雙線偏振雷達(dá)原理及其在估算降水方面的應(yīng)用 (2).doc

雙線偏振多普勒雷達(dá)測(cè)量降水 張晶南京信息工程大學(xué)大氣遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，南京 210044摘要：介紹了雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)的基本原理和雙偏振參量，并且闡述了雙線偏振雷達(dá)在降水類型分類以及降水強(qiáng)度反演方面的應(yīng)用，比較了幾種較常使用的估測(cè)降水強(qiáng)度的算法，并分析了不同算法之間的差異。雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)可以比常規(guī)天氣雷達(dá)從云雨粒子中獲取更多的雷達(dá)回波參量，可以明顯提高降水強(qiáng)度的估測(cè)精度，改善雷達(dá)測(cè)量單點(diǎn)流域的降水和降水總量的效果，提高雷達(dá)對(duì)降水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的能力，具有很大的應(yīng)用潛力。關(guān)鍵字：雙線偏振；多普勒雷達(dá)；偏振參量；測(cè)量降水一引言 用地面微波雷達(dá)研究云和降水起源于第二次世界大戰(zhàn)后期，當(dāng)時(shí)的雷達(dá)主要用于監(jiān)視敵方的飛機(jī)，后來(lái)雷達(dá)操作人員發(fā)現(xiàn)天空中的云及降水也能產(chǎn)生回波。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，天氣雷達(dá)的數(shù)字化及利用Doppler原理測(cè)量風(fēng)速均成為了現(xiàn)實(shí)。雷達(dá)氣象學(xué)家們?cè)谔鞖饫走_(dá)測(cè)量降水方面做了大量的探索研究。用雷達(dá)測(cè)量降水的方法多種多樣，總的來(lái)說，其技術(shù)主要有三種：(1)傳統(tǒng)測(cè)量方法，即通過雷達(dá)反射率因子Z和降水強(qiáng)度I間的關(guān)系直接測(cè)量降水；(2)衰減法，其基本思想是在晴朗天氣下，測(cè)得某些固定目標(biāo)物(如地物或其他)的回波功率，在雨天再測(cè)量這些固定目標(biāo)物的回波功率，建立平均衰減系數(shù)Kt與降水強(qiáng)度I間的關(guān)系測(cè)量降水；(3)多參數(shù)法，即利用雙線偏振雷達(dá)所獲得的偏振參數(shù)和降水強(qiáng)度之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量降水。二雙線偏振雷達(dá)主要參量 雙線偏振雷達(dá)能夠得到的主要參量為：水平和垂直反射率因子ZH和ZV，差分反射率因子ZDR，差分傳播相位變化DP，差分傳播相位常數(shù)KDP。1.水平和垂直反射率因子ZH和ZV發(fā)射水平偏振波時(shí)水平反射率因子的表達(dá)式為： （1）式中，DH為雷達(dá)探測(cè)的粒子在水平方向的尺寸，N(D)為降水粒子的滴譜分布。垂直反射率因子的表達(dá)式為： （2）式中，DV為雷達(dá)探測(cè)的粒子在垂直方向的尺寸。2.水平和垂直方向的衰減因子Ah,v (3)式中Kh,v為散射體中復(fù)波數(shù)， (4)K0為真空中的波數(shù)，K0=2/，fh,v(D)為前向散射系數(shù)，N(D)為散射體的數(shù)密度。在降雨過程中，Ah,v隨著雨強(qiáng)的增大而增大。同樣雨強(qiáng)或準(zhǔn)確地說對(duì)于同一降雨體同一時(shí)刻的觀測(cè)，波長(zhǎng)短的電磁波穿過雨區(qū)時(shí)，Ah,v大；波長(zhǎng)長(zhǎng)的電磁波穿過雨區(qū)時(shí)，Ah,v小。3. 線性退偏振比LDRVH (5) LDRVH表示雷達(dá)接收到正交偏振分量與同極偏振分量功率之比。