-1,CC在0.9～0.98之间,最大时≥0.98。     

一次冬季冰雹的双偏振多普勒天气雷达回波分析

为研究双偏振雷达资料在冬季冰雹监测预警中的应用,利用厦门S波段双偏振雷达资料,分析了2016年12月21日福建漳州冰雹的回波特征。发现在降雹过程中,最强回波达69 dBZ,三体散射回波径向长度达16 km,旁瓣回波切向宽达20 km,低层的钩状回波与入流缺口明显;冰雹区的差分反射率因子Z dr和差分相位常数K dp数值小,冰水混合区的相关系数ρhv较低。分析表明:此冰雹个例并非典型的超级单体,但存在超级单体的部分偏振回波特征,回波前侧下沉气流存在Z dr弧,可延伸到中层,在入流缺口和后侧下沉气流处,Z dr柱和K dp柱成对出现,中层存在CC的低值环。     

基于X波段双偏振雷达的贵州威宁一次冰雹过程水成物粒子识别研究

利用贵州威宁雪山X波段双偏振天气雷达一次冰雹过程观测资料,基于MATLAB软件对雷达观测数据进行数据质量控制基础上利用模糊逻辑算法对冰雹云中水成物粒子进行识别分类,主要结论如下：（1）采用综合小波去噪能够有效去除差分传播相位（ФDP）存才的脉动和毛刺,保证ФDP的连续性和平滑度,保留有效ФDP值,其用于雷达反射率因子衰减订正具有较好的效果。（2）冰雹形成与低密度霰（LDG）、高密度霰（HDG）以及过冷水（SCW）的增减演变较为对应,霰粒子是冰雹形成的关键粒子。（3）从霰粒子出现到识别出冰雹时间为26 min,约4个体扫时间,从识别出冰雹到地面观测到降雹32 min,约5个体扫时间。（4）冰雹识别结果与地面观测总体一致,所构建的识别参量阈值基本合理,研究所构建的粒子相态识别方法在贵州威宁具有普适性,可为冰雹早起识别、预警和人工防雹作业提供技术和理论支撑。