双偏振天气雷达产品分析应用

双偏振多普勒天气雷达产品的分析应用双偏振多普勒天气雷达基本工作原理大水滴，冰雹，雪花，冰晶等水成物通常不是球形的，而且其形状，相态在空中的取向等也是不同的非球对称中最简单的情况是旋转椭球体。旋转椭球体有a,b,c三个轴，其中两个轴相等，相等的两个轴（如图中的b=c）称为对称轴，另外一个绕其旋转的轴（图中的a轴）称为旋转轴或主轴(a)扁旋转椭球体（b）长旋转椭球体图旋转椭球体示意图当a<b=c时，说明是以椭圆的短半轴作为旋转轴而得到的椭球体，如图a所示，称为扁旋转椭球体。园片状冰晶和扁的大雨滴可近似看成是旋转扁椭球体a>b=c时，是以椭园的长半轴作为旋转而得到的椭球体。当如图b所示，称为长旋转椭球体，柱体冰晶可以近似看成是旋转长椭球体这种小椭球粒子的非球形程度可用椭率（a/b）来表示。a/b=1为球形粒子，a/b<1说明对称轴大于旋转轴，称为扁旋转椭球体，其值越小，旋转椭球越扁。a/b>1，为长旋转椭球体，其值越大，旋转椭球体越长。

据相关的散射理论可知，在非球形粒子（包括椭球形粒子）散射场中，除出现和入射电场相平行的散射电场分量外（称平行偏转分量）。还可能出现和入射电场相垂直的散射电场分量（称作正交偏转分量）。而且这两种偏转分量所造成的能流密度S或回波功率大小与椭球粒子的相态，取向，粒子大小有关。假如在回波中能获取到偏振信息，则可能估计出降水区中降水粒子的形状，大小，相态和粒子在空中的取向的信息。双偏振天气雷达能回波中能在获取到偏振信息,则可能估计出降水区中降水粒子的形状，大小，相态和粒子在空中的取向的信息。目前使用的雷达一般只发射水平偏振波，同时也只能接收水平偏振回波。而双偏振天气雷达既能发射水平、垂直偏振波，又能接收水平、垂直偏振波，它能充分地利用气象回波中与入射波平行，正交的偏振分量。双偏振天气雷达有两种工作方式：交替发射方式和同时发射方式。交替发射方式的雷达结构相对简单，成本底，但精度也较低。同时发射方式，是在一个脉冲周期内，同时发射水平偏振波和垂直偏振波，并同时接收水平和垂直偏振回波的工作方式。对这种工作方式的回波进行采样，如图图同时发射方式回波采样信号时间序列示意图交替发射方式，是指发射波的偏振状态以雷达触发脉冲为周期交替进行的工作方式。在第一个脉冲周期内，雷达发射水平偏振波并接收它的水平偏振回波；在下一个脉冲周期内，发射垂直偏振波并接收垂直偏振回波；如此交替进行。如图图9-6交替发射方式的回波采样信号时间序列示意图图9-6交替发射方式的回波采样信号时间序列示意图近年来的研究表明，双偏振多普勒天气雷达的优越性主要表现在提高定量降水的测量精度和降水粒子性质的识别上。双线偏振雷达测量的产品1.水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子以Zhh表示发射水平偏振波并接受水平偏振波得到的反射率因子；Zvv表示发射垂直偏振波接收垂直偏振波得到的反射率因子；Zvh表示发射垂直偏振波接收水平偏振波得到的反射率因子。差示反射率因子是双线偏振雷达所能得到的最常用的参数。表示式为：Zdr=10lg[Zhh/Zvv]显然，Zdr反映的是水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子之比。比值的大小直接和粒子的形状（非球形）有关。从前面我们已知粒子的非球形程度是用椭率（a/b）来表示的，a，b分别是旋转椭球的旋转轴和对称轴的半径。单个粒子的Zdr和a/b之间的关系如图所示。它是等效直径为0.4cm的旋转椭球粒子Zdr与a/b之间的关系。不同等效直径的粒子的曲线有所不同，但变化趋势是相同的。图Zdr与a/b之间关系从图可知，a/b值越小，即粒子越扁。则值Zdr越大。当a/b接近于1（粒子接近球形）时，几乎为零。实际降水区中，大雨滴接近于扁椭球，相应的Zdr就是较大的正值小雨滴和翻滚下落中的大冰雹接近球形，因此，相应的Zdr就接于零。当在实际探测中发现某一区域具有很大的Z值，对比这个区域的Zdr很小，则可以辨别这里出现的是冰雹。图一次冰雹云的Zdr和Zhh对比如图是美国国家大气研究中心（NCAR）的CP-2雷达（10cm波长）在科罗拉多州丹佛收集的一次冰雹云回波，其中左图是Zhh，右图是Zdr，对比可见回波反射率因子Zhh很大，且具有明显的冰雹回波结构特征，反映在Zdr上则是大部分区域保持低值，这正是翻滚下落的大冰雹存在所致。图为南京地区10cm波长双线偏振多普勒雷达探测的一次层状云降水RHI回波图，左上图为反射率因子Zhh回波分布，左下图为相应的差示反射率Zdr图像。由左上图明显可见，在中层存在一较强的回波带，在其上下均为弱回波区，这较强回波带即为零度层亮带，它是对流较弱的回波特征。9-9一次层状云降水四参数RHI图像由零度层亮带回波的成因可见，零度层亮带中存在着大量正在融化中的类似偏椭球状的冰晶和雪花，由于对流很弱，没有翻滚下落的现象，导致图中左下图的Zdr图像中形成了一条Zdr大值带，其位置和左上图的零度层亮带位置相同。

