雷达气象学--双线偏振雷达探测

1、双线偏振雷达探测原理和应用介绍南京信息工程大学大气物理学院黄兴友2016-12-8双线偏振雷达双线偏振雷达现有雷达探测能力的不足现有雷达探测能力的不足: : （1 1） 难以提供降水的相态信息（冰相或液相）难以提供降水的相态信息（冰相或液相） （2 2） 难以提供降水粒子特性，（雨滴、过冷却水；冰雹的干、难以提供降水粒子特性，（雨滴、过冷却水；冰雹的干、 湿情况；雪花的干湿情况）湿情况；雪花的干湿情况） （3 3）雷达定量测量降水的精度有限（降雨、降雪、降雹）雷达定量测量降水的精度有限（降雨、降雪、降雹） （4 4）衰减订正的参考信息）衰减订正的参考信息 （5 5）区分降水目标和非降水目标（地

2、物等）区分降水目标和非降水目标（地物等）寄希望于新型双偏振雷达寄希望于新型双偏振雷达 ！电磁波的偏振电磁波的偏振双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点理论要求理论要求: : 能发射水平偏振和垂直偏振的电磁波能发射水平偏振和垂直偏振的电磁波, ,需要两种偏振状态的发射需要两种偏振状态的发射机机 能接收水平偏振和垂直偏振的回波信号能接收水平偏振和垂直偏振的回波信号, ,需要两个接收机需要两个接收机 两个发射系统性能一致两个发射系统性能一致 两个接收系统性能一致两个接收系统性能一致 两种偏振状态下的天线增益和波瓣一致两种偏振状态下的天线增益和波瓣一致双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点

3、系统体制系统体制广泛采用广泛采用 单发双收体制-NCAR 的S波段双偏振雷达 Seliga and Bringi, 1976 (JAM)-first discussion of single transmitter, dual-receiver configuration-now known as STSR双线偏振雷达获得的双线偏振雷达获得的新参量新参量 （1 1）差）差分反射率因子分反射率因子Z Zdrdr Z Zdrdr=10log10(Z=10log10(Zhhhh/Z/Zvvvv) ) （2）线性退极化比 L Ldrdr = 10log(Z = 10log(ZVHVH/Z/ZHHHH

4、) ) （3）相关系数 hv （4) 双程相位差dpdp水平、垂直偏振回波信号的相位之差 (5) 相位差常数K Kdpdp ( (单位距离上的相位差) )粒子的形状和偏振特性新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子Z Zdr dr - - 降雨情况降雨情况 Z Zdrdr=10log10(Z=10log10(Zhhhh/Z/Zvvvv) )新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子Z Zdr dr - - 降雪情况降雪情况 Z Zdrdr=10log10(Z=10log10(Zhhhh/Z/Zvvvv) )新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子Z Zd

5、r dr - - 降雹情况降雹情况 Z Zdrdr=10log10(Z=10log10(Zhhhh/Z/Zvvvv) )降雨回波的 Z和Zdr Norman, Aug/13/2011, KOUN Z Zdr 新信息的特性新信息的特性一次包含冰雹降水过程的一次包含冰雹降水过程的Zdr Zdr 约为约为0 dB0 dB雪区的Zdr零度层亮带区的Zdr新信息的特性新信息的特性昆虫回波有较大的昆虫回波有较大的ZdrZdr新信息的特性新信息的特性地物回波有较大且杂乱的地物回波有较大且杂乱的ZdrZdrZ Zdrdr 和雨滴大小的关系和雨滴大小的关系不同降水类型下不同降水类型下L Ldrdr的典型值的典型

6、值 Z Zdr dr 大大 雨滴大雨滴大, ,但关系难以确定但关系难以确定 L Ldrdr的可以反映零度曾层亮带的可以反映零度曾层亮带一次冰雹的一次冰雹的L Ldrdr的较大的较大DP =HH - VV 对球形粒子来说，垂直偏振波和水平偏振波引起的相位相同.非球形粒子对垂直偏振波和水平偏振波造成的相位不同. 如果雷达取样体积中有更多的扁椭球粒子（如强降雨、降雪或卷云中的冰晶），则水平偏振雷达电磁波的传播速度慢于垂直偏振电磁波的传播速度 HH VV = DP 0. 与波长有关相位差相位差dp及其特点及其特点相位差相位差dpdp与回波强度的大致关系与回波强度的大致关系相位常数相位常数K Kdpdp

7、与的特点与的特点 不受标定影响 不受衰减影响 Independent of attenuation 对粒子谱不敏感（Z 更敏感） 不受部分阻挡的影响 与雷达波长有关一次降水过程中DP, KDP和Z 随径向距离的变化DP DP and hydrometeors along the pathand hydrometeors along the path一次降水过程的 Z 和DP 情况 Norman, Aug/13/2011, KOUN, S band Z Z DPDP DP相关系数相关系数hvhv的特点的特点vh*hvPPVH相关系数相关系数hvhv的特点的特点反映水平偏振和垂直偏振通道的回波信号

8、的相似性特点：(1) 对于雨水，相关系数hv大于0.95，但随Zdr的增大而减小(2) 地物的hv大于可能小于0.7(3) 雪和冰雹的hv可能达到0.8左右(4) 零度层融化区,相关系数hv介于0.8 0.95用途：判别降水回波和地物回波,比较有效不同目标的相关系数典型值不同目标的相关系数典型值( (取自取自NOAA)NOAA) 雨水雨水 冰雹冰雹 软雹软雹 雪花雪花 冰晶冰晶 融化层融化层 地物杂波地物杂波 生物生物( (鸟鸟 昆虫昆虫) ) 铝箔条铝箔条 垃圾垃圾2015-3-182015-3-18上海南汇双偏阵雷达观测的回波上海南汇双偏阵雷达观测的回波强度和相关系数强度和相关系数相关系数

9、和零度层亮带 相关系数比较清晰地反映了零度层亮带的存在龙卷垃圾回波 Tornado Debris双线偏振雷达信息的显示双线偏振雷达信息的显示双线偏振雷达信息的应用双线偏振雷达信息的应用-回波分回波分类类所用的六个参量为双线偏振雷达信息的应用双线偏振雷达信息的应用-分类分类一次过程的识别结果降雨估测降雨估测-科罗拉多州立大学的降雨估测公式科罗拉多州立大学的降雨估测公式降雨估测的效果对比降雨估测的效果对比双线偏振雷达和常规雷达估测降水情况的比较双线偏振雷达的探测与应用优势双线偏振雷达的探测与应用优势偏振雷达的优势偏振雷达的优势: : 估测降水精度的改善估测降水精度的改善 Rainfall Esti

10、mation (vast improvement)Rainfall Estimation (vast improvement) 识别零度层亮带识别零度层亮带 Bright Band Detection (vast improvement)Bright Band Detection (vast improvement) 地物杂波识别和消除地物杂波识别和消除/ /雷达数据质量雷达数据质量 Clutter Filtering /Data Quality Clutter Filtering /Data Quality Improvement (vast improvement)Improvement (vast improvement) 降雨降雨/ /降雪的判别降雪的判别 Rain/Snow Discrimination (vast improvement)Rain/Snow Discrimination (vast improvement) 冰雹探测冰雹探测 Hail Detec