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射水平偏振波時(shí)，對(duì)球形散射體或者軸對(duì)稱粒子(其對(duì)稱軸平行或垂直于偏振平面)，散射體會(huì)返回相同極化方向的電磁波，導(dǎo)致LDRVH趨于-；否則，會(huì)有正交分量的能量返回。雷達(dá)探測(cè)到的LDRVH值大小主要與水凝聚物的形狀，形狀的不規(guī)則性、相態(tài)、介電常數(shù)及水凝聚物相對(duì)于偏振平面的傾角有關(guān)。通常，比較其他偏振參數(shù)而言，LDRVH對(duì)雷達(dá)的噪聲更為敏感，因?yàn)樯⑸潴w返回的正交極化信號(hào)比同極信號(hào)要小2到3個(gè)量級(jí)。例如，有人用CSU-CHILL雷達(dá)測(cè)量到最小LDRVH值是-34 dB(見文獻(xiàn)19)。LDRVH值與粒子數(shù)濃度和雷達(dá)參數(shù)標(biāo)定無(wú)關(guān)，但與傳輸效應(yīng)有關(guān)。4.差分反射率因子ZV差分反射率因子ZV可以從雷達(dá)水平和垂直反射率因子計(jì)算得到： (6) ZV是對(duì)以反射率因子為權(quán)重的降水粒子的平均軸比的測(cè)量。大量的大尺度粒子也能嚴(yán)重影響ZV的信號(hào)。這些粒子能夠產(chǎn)生大的反射率因子。差分反射率因子不受粒子總數(shù)的影響，主要依賴于粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布。5.差分傳播相位變化ZV和差分傳播相位常數(shù)KDP雙程差分傳播相位變化定義為： (7)HH和VV分別為雷達(dá)信號(hào)在水平和垂直極化時(shí)，在某一個(gè)特定距離處往返到達(dá)天線的雙程相角。一個(gè)更加有用的參數(shù)為差分傳播相位常數(shù)KDP，其定義為： (8) 式中，r1和r2分別為測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2與雷達(dá)的距離。KDP的單位為() /km。KDP是水平和垂直極化波傳播常數(shù)的差。KDP的差異包含各向同性粒子和各向異性粒子的差異。因?yàn)楦飨蛲粤Ｗ訉?duì)于水平和垂直極化波能產(chǎn)生相近的相移，故KDP的差異主要?dú)w因于各向異性粒子組成的差異。KDP對(duì)粒子分布的變化不敏感，它的測(cè)量值不受部分波束阻擋和各向同性粒子的影響，但它依賴于粒子數(shù)的密度。6.零滯后相關(guān)系數(shù) 零滯后相關(guān)系數(shù)HV(0)定義為水平偏振回波信號(hào)與垂直偏振回波信號(hào)的零滯后互相關(guān)系數(shù)的幅值，反映了水平和垂直偏振波的后向散射特征的相關(guān)性。對(duì)于雷利散射而言，可用|HV(0)|來(lái)說明由于水凝物水平和垂直大小的變化而引起的非相關(guān)程度。|HV(0)|值與雷達(dá)的標(biāo)定、水凝物的濃度及傳輸?shù)挠绊憻o(wú)關(guān)，但對(duì)雷達(dá)信噪比比較敏感，也易受到旁瓣回波和地物雜波的影響。三雙線偏振雷達(dá)測(cè)量降水 雙線偏振多普勒雷達(dá)能交替發(fā)射和接受水平與垂直的線偏振波，它和常規(guī)天氣雷達(dá)相比，除同樣能測(cè)定云、降水粒子的反射率因子、徑向速度、譜寬外，還能測(cè)的差分反射率因子ZDR、雙程差示傳播相位變化DP及兩種不同偏振之間的線相關(guān)系數(shù)HV等新的獨(dú)立變量。這對(duì)于提高雷達(dá)定量降水的精度，以及了解降水粒子的大小分布、形狀、相態(tài)和空間取向等均十分有用。3.1雙線偏振雷達(dá)確定降水粒子類型 用雷達(dá)測(cè)量降水首先要區(qū)分降水顆粒的類型冰雹、霰/小冰雹、雨、雪、雨與濕冰雹混合物及混合態(tài)粒子。主要是因?yàn)檫@些不同的降水粒子對(duì)電磁波的散射有不同的散射模式(Rayleigh散射或Mie散射)及不同的介電常數(shù)。 