双程差示传播相位变量FIdp和差示传播相位常数Kdp

多普勒天气雷达可以获得目标相对雷达运动产生的相位差。同样运动状态的降水区对于水平偏振波和垂直偏振波引起的相位变化是不同的。这个两者之间的差值与降水区的特性有关。双程差示传播相位变量就是表示两者之间差的参量，即

FIdp=FIhh–FIvv其中，FIhh和FIvv分别是水平偏振回波的和垂直偏振回波的相位。由于这个差值是雷达电磁波往返雷达和降水区之间的结果，所以称之为双程差示传播相位变量。上述相位变量的产生，实际上是由于水平偏振波和垂直偏振波在不同特性的降水区中传播时传播相位常数不同引起的。上述相位变量的产生，实际上是由于水平偏振波和垂直偏振波在不同特性的降水区中传播时传播相位常数不同引起的。。差示传播相位常数Kdp就是表示传播相位常数不同的参量，它的平均值可由下式表示，即Kdp=其中，r2和r1分别表示降水区中两个测量点离雷达的距离，Kdp则是降水区中两点间的平均差示传播相位常数。一般来讲，降水区中的液态水含量越多，Kdp值越大。图中的右上图为差示传播相位常数Kdp分布图像，对照左上图的Zhh分布，可见在零度层亮带处为正的Kdp大值带，这是由于在那里聚集了大量融化中的冰晶和雪花表面湿润，其散射性质和液态水滴基本相同，所以形成了Kdp大值带。

一次层状云降水四参数RHI图像零滞后相关系数ρhv（0）零滞后相关系数实际上是描述同时接收到的Zhh和Zvv之间相关程度的物理量相关系数的大小对于粒子的椭率的变化，倾斜角，形状不规则性以及相态是比较敏感的。对于瑞利散射体而言，其值大小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。模拟和观测显示水凝物相态多样性和形状的多样性会引起相关系数的减小。在只有一种凝聚物类型中的相关系数值要比多种水凝物中的值要高。相关系数的值与雷达的标定，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，也容易受到旁瓣回波和地物杂波的影响。对于毛毛雨及干雪，零滞后相关系数的理论值约为0.99。对于雨和冰晶，相关系数小于0.99。具有亮带特性的混合性降水的相关系数较小，主要是因为降水粒子形态和方向性的变化较大。在降水粒子中存在融化状态的雪时，相关系数在0.8到0.95之间。而在雨与冰雹的混合性降水中，相关系数能降到0.8。相关系数可以用来探测混合相态的降水及冰雹。图中右下图为零滞后相关系数ρhv（0）分布图像，由于零度层亮带中存在雨滴和融化状态的雪花和冰晶，不同相态的降水粒子共存和粒子方向性变化较大等原因，导致在那里形成ρhv（0）的小值带，而在零度层以上和以下，分别为比较单一的冰晶雪花和已融化成雨滴的较单一的相态，所以其ρhv（0）值均比零度层亮带处的要大。

