双偏振雷达产品和应用介绍

BeijingMetstarRadarCompany1双偏振雷达产品和应用介绍北京敏视达雷达有限公司2015年3月本文档共61页；当前第1页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany2目录双偏振原理双偏振二次产品升级双偏振的优势业务兼容性设计本文档共61页；当前第2页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany31双偏振原理本文档共61页；当前第3页；编辑于星期三\3点41分为什么要双偏振？雷达方程以球形粒子为假设条件，但实际上粒子并非总是球形。BeijingMetstarRadarCompany4本文档共61页；当前第4页；编辑于星期三\3点41分双偏振基本原理BeijingMetstarRadarCompany5本文档共61页；当前第5页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany6双偏振的原理

敏视达双偏振雷达采用成熟的、业务上应用广泛的双发双收模式，发射机输出信号功分两路分别以水平和垂直极化方式同时发射，双通道接收机和数字中频对数据进行并行处理。

水平通道的信号用于生成单偏振数据，而双通道信号之间的差异是双偏振雷达的关键：双通道幅度差

系统要求双通道幅度差<0.2dB双通道相位差

系统要求双通道相位差<2度本文档共61页；当前第6页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany7粒子双偏振差异表现在后向散射特征不同

ZDR-反射率在不同极化方向上的差别

LDR-反射率在不同极化方向上的交叉转化

ρHV-两种极化方式信号的相关系数（幅度和相位）传播路径效应不同

ΦDP

-不同极化方向上的传播路径相位差KDP–单位距离的ΦDP

衰减效应-不同极化方向上的衰减不同本文档共61页；当前第7页；编辑于星期三\3点41分双偏振雷达探测量单偏振雷达量dBT,dBZ,V,W双偏振探测量ZDR(差分反射率)ρHV/CC(协相关系数)ΦDP(差分相移)KDP(差分相移率)LDR(退偏振比)–水平发射/双通道接收模式BeijingMetstarRadarCompany8本文档共61页；当前第8页；编辑于星期三\3点41分差分反射率(ZDR)表达一个探测空间体（距离库）的平均的粒子形状BeijingMetstarRadarCompany9本文档共61页；当前第9页；编辑于星期三\3点41分ZDR与雨滴大小ZDR值与雨滴大小密切相关BeijingMetstarRadarCompany10本文档共61页；当前第10页；编辑于星期三\3点41分ZDR与冰雹dBZ大，但ZDR小是冰雹存在一个显著的特征BeijingMetstarRadarCompany11本文档共61页；当前第11页；编辑于星期三\3点41分ZDR产品BeijingMetstarRadarCompany12C波段雷达ZDR产品样例，ZDR大的区域对应降水强的区域本文档共61页；当前第12页；编辑于星期三\3点41分协相关系数(ρHV/CC)描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度

高CC低CCBeijingMetstarRadarCompany13本文档共61页；当前第13页；编辑于星期三\3点41分协相关系数的应用气象目标CC高，非气象目标CC低融化层识别（CC较低且噪声大）大冰雹识别（CC<0.85)BeijingMetstarRadarCompany14本文档共61页；当前第14页；编辑于星期三\3点41分CC产品BeijingMetstarRadarCompany15C波段雷达CC产品样例，7.5度仰角CC产品清晰显示融化层的分布本文档共61页；当前第15页；编辑于星期三\3点41分CC产品显示融化层BeijingMetstarRadarCompany16C波段雷达CC产品样例，7.5度仰角CC产品清晰显示融化层的分布本文档共61页；当前第16页；编辑于星期三\3点41分差分传播相移ΦDP水平和垂直通道相位差电磁波在雨中传播速度变慢水平极化的电磁波传播相比垂直慢一些BeijingMetstarRadarCompany17本文档共61页；当前第17页；编辑于星期三\3点41分ΦDP解释与粒子形状相关与粒子密度有关冰雹的ΦDP趋近于零BeijingMetstarRadarCompany18

