雷達(dá)氣象學(xué)雙線偏振雷達(dá)探測

雙線偏振雷達(dá)探測原理和應(yīng)用介紹南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院黃興友2016-12-8當(dāng)前第1頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)現(xiàn)有雷達(dá)探測能力的不足:（1）難以提供降水的相態(tài)信息（冰相或液相）（2）難以提供降水粒子特性，（雨滴、過冷卻水；冰雹的干、濕情況；雪花的干濕情況）（3）雷達(dá)定量測量降水的精度有限（降雨、降雪、降雹）（4）衰減訂正的參考信息（5）區(qū)分降水目標(biāo)和非降水目標(biāo)（地物等）寄希望于新型雙偏振雷達(dá)

！當(dāng)前第2頁\共有40頁\編于星期三\12點電磁波的偏振當(dāng)前第3頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點理論要求:能發(fā)射水平偏振和垂直偏振的電磁波,需要兩種偏振狀態(tài)的發(fā)射機(jī)能接收水平偏振和垂直偏振的回波信號,需要兩個接收機(jī)兩個發(fā)射系統(tǒng)性能一致兩個接收系統(tǒng)性能一致兩種偏振狀態(tài)下的天線增益和波瓣一致當(dāng)前第4頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點當(dāng)前第5頁\共有40頁\編于星期三\12點系統(tǒng)體制—廣泛采用單發(fā)雙收體制---NCAR的S波段雙偏振雷達(dá)SeligaandBringi,1976(JAM)---firstdiscussionofsingletransmitter,dual-receiverconfiguration---nowknownasSTSR當(dāng)前第6頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)獲得的新參量（1）差分反射率因子ZdrZdr=10log10(Zhh/Zvv)（2）線性退極化比

Ldr=10log(ZVH/ZHH)（3）相關(guān)系數(shù)

ρhv（4)雙程相位差φdp水平、垂直偏振回波信號的相位之差

(5)

相位差常數(shù)Kdp

(單位距離上的相位差)當(dāng)前第7頁\共有40頁\編于星期三\12點粒子的形狀和偏振特性當(dāng)前第8頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性差分反射率因子Zdr--降雨情況

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)當(dāng)前第9頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性差分反射率因子Zdr--降雪情況

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)當(dāng)前第10頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性差分反射率因子Zdr--降雹情況

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)當(dāng)前第11頁\共有40頁\編于星期三\12點降雨回波的Z和ZdrNorman,Aug/13/2011,KOUNZZdr

當(dāng)前第12頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性一次包含冰雹降水過程的Zdr約為0dB當(dāng)前第13頁\共有40頁\編于星期三\12點雪區(qū)的Zdr當(dāng)前第14頁\共有40頁\編于星期三\12點零度層亮帶區(qū)的Zdr當(dāng)前第15頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性昆蟲回波有較大的Zdr當(dāng)前第16頁\共有40頁\編于星期三\12點新信息的特性地物回波有較大且雜亂的Zdr當(dāng)前第17頁\共有40頁\編于星期三\12點Zdr

和雨滴大小的關(guān)系當(dāng)前第18頁\共有40頁\編于星期三\12點不同降水類型下Ldr的典型值Zdr大雨滴大,但關(guān)系難以確定

當(dāng)前第19頁\共有40頁\編于星期三\12點Ldr的可以反映零度曾層亮帶當(dāng)前第20頁\共有40頁\編于星期三\12點一次冰雹的Ldr的較大當(dāng)前第21頁\共有40頁\編于星期三\12點ΦDP=ΦHH

-ΦVV?對球形粒子來說，垂直偏振波和水平偏振波引起的相位相同.?非球形粒子對垂直偏振波和水平偏振波造成的相位不同.?如果雷達(dá)取樣體積中有更多的扁橢球粒子（如強(qiáng)降雨、降雪或卷云中的冰晶），則水平偏振雷達(dá)電磁波的傳播速度慢于垂直偏振電磁波的傳播速度ΦHH

>ΦVV==>ΦDP

>0.?與波長有關(guān)相位差Φdp及其特點當(dāng)前第22頁\共有40頁\編于星期三\12點相位差Φdp與回波強(qiáng)度的大致關(guān)系當(dāng)前第23頁\共有40頁\編于星期三\12點相位常數(shù)Kdp與的特點

不受標(biāo)定影響

不受衰減影響Independentofattenuation

對粒子譜不敏感（Z更敏感）

不受部分阻擋的影響

與雷達(dá)波長有關(guān)當(dāng)前第24頁\共有40頁\編于星期三\12點一次降水過程中ΦDP,KDP和Z隨徑向距離的變化當(dāng)前第25頁\共有40頁\編于星期三\12點ΦDPandhydrometeorsalongthepath當(dāng)前第26頁\共有40頁\編于星期三\12點一次降水過程的Z和ΦDP

情況Norman,Aug/13/2011,KOUN,Sband

Z

ΦDP

ΦDP當(dāng)前第27頁\共有40頁\編于星期三\12點相關(guān)系數(shù)ρhv的特點當(dāng)前第28頁\共有40頁\編于星期三\12點相關(guān)系數(shù)ρhv的特點反映水平偏振和垂直偏振通道的回波信號的相似性特點：(1)對于雨水，相關(guān)系數(shù)ρhv大于0.95，但隨Zdr的增大而減小(2)地物的ρhv大于可能小于0.7(3)雪和冰雹的ρhv可能達(dá)到0.8左右(4)零度層融化區(qū),相關(guān)系數(shù)ρhv介于0.8~0.95用途：判別降水回波和地物回波,比較有效當(dāng)前第29頁\共有40頁\編于星期三\12點不同目標(biāo)的相關(guān)系數(shù)典型值(取自NOAA)雨水冰雹軟雹雪花冰晶融化層地物雜波生物(鳥\昆蟲)鋁箔條垃圾當(dāng)前第30頁\共有40頁\編于星期三\12點2015-3-18上海南匯雙偏陣?yán)走_(dá)觀測的回波強(qiáng)度和相關(guān)系數(shù)當(dāng)前第31頁\共有40頁\編于星期三\12點相關(guān)系數(shù)和零度層亮帶相關(guān)系數(shù)比較清晰地反映了零度層亮帶的存在當(dāng)前第32頁\共有40頁\編于星期三\12點龍卷垃圾回波TornadoDebris當(dāng)前第33頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)信息的顯示當(dāng)前第34頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用---回波分類所用的六個參量為當(dāng)前第35頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用---分類一次過程的識別結(jié)果當(dāng)前第36頁\共有40頁\編于星期三\12點降雨估測--科羅拉多州立大學(xué)的降雨估測公式當(dāng)前第37頁\共有40頁\編于星期三\12點降雨估測的效果對比雙線偏振雷達(dá)和常規(guī)雷達(dá)估測降水情況的比較當(dāng)前第38頁\共有40頁\編于星期三\12點雙線偏振雷達(dá)的探測與應(yīng)用優(yōu)勢偏振雷達(dá)的優(yōu)勢:估測降水精度的改善RainfallEstimation(vastimprovement)識別零度層亮帶BrightBandDetection(vastimprovement)地物雜波識別和消除/雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量?ClutterFiltering/DataQualityImprovement(vastimprovement)降雨/降雪的判別Rain/Snow