双线偏振雷达原理及其在估算降水方面的应用 (2).doc

双线偏振多普勒雷达测量降水 张晶南京信息工程大学大气遥感科学与技术专业，南京 210044摘要：介绍了双线偏振多普勒天气雷达的基本原理和双偏振参量，并且阐述了双线偏振雷达在降水类型分类以及降水强度反演方面的应用，比较了几种较常使用的估测降水强度的算法，并分析了不同算法之间的差异。双线偏振多普勒天气雷达可以比常规天气雷达从云雨粒子中获取更多的雷达回波参量，可以明显提高降水强度的估测精度，改善雷达测量单点流域的降水和降水总量的效果，提高雷达对降水监测预报的能力，具有很大的应用潜力。关键字：双线偏振；多普勒雷达；偏振参量；测量降水一引言 用地面微波雷达研究云和降水起源于第二次世界大战后期，当时的雷达主要用于监视敌方的飞机，后来雷达操作人员发现天空中的云及降水也能产生回波。随着科学技术的发展特别是高性能计算机的出现，天气雷达的数字化及利用Doppler原理测量风速均成为了现实。雷达气象学家们在天气雷达测量降水方面做了大量的探索研究。用雷达测量降水的方法多种多样，总的来说，其技术主要有三种：(1)传统测量方法，即通过雷达反射率因子Z和降水强度I间的关系直接测量降水；(2)衰减法，其基本思想是在晴朗天气下，测得某些固定目标物(如地物或其他)的回波功率，在雨天再测量这些固定目标物的回波功率，建立平均衰减系数Kt与降水强度I间的关系测量降水；(3)多参数法，即利用双线偏振雷达所获得的偏振参数和降水强度之间的关系来测量降水。二双线偏振雷达主要参量 双线偏振雷达能够得到的主要参量为：水平和垂直反射率因子ZH和ZV，差分反射率因子ZDR，差分传播相位变化DP，差分传播相位常数KDP。1.水平和垂直反射率因子ZH和ZV发射水平偏振波时水平反射率因子的表达式为： （1）式中，DH为雷达探测的粒子在水平方向的尺寸，N(D)为降水粒子的滴谱分布。垂直反射率因子的表达式为： （2）式中，DV为雷达探测的粒子在垂直方向的尺寸。2.水平和垂直方向的衰减因子Ah,v (3)式中Kh,v为散射体中复波数， (4)K0为真空中的波数，K0=2/，fh,v(D)为前向散射系数，N(D)为散射体的数密度。在降雨过程中，Ah,v随着雨强的增大而增大。同样雨强或准确地说对于同一降雨体同一时刻的观测，波长短的电磁波穿过雨区时，Ah,v大；波长长的电磁波穿过雨区时，Ah,v小。3. 线性退偏振比LDRVH (5) LDRVH表示雷达接收到正交偏振分量与同极偏振分量功率之比。当雷达发射水平偏振波时，对球形散射体或者轴对称粒子(其对称轴平行或垂直于偏振平面)，散射体会返回相同极化方向的电磁波，导致LDRVH趋于-；否则，会有正交分量的能量返回。雷达探测到的LDRVH值大小主要与水凝聚物的形状，形状的不规则性、相态、介电常数及水凝聚物相对于偏振平面的倾角有关。通常，比较其他偏振参数而言，LDRVH对雷达的噪声更为敏感，因为散射体返回的正交极化信号比同极信号要小2到3个量级。例如，有人用CSU-CHILL雷达测量到最小LDRVH值是-34 dB(见文献19)。LDRVH值与粒子数浓度和雷达参数标定无关，但与传输效应有关。4.差分反射率因子ZV差分反射率因子ZV可以从雷达水平和垂直反射率因子计算得到： (6) ZV是对以反射率因子为权重的降水粒子的平均轴比的测量。大量的大尺度粒子也能严重影响ZV的信号。这些粒子能够产生大的反射率因子。差分反射率因子不受粒子总数的影响，主要依赖于粒子总数在不同尺寸上的分布。5.差分传播相位变化ZV和差分传播相位常数KDP双程差分传播相位变化定义为： (7)HH和VV分别为雷达信号在水平和垂直极化时，在某一个特定距离处往返到达天线的双程相角。一个更加有用的参数为差分传播相位常数KDP，其定义为： (8) 式中，r1和r2分别为测量点1和测量点2与雷达的距离。KDP的单位为() /km。KDP是水平和垂直极化波传播常数的差。KDP的差异包含各向同性粒子和各向异性粒子的差异。因为各向同性粒子对于水平和垂直极化波能产生相近的相移，故KDP的差异主要归因于各向异性粒子组成的差异。KDP对粒子分布的变化不敏感，它的测量值不受部分波束阻挡和各向同性粒子的影响，但它依赖于粒子数的密度。6.零滞后相关系数 零滞后相关系数HV(0)定义为水平偏振回波信号与垂直偏振回波信号的零滞后互相关系数的幅值，反映了水平和垂直偏振波的后向散射特征的相关性。对于雷利散射而言，可用|HV(0)|来说明由于水凝物水平和垂直大小的变化而引起的非相关程度。|HV(0)|值与雷达的标定、水凝物的浓度及传输的影响无关，但对雷达信噪比比较敏感，也易受到旁瓣回波和地物杂波的影响。三双线偏振雷达测量降水 双线偏振多普勒雷达能交替发射和接受水平与垂直的线偏振波，它和常规天气雷达相比，除同样能测定云、降水粒子的反射率因子、径向速度、谱宽外，还能测的差分反射率因子ZDR、双程差示传播相位变化DP及两种不同偏振之间的线相关系数HV等新的独立变量。这对于提高雷达定量降水的精度，以及了解降水粒子的大小分布、形状、相态和空间取向等均十分有用。