雙線偏振雷達原理及其在估算降水方面的應用 (2).doc

雙線偏振多普勒雷達測量降水 張晶南京信息工程大學大氣遙感科學與技術專業(yè)，南京 210044摘要：介紹了雙線偏振多普勒天氣雷達的基本原理和雙偏振參量，并且闡述了雙線偏振雷達在降水類型分類以及降水強度反演方面的應用，比較了幾種較常使用的估測降水強度的算法，并分析了不同算法之間的差異。雙線偏振多普勒天氣雷達可以比常規(guī)天氣雷達從云雨粒子中獲取更多的雷達回波參量，可以明顯提高降水強度的估測精度，改善雷達測量單點流域的降水和降水總量的效果，提高雷達對降水監(jiān)測預報的能力，具有很大的應用潛力。關鍵字：雙線偏振；多普勒雷達；偏振參量；測量降水一引言 用地面微波雷達研究云和降水起源于第二次世界大戰(zhàn)后期，當時的雷達主要用于監(jiān)視敵方的飛機，后來雷達操作人員發(fā)現(xiàn)天空中的云及降水也能產(chǎn)生回波。隨著科學技術的發(fā)展特別是高性能計算機的出現(xiàn)，天氣雷達的數(shù)字化及利用Doppler原理測量風速均成為了現(xiàn)實。雷達氣象學家們在天氣雷達測量降水方面做了大量的探索研究。用雷達測量降水的方法多種多樣，總的來說，其技術主要有三種：(1)傳統(tǒng)測量方法，即通過雷達反射率因子Z和降水強度I間的關系直接測量降水；(2)衰減法，其基本思想是在晴朗天氣下，測得某些固定目標物(如地物或其他)的回波功率，在雨天再測量這些固定目標物的回波功率，建立平均衰減系數(shù)Kt與降水強度I間的關系測量降水；(3)多參數(shù)法，即利用雙線偏振雷達所獲得的偏振參數(shù)和降水強度之間的關系來測量降水。二雙線偏振雷達主要參量 雙線偏振雷達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)射水平偏振波時水平反射率因子的表達式為： （1）式中，DH為雷達探測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式為： （2）式中，DV為雷達探測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隨著雨強的增大而增大。同樣雨強或準確地說對于同一降雨體同一時刻的觀測，波長短的電磁波穿過雨區(qū)時，Ah,v大；波長長的電磁波穿過雨區(qū)時，Ah,v小。3. 線性退偏振比LDRVH (5) LDRVH表示雷達接收到正交偏振分量與同極偏振分量功率之比。當雷達發(fā)射水平偏振波時，對球形散射體或者軸對稱粒子(其對稱軸平行或垂直于偏振平面)，散射體會返回相同極化方向的電磁波，導致LDRVH趨于-；否則，會有正交分量的能量返回。雷達探測到的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)及水凝聚物相對于偏振平面的傾角有關。通常，比較其他偏振參數(shù)而言，LDRVH對雷達的噪聲更為敏感，因為散射體返回的正交極化信號比同極信號要小2到3個量級。例如，有人用CSU-CHILL雷達測量到最小LDRVH值是-34 dB(見文獻19)。LDRVH值與粒子數(shù)濃度和雷達參數(shù)標定無關，但與傳輸效應有關。4.差分反射率因子ZV差分反射率因子ZV可以從雷達水平和垂直反射率因子計算得到： (6) ZV是對以反射率因子為權重的降水粒子的平均軸比的測量。大量的大尺度粒子也能嚴重影響ZV的信號。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分別為雷達信號在水平和垂直極化時，在某一個特定距離處往返到達天線的雙程相角。一個更加有用的參數(shù)為差分傳播相位常數(shù)KDP，其定義為： (8) 式中，r1和r2分別為測量點1和測量點2與雷達的距離。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。因為各向同性粒子對于水平和垂直極化波能產(chǎn)生相近的相移，故KDP的差異主要歸因于各向異性粒子組成的差異。KDP對粒子分布的變化不敏感，它的測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。6.零滯后相關系數(shù) 零滯后相關系數(shù)HV(0)定義為水平偏振回波信號與垂直偏振回波信號的零滯后互相關系數(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性。對于雷利散射而言，可用|HV(0)|來說明由于水凝物水平和垂直大小的變化而引起的非相關程度。|HV(0)|值與雷達的標定、水凝物的濃度及傳輸?shù)挠绊憻o關，但對雷達信噪比比較敏感，也易受到旁瓣回波和地物雜波的影響。三雙線偏振雷達測量降水 雙線偏振多普勒雷達能交替發(fā)射和接受水平與垂直的線偏振波，它和常規(guī)天氣雷達相比，除同樣能測定云、降水粒子的反射率因子、徑向速度、譜寬外，還能測的差分反射率因子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系數(shù)HV等新的獨立變量。