一次层状云降水四参数RHI图像线退偏振比Ldr当雷达有两组天线时，一组用来发射和接收水平偏振波，另一组用来接收降水粒子在水平偏振波照射下由于粒子形状非球形而同时产生的垂直偏振分量，则可以同时得到分别表示水平偏振反射率因子Zhh和垂直偏振反射率因子Zhv的值，两者之比以分贝表示称为线退偏振比LdrLdr=10lg[Zhv/Zhh]显然，通过Ldr的大小可以推断降水粒子的形状。对于完全球形的粒子，Ldr近于-(infinite)dB，对于细长目标（如金属丝），Ldr近于0dB，对于典型的实际气象目标Ldr在-15到-35dB之间。在气象中的应用上述产品一般都是从某一个角度反映粒子的某一个方面特征，所以往往需要结合起来分析才能获得有关降水粒子的有用信息。近年来的研究表明，双偏振多普勒天气雷达的优越性主要表现在提高定量降水的测量精度和降水粒子性质的识别上。改善雷达定量测量降水的精度以往在定量测量降水时，多采用Z—I关系Z—I关系随雨滴谱型变化较明显，普适性较差，而且假定雨滴是球形，忽略了大雨滴非球形带来的影响，故其测雨精度不高理论研究及实验均证明，采用Zdr,Kdp等偏振变量建立的测雨方程，由于这些变量对雨滴谱变化相对说来较不敏感，又考虑了雨滴非球形的影响，所以可提高测雨精度U1brich、Atlas等人提出用形式的定量测量降水的公式，可以把由于雨滴谱不同引起的误差从33%下降到14%Chandrasekar等（1990）数值模拟的结果表明，在降水量大于70mm/h时I（Kdp）方法的精度更高。这是Kdp只与液态水含量有关，而不受冰雹出现影响的结果。对于常规天气雷达采用：对于双线偏振雷达采用：而双线偏振多普勒雷达一般采用：式中A0、A1、A2、A3和b0、b1、b2、b3为常系数图是10公分雷达对一次Alberta风暴探测时分别用I（Z）和I（Kdp）方法测得的降雨量与雨量筒实测雨量的比较式中A2=37,b2=0.886从图可知，用”+”号表示的I（Kdp）方法测得的结果绝大部分都处在拟合曲线（虚线）的两侧，而用“0”号表示的I（Z）方法测得的结果偏离拟合曲线（实线）的程度要大得多。Chandrasekar等（1990）数值模拟的结果表明，在降水量大于70mm/h时I（Kdp）方法的精度更高。这是只与液态水含量有关，而不受冰雹出现影响的结果。识别降水粒子相态由于双线偏振多普勒天气雷达可以同时获取与粒子形状和相态的多个产品，综合考虑这些参数，可以提高对水成物粒子的识别能力,如Zdr反映粒子在水平和垂直方向的变形信息，在低仰角观测时，它的值越大，对应的可能是大雨滴或者扁平的冰晶，大雨滴的Zhh值一般大于扁平的冰晶，据此可以将二者区分开如在低仰角观测时,小的近似零的Zdr值反映的是大云滴，毛毛雨或低密度的聚合雪晶高仰角观测时的柱状，圆盘状冰晶,Zdr近似零冰雹的值也比较小，但它的Zhh较大，据此也可以区分降冰雹还是降雨。如图就是应用Zdr和Zhh信息分别判断一次冰雹过程和层状云降水过程的例子图一次冰雹云的Zdr和Zhh对比其中左图是Zhh，右图是Zdr，对比可见回波反射率因子Zhh很大，且具有明显的冰雹回波结构特征，反映在Zdr上则是大部分区域保持低值，这正是翻滚下落的大冰雹存在所致图1990年8月9日的冰雹过程Zhh和Zdr的RHI分布上图是甘肃平凉1990年8月9日14：40探测到一次雹暴过程的Zhh和Zdr的RHI图像，左边Zhh图中可见，出现在2km高度上的强中心为55dBZ。右边Zdr图的左下侧，Zhh为-1～-3dB，当时地面下的是核桃大的冰雹，在3km到4km高度，Zdr突变为1-3dB的正值，这可能是那里对流较弱，呈扁椭球状的冰雹下落时不再明显翻滚，从而导致Zdr变为正值。在4km以上区域出现Zhh大值区，Zdr值均匀的为+1dB左右，估计是由小冰雹和略呈扁椭球状的大过冷水滴造成下图是15：06，方位330度的RHI情况，与上图类似，不再赘述。图a图9-14多普勒四参数RHI图像（2009年6月5日）图b图9-15双偏振四参数RHI图像（2009年6月5日）图a为2009年6月5日南京地区多普勒双线偏振雷达（10cm波长）探测到的一次冰雹过程的多普勒四参数（反射率Zhh，无订正强度，多普勒速度，谱宽）RHI图像。图b为同时刻探测的双偏振四参数（Zhh，Zdr，Kdp，ρhv（0））RHI图像在图a左上侧的Zhh图像中，45dBZ强回波已伸展到11km左右，另外呈花椰菜状的回波形态等都说明是雹云形态，相应右上侧的多普勒速度图像中，约3.8km高度以下的辐合区窄而弱，而在3.8到10km高度层中，辐合区宽而强，正负速度值均已达到12m/s以上，这说明该层的对流程度比3.8km以下的区域要强得多。相应图b左下侧的Zdr参数分布中明显可见，约3.8-11kmZdr的值约为0～-1.0dB，说明该层可能主要由在强对流的作用下，致使上