本文档共61页；当前第18页；编辑于星期三\3点41分ΦDP产品BeijingMetstarRadarCompany19C波段雷达PhiDP产品样例相位显著增大的区域为强降水区域本文档共61页；当前第19页；编辑于星期三\3点41分差分传播相移率KDPΦDP是累积效应，随距离累积，不方便直接使用。因此需要引入KDPBeijingMetstarRadarCompany20本文档共61页；当前第20页；编辑于星期三\3点41分KDP的特点和应用KDP与降水率成比例，可用来估测降水与反射率估算降水相比，KDP算降水不受冰雹影响KDP是双通道相位的差值，不需要标定BeijingMetstarRadarCompany21本文档共61页；当前第21页；编辑于星期三\3点41分KDP产品BeijingMetstarRadarCompany22C波段雷达KDP产品样例KDP大的区域对在强降水区域本文档共61页；当前第22页；编辑于星期三\3点41分退偏振比LDRLDR需要在单通道发射，双通道接收的模式下生成LDR展示粒子的退偏振特性因工作模式限制，LDR的应用比较少BeijingMetstarRadarCompany23本文档共61页；当前第23页；编辑于星期三\3点41分LDR产品BeijingMetstarRadarCompany24水平发射，双通道接收模式获得的LDR产品。仰角：30度零度层特征清晰本文档共61页；当前第24页；编辑于星期三\3点41分双偏振雷达的优势双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气能够区分气象/非气象回波能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波更准确地估计降水和降雪(双偏振QPE对冰雹、亮带不敏感，且能够过滤非气象回波的影响)探测和预警冰雹区域BeijingMetstarRadarCompany25本文档共61页；当前第25页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany262双偏振二次产品本文档共61页；当前第26页；编辑于星期三\3点41分双偏振主要二次产品BeijingMetstarRadarCompany27采用美国NEXRAD升级双偏振后的算法，开发了二次产品应用包。本文档共61页；当前第27页；编辑于星期三\3点41分双偏振主要二次产品BeijingMetstarRadarCompany28序号产品代码产品名称说明1ML融化层高度融化层识别和高度2HCL粒子相态识别粒子相态识别和分类3QPE双偏振定量降水估计双偏振定量估计降水率本文档共61页；当前第28页；编辑于星期三\3点41分融化层产品MLBeijingMetstarRadarCompany29双偏振探测量（主要是CC和Zdr）更能够体现融化层的变化。本文档共61页；当前第29页；编辑于星期三\3点41分融化层产品BeijingMetstarRadarCompany30左：反射率中：ZDR右：CC本文档共61页；当前第30页；编辑于星期三\3点41分融化层产品BeijingMetstarRadarCompany31左上：相关系数CC产品右下：融化层ML产品本文档共61页；当前第31页；编辑于星期三\3点41分融化层产品BeijingMetstarRadarCompany32产品应用：（1）每个仰角更新，提供实时不同方位的融化层高度信息；（2）融化层高度信息有助于分析雷达数据，尤其是区分固态和液态粒子；本文档共61页；当前第32页；编辑于星期三\3点41分粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany33算法输入：双偏振基数据：Z、ZDR、V、CC、PDP、KDP等6种数据。算法输出：地物杂波（GC，GroundClutter）生物杂波（BI，BiologicalScatters）干雪（DS，DryAggregatedSnow）冰水混合物（WS，WetSnow）冰晶（IC，IceCrystals）霰（GR，Graupel）大雨滴（BD，BigDrops）小雨滴（RA，LightandModerateRain）强降雨（HR，HeavyRain）冰雹（RH，MixtureofRainandHail）本文档共61页；当前第33页；编辑于星期三\3点41分粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany34TypedBZCCZDRKDPL/MRain5~500.97~1.010.0~6.00.0~1.0HeavyRain40~600.95~1.000.5~8.01.0~5.0BigDrops10~500.92~1.012.5~7.00.0~2.0HailandRain45~800.75~1.0-0.3~4.5-2.0~10Graupel30~550.92~1.01-0.3~2.2-2.0~2.0DrySnow25~500.88~0.9850.5~3.0-1.0~0.5IceCrystals0~250.95~1.01-1.0~5.0-1.0~0.5模糊逻辑算法的基本依据本文档共61页；当前第34页；编辑于星期三\3点41分粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany35左上：反射率产品右下：粒子相态分类产品本文档共61页；当前第35页；编辑于星期三\3点41分粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany36左上：未滤波的反射率右下：粒子相态分类产品本文档共61页；当前第36页；编辑于星期三\3点41分粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany37产品应用：（1）相态识别有助于雷达数据分析；（2）相态识别产品有助于快速定位和预警区域灾害性天气；（3）相态识别是双偏振降水QPE的输入。本文档共61页；当前第37页；编辑于星期三\3点41分双偏振QPE单偏振双偏振BeijingMetstarRadarCompany38混合扫描反射率R(Z)相态分类融化层信息R(Z)R(Z,ZDR)R(KDP)本文档共61页；当前第38页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany39R(Z,ZDR)AlgorithmR(Z)