3.1双线偏振雷达确定降水粒子类型 用雷达测量降水首先要区分降水颗粒的类型冰雹、霰/小冰雹、雨、雪、雨与湿冰雹混合物及混合态粒子。主要是因为这些不同的降水粒子对电磁波的散射有不同的散射模式(Rayleigh散射或Mie散射)及不同的介电常数。 有很多专家正致力于双线偏振雷达确定降水粒子类型方面的研究，并已经得到许多具有参考价值的研究方法和成果。 Cherry等通过对各种类型的滴谱和粒子形状的分布，认为用10cm波长雷达观测时，各种降水类型的Z和ZV的数值大小可定性地用表1表示。 降水类型ZZV说明雨高高大扁水滴毛毛雨、云或雾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体雨夹雪或湿雪高高大而扁，水平取向湿霰高负值大，锥形，垂直取向粒子湿冰雹高多种大粒子，大多呈球形干冰雹或其他高密度粒子中低 表1如下图所示，利用ZH和ZV两个参数，计算出各降水类型的大概范围，其中，RS、RM、RL分别表示小雨、中雨、大雨，G/HS表示霰粒或小冰雹，H表示冰雹，R/H表示雨和冰雹混合性降水。图1根据以上图表，可以总结 出不同的降水粒子时各偏振变量的大概变化特征：1) 对于纯降雨区(即在融化层以下的雨滴区)，ZH易随雨强增大而变大，ZV为正值，当出现大雨滴时，ZV可达35dB。一般小雨的KDP为，但在含有冰核的大雨滴时也可达，DP在波束通过广大的大雨区时可达上百度。HV值在纯雨滴或纯小冰雹时是接近于1的。这与理论计算结果基本相符。2) 对于雨及冰雹共存区，会在同一个区中出现较大的ZH值与较小的ZDR值。如ZH50dBz)及负的ZDR值(如一l到一3dB)，KDP值也较大(但随机取向的冰雹除外)。5) 应指出，ZH值与KDP值有着明显的相关性，对于纯雨滴在M一P分布时，可得到ZH=13.86109(KDP)+48.2 (9) 的关系。若ZH值对应的KDP值过大，即点子偏离上述方程的曲线。则可能是ZH值的系统误差，或者雨滴中有冰核。KDP值的大小还可以反映出液态水含量的多少。3.2双线偏振雷达测量降水的方法比较 利用双线偏振雷达的不同参量进行组合，可以得到不同的测雨方法及测雨效果，下面对适用于对流性降水的四种估测降水方法进行对比分析：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分别表示运用四种方法计算得出的雨强，单位：mmh-1；式中ZH的单位为mm6m-3，KDP的单位为km-1。 方法1只利用一个反射率因子ZH来估测降水，由于ZH-R关系受雨滴谱型变化影响较大，假定雨滴是球形的，中到大雨使估测降水强度的精度误差更大。方法2利用了反射率因子ZH和差分反射因子ZV两个参量，该测雨方法对滴谱分布变化敏感性较差，利用双参数(ZH、ZV)的方法提高了降水精度。方法3利用KDP直接估测降水，在测量强降水方面精度有很大提高，该方法对雨滴谱变化较不敏感，KDP本身也易精确测量，在探测云体内微物理结构方面有很大的潜力。方法4是联合差分反射率因子ZV、差分传播相移率KDP反演降水，ZV可以反映滴谱中大小粒子比例的变化，KDP可以提高雷达探测效果，且液态水对它的贡献最大，引入参量ZV明显改善了常规雷达反演强降水过大的现象。 由于降雨的复杂性，提出的方法也是见仁见智，但主要的偏振参数仅有ZH、ZV、ZV、KDP等。研究结果表明：双线偏振雷达可以改善小到中雨的测雨效果，它使常规雷达测雨的小雨高估，大雨低估的趋势减弱。四结论 本论文总结了双线偏振雷达可以获取的主要气象参数，并且讨论了双线偏振雷达在降水类型分类以及降水强度反演方面的应用。及时开展双线偏振雷达精确测量降水、识别降水粒子相态有着深远地现实意义与理论意义，发展多种双线偏振多普勒天气雷达资料的分析和应用方法，更好地显示出偏振雷达在暴洪监测、粒子相态识别、云和降水物理、人工影响天气、闪电物理、气象服务保障等领域有很大的潜力。 双线偏振技术能明显增强雷达估测降水、识别降水粒子相态的能力，是天气雷达未来几年的一个发展方向。目前，美国国家天气局已经将双线偏振技术的使用，作为下一步对新一代天气雷达进行更新改造的重要内容，已有几部雷达得到了双线偏振技术改造，并应用于科研中。在我国，该技术的推广和应用仍需要多方努力，一些重要应用技术和方法还没有得到解决。加强雷达厂家、科研单位和业务单位合作是推进这些技术发展和最终投入业务运行的重要措施。参考文献:1 胡胜 胡东明 汪瑛 叶爱芬 刘运策.双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用.广东气象.第4期.2006 年11月.2 王建林 刘黎平 曹俊武.双线偏振多普勒雷达估算降水方法的比较研究.气象.第31卷第8期.3 王建林.双线偏振多普勒雷达定量探测降水强度方法的研究.中国气象科学研究院 硕士学位论文.4 尹忠海胡绍萍张沛源.双线偏振多普勒雷达测量降水.气象科技.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