這對于提高雷達定量降水的精度，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雙線偏振雷達確定降水粒子類型 用雷達測量降水首先要區(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。主要是因為這些不同的降水粒子對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值的研究方法和成果。 Cherry等通過對各種類型的滴譜和粒子形狀的分布，認為用10cm波長雷達觀測時，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兩個參數(shù)，計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”ⅲ琀表示冰雹，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 出不同的降水粒子時各偏振變量的大概變化特征：1) 對于純降雨區(qū)(即在融化層以下的雨滴區(qū))，ZH易隨雨強增大而變大，ZV為正值，當出現(xiàn)大雨滴時，ZV可達35dB。一般小雨的KDP為，但在含有冰核的大雨滴時也可達，DP在波束通過廣大的大雨區(qū)時可達上百度。HV值在純雨滴或純小冰雹時是接近于1的。這與理論計算結果基本相符。2) 對于雨及冰雹共存區(qū)，會在同一個區(qū)中出現(xiàn)較大的ZH值與較小的ZDR值。如ZH50dBz)及負的ZDR值(如一l到一3dB)，KDP值也較大(但隨機取向的冰雹除外)。5) 應指出，ZH值與KDP值有著明顯的相關性，對于純雨滴在M一P分布時，可得到ZH=13.86109(KDP)+48.2 (9) 的關系。若ZH值對應的KDP值過大，即點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雙線偏振雷達測量降水的方法比較 利用雙線偏振雷達的不同參量進行組合，可以得到不同的測雨方法及測雨效果，下面對適用于對流性降水的四種估測降水方法進行對比分析：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分別表示運用四種方法計算得出的雨強，單位：mmh-1；式中ZH的單位為mm6m-3，KDP的單位為km-1。 方法1只利用一個反射率因子ZH來估測降水，由于ZH-R關系受雨滴譜型變化影響較大，假定雨滴是球形的，中到大雨使估測降水強度的精度誤差更大。方法2利用了反射率因子ZH和差分反射因子ZV兩個參量，該測雨方法對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直接估測降水，在測量強降水方面精度有很大提高，該方法對雨滴譜變化較不敏感，KDP本身也易精確測量，在探測云體內微物理結構方面有很大的潛力。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可以提高雷達探測效果，且液態(tài)水對它的貢獻最大，引入?yún)⒘縕V明顯改善了常規(guī)雷達反演強降水過大的現(xiàn)象。 由于降雨的復雜性，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。研究結果表明：雙線偏振雷達可以改善小到中雨的測雨效果，它使常規(guī)雷達測雨的小雨高估，大雨低估的趨勢減弱。四結論 本論文總結了雙線偏振雷達可以獲取的主要氣象參數(shù)，并且討論了雙線偏振雷達在降水類型分類以及降水強度反演方面的應用。及時開展雙線偏振雷達精確測量降水、識別降水粒子相態(tài)有著深遠地現(xiàn)實意義與理論意義，發(fā)展多種雙線偏振多普勒天氣雷達資料的分析和應用方法，更好地顯示出偏振雷達在暴洪監(jiān)測、粒子相態(tài)識別、云和降水物理、人工影響天氣、閃電物理、氣象服務保障等領域有很大的潛力。 雙線偏振技術能明顯增強雷達估測降水、識別降水粒子相態(tài)的能力，是天氣雷達未來幾年的一個發(fā)展方向。目前，美國國家天氣局已經(jīng)將雙線偏振技術的使用，作為下一步對新一代天氣雷達進行更新改造的重要內容，已有幾部雷達得到了雙線偏振技術改造，并應用于科研中。在我國，該技術的推廣和應用仍需要多方努力，一些重要應用技術和方法還沒有得到解決。加強雷達廠家、科研單位和業(yè)務單位合作是推進這些技術發(fā)展和最終投入業(yè)務運行的重要措施。參考文獻:1 胡勝 胡東明 汪瑛 葉愛芬 劉運策.雙線偏振多普勒雷達及其探測技術的應用.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定量探測降水強度方法的研究.中國氣象科學研究院 碩士學位論文.4 尹忠海胡紹萍張沛源.雙線偏振多普勒雷達測量降水.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