有很多專家正致力于雙線偏振雷達(dá)確定降水粒子類型方面的研究，并已經(jīng)得到許多具有參考價(jià)值的研究方法和成果。 Cherry等通過對(duì)各種類型的滴譜和粒子形狀的分布，認(rèn)為用10cm波長(zhǎng)雷達(dá)觀測(cè)時(shí)，各種降水類型的Z和ZV的數(shù)值大小可定性地用表1表示。 降水類型ZZV說明雨高高大扁水滴毛毛雨、云或霧低低小球形水滴或小冰粒干雪片低中低中大的水平取向低密度聚合體雨夾雪或濕雪高高大而扁，水平取向濕霰高負(fù)值大，錐形，垂直取向粒子濕冰雹高多種大粒子，大多呈球形干冰雹或其他高密度粒子中低 表1如下圖所示，利用ZH和ZV兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算出各降水類型的大概范圍，其中，RS、RM、RL分別表示小雨、中雨、大雨，G/HS表示霰?；蛐”?，H表示冰雹，R/H表示雨和冰雹混合性降水。圖1根據(jù)以上圖表，可以總結(jié) 出不同的降水粒子時(shí)各偏振變量的大概變化特征：1) 對(duì)于純降雨區(qū)(即在融化層以下的雨滴區(qū))，ZH易隨雨強(qiáng)增大而變大，ZV為正值，當(dāng)出現(xiàn)大雨滴時(shí)，ZV可達(dá)35dB。一般小雨的KDP為，但在含有冰核的大雨滴時(shí)也可達(dá)，DP在波束通過廣大的大雨區(qū)時(shí)可達(dá)上百度。HV值在純雨滴或純小冰雹時(shí)是接近于1的。這與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。2) 對(duì)于雨及冰雹共存區(qū)，會(huì)在同一個(gè)區(qū)中出現(xiàn)較大的ZH值與較小的ZDR值。如ZH50dBz)及負(fù)的ZDR值(如一l到一3dB)，KDP值也較大(但隨機(jī)取向的冰雹除外)。5) 應(yīng)指出，ZH值與KDP值有著明顯的相關(guān)性，對(duì)于純雨滴在M一P分布時(shí)，可得到ZH=13.86109(KDP)+48.2 (9) 的關(guān)系。若ZH值對(duì)應(yīng)的KDP值過大，即點(diǎn)子偏離上述方程的曲線。則可能是ZH值的系統(tǒng)誤差，或者雨滴中有冰核。KDP值的大小還可以反映出液態(tài)水含量的多少。3.2雙線偏振雷達(dá)測(cè)量降水的方法比較 利用雙線偏振雷達(dá)的不同參量進(jìn)行組合，可以得到不同的測(cè)雨方法及測(cè)雨效果，下面對(duì)適用于對(duì)流性降水的四種估測(cè)降水方法進(jìn)行對(duì)比分析：方法1：R1=1. 710-2 (10)方法2： R2=1.5910-2 (11)方法3： R3=50.3 (12)方法4： R4=63.3 (13)其中，R1、R2、R3、R4分別表示運(yùn)用四種方法計(jì)算得出的雨強(qiáng)，單位：mmh-1；式中ZH的單位為mm6m-3，KDP的單位為km-1。 方法1只利用一個(gè)反射率因子ZH來(lái)估測(cè)降水，由于ZH-R關(guān)系受雨滴譜型變化影響較大，假定雨滴是球形的，中到大雨使估測(cè)降水強(qiáng)度的精度誤差更大。方法2利用了反射率因子ZH和差分反射因子ZV兩個(gè)參量，該測(cè)雨方法對(duì)滴譜分布變化敏感性較差，利用雙參數(shù)(ZH、ZV)的方法提高了降水精度。方法3利用KDP直接估測(cè)降水，在測(cè)量強(qiáng)降水方面精度有很大提高，該方法對(duì)雨滴譜變化較不敏感，KDP本身也易精確測(cè)量，在探測(cè)云體內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)方面有很大的潛力。方法4是聯(lián)合差分反射率因子ZV、差分傳播相移率KDP反演降水，ZV可以反映滴譜中大小粒子比例的變化，KDP可以提高雷達(dá)探測(cè)效果，且液態(tài)水對(duì)它的貢獻(xiàn)最大，引入?yún)⒘縕V明顯改善了常規(guī)雷達(dá)反演強(qiáng)降水過大的現(xiàn)象。 