传统的降水估测关系，受固态降水、亮带及标定的影响较大R(Z,ZDR) ZDR相对于dBZ受标定影响小

ZDR与粒子相态有关，计算固态降水更准确R(KDP)

KDP不受标定和衰减的影响

计算降水，不受混合冰雹的影响 对于弱降水，KDP值噪声大

计算KDP经过平滑，距离分辨率和精度之间有取舍本文档共61页；当前第39页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany40降水率算法选择本文档共61页；当前第40页；编辑于星期三\3点41分双偏振QPE产品BeijingMetstarRadarCompany41双偏振QPE的降水率产品，可用于降水累积本文档共61页；当前第41页；编辑于星期三\3点41分单/双偏振QPE对比BeijingMetstarRadarCompany42左上：单偏振3小时雨量累积右下：雨量计3小时雨量本文档共61页；当前第42页；编辑于星期三\3点41分单/双偏振QPE对比BeijingMetstarRadarCompany43左上：双偏振QPE3小时右下：雨量计3小时雨量本文档共61页；当前第43页；编辑于星期三\3点41分双偏振QPE产品BeijingMetstarRadarCompany44产品应用：（1）双偏振降水率的计算与粒子相态相关；对冰雹和亮带不敏感，并且非气象回波不影响降水估算；（2）双偏振降水估计对冰雹和亮带不敏感；（3）非气象回波不影响降水估算。本文档共61页；当前第44页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany453

升级双偏振的优势本文档共61页；当前第45页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany46双偏振升级带来的优势之一双偏振探测的优势1)双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气

2)能够区分气象/非气象回波，并能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波

3)双偏振QPE更准确地估计降水和降雪本文档共61页；当前第46页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany47双偏振升级带来的优势之二升级带来单偏振数据质量的提高

1）系统设计和标定的精度提高（幅度和相位）

2）Burst订正提高改善信号质量，提高地物抑制能力

3）相位编码过滤二次回波

4）数据分辨率提高（250米距离库）

5）天线角码速率45MS11.25MS …

这些措施的综合将提高反射率的测量精度和准确性，提高速度和谱宽数据的质量。

本文档共61页；当前第47页；编辑于星期三\3点41分双偏振数字中频模块高度集成化的多通道模块，集成度的提高降低故障率，大大增强和扩展了信号处理能力。高度集成化数字中频/信号处理模块。多通道，16位A/D，实时处理4K以上距离库数据；I/Q数据通过网线传输至主机，可实时存档I/Q数据；本文档共61页；当前第48页；编辑于星期三\3点41分发射机Burst信号采样和订正使用发射机末级采样Burst信号订正回波I/Q数据的幅度和相位，显著提高系统相噪和地物抑制能力。本文档共61页；当前第49页；编辑于星期三\3点41分动态杂波图右上：反射率（未滤波）左下：动态杂波图区域本文档共61页；当前第50页；编辑于星期三\3点41分相位编码去二次回波BeijingMetstarRadarCompany51左上：反射率产品(含二次回波）右下：去二次回波后反射率本文档共61页；当前第51页；编辑于星期三\3点41分相位编码去二次回波BeijingMetstarRadarCompany52左上：速度产品(含二次回波）右下：去二次回波后速度本文档共61页；当前第52页；编辑于星期三\3点41分相位编码去二次回波BeijingMetstarRadarCompany53左上：谱宽产品(含二次回波）右下：去二次回波后谱宽本文档共61页；当前第53页；编辑于星期三\3点41分相位编码应用在S波段示例BeijingMetstarRadarCompany54如图为美国NEXTRAD雷达升级后采用相位编码解二次回波的样例。本文档共61页；当前第54页；编辑于星期三\3点41分BeijingMetstarRadarCompany55数据分辨率提高湛江海鸥台风反射率对比图左上：1公里/1.