由于降雨的復(fù)雜性，提出的方法也是見仁見智，但主要的偏振參數(shù)僅有ZH、ZV、ZV、KDP等。研究結(jié)果表明：雙線偏振雷達(dá)可以改善小到中雨的測(cè)雨效果，它使常規(guī)雷達(dá)測(cè)雨的小雨高估，大雨低估的趨勢(shì)減弱。四結(jié)論 本論文總結(jié)了雙線偏振雷達(dá)可以獲取的主要?dú)庀髤?shù)，并且討論了雙線偏振雷達(dá)在降水類型分類以及降水強(qiáng)度反演方面的應(yīng)用。及時(shí)開展雙線偏振雷達(dá)精確測(cè)量降水、識(shí)別降水粒子相態(tài)有著深遠(yuǎn)地現(xiàn)實(shí)意義與理論意義，發(fā)展多種雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)資料的分析和應(yīng)用方法，更好地顯示出偏振雷達(dá)在暴洪監(jiān)測(cè)、粒子相態(tài)識(shí)別、云和降水物理、人工影響天氣、閃電物理、氣象服務(wù)保障等領(lǐng)域有很大的潛力。 雙線偏振技術(shù)能明顯增強(qiáng)雷達(dá)估測(cè)降水、識(shí)別降水粒子相態(tài)的能力，是天氣雷達(dá)未來(lái)幾年的一個(gè)發(fā)展方向。目前，美國(guó)國(guó)家天氣局已經(jīng)將雙線偏振技術(shù)的使用，作為下一步對(duì)新一代天氣雷達(dá)進(jìn)行更新改造的重要內(nèi)容，已有幾部雷達(dá)得到了雙線偏振技術(shù)改造，并應(yīng)用于科研中。在我國(guó)，該技術(shù)的推廣和應(yīng)用仍需要多方努力，一些重要應(yīng)用技術(shù)和方法還沒有得到解決。加強(qiáng)雷達(dá)廠家、科研單位和業(yè)務(wù)單位合作是推進(jìn)這些技術(shù)發(fā)展和最終投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的重要措施。參考文獻(xiàn):1 胡勝 胡東明 汪瑛 葉愛芬 劉運(yùn)策.雙線偏振多普勒雷達(dá)及其探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用.廣東氣象.第4期.2006 年11月.2 王建林 劉黎平 曹俊武.雙線偏振多普勒雷達(dá)估算降水方法的比較研究.氣象.第31卷第8期.3 王建林.雙線偏振多普勒雷達(dá)定量探測(cè)降水強(qiáng)度方法的研究.中國(guó)氣象科學(xué)研究院 碩士學(xué)位論文.4 尹忠海胡紹萍張沛源.雙線偏振多普勒雷達(dá)測(cè)量降水.氣象科技.第30 卷 第4期.2002 年8 月. Rainfall Rate Measurements by Dual Linear Polarization Doppler RadarZHANGJINGSchool of Atmospheric Physics In Nanjing University of Information Science And Technology，Nanjing 210044Abstract:Basic principles and the dual-polarization parameters of the dual linear polarimetric dopplerradar are reviewed by this paper as well as the applications of the rainfall rate measurements by dual linear polarization doppler radar.Dual linear polarization radar may provide more radars returning Parameters from clouds and precipitation particles than conventional weather radar，can obviously increasethe accuracy of measure