双线偏振雷达原理及其在估算降水方面的应用

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1、双线偏振多普勒雷达测量降水张晶南京信息工程人学人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；偏振参最；测量降水—•引言用地而微波雷达研究

2、云和降水起源于笫二次世界大战后期，当时的雷达主要用于监视敌方的飞机，后來雷达操作人员发现天空屮的云及降水也能产牛回波。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。川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：⑴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，在雨天再测屋这些固左冃标物的回波功率，建立平均衰减系数K

3、t与降水强度I间的关系测最降水；(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來测量降水。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了的表达式为：DmaxZh=(1)0式中，Dr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：DmaxZv=(2)式中，Dv为雷达探测的粒了在垂直方向的尺寸。2.水平和垂直方

4、向的衰减因子Ah.v九，=4343/,”(KQ(3)式中为散射体屮复波数，K佔K°+yfg(D)N(D)dD(4)Ko为真空中的波数,如2兀/入，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,随着用强的增人而增人。同样用强或准确地说对于同一降南体同一时刻的观测,波长短的电磁波穿过雨区时，Ah,大；波长长的电磁波穿过雨区时，A*.小。1.线性退偏振比LDRvhZLD/?w=101og(-^)(5)乙HHLDRvh表示雷达接收到正交偏振分虽与同极偏振分量功率Z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

5、轴平行或垂肓于偏振平面)，散射体会返I叫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值人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而的倾角有关。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-34clB(见文献[⑼)。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。2.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宜反

6、射率因了计算得到：ZDR=10*^(ZH/ZV)(6)Zv是対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。这些粒子能够产牛大的反射率因子。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。3.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)①和①VV分别为雷达信号在水平和垂宜极化时，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：K”一①”(血)1*[2(勺一斤)]7(8)式中，N和「2分别为测量点1和测量

7、点2与雷达的距离。Kdp的单位为(°)/km0Kdp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了和各向异性粒了的差异。因为各向同性粒子对于水平和垂肓•极化波能产生相近的相移，故Kdp的差界主耍归因于各向界性粒了组成的差异。Kdp対粒子分布的变化不敏感，它的测量值不受部分波朿阻挡和各向同性粒子的影响，但它依赖于粒子数的密度。4.零滞后和关系数pHV（0）零滞后相关系数piMO）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和关系数的幅值，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IPHV（（））

8、来说明

9、由于水凝物水平和垂肓人小的变化而引起的非和关程度。丨PHV（（））I值与雷达的标定、水凝物的浓度及传输的彩响无关，但对雷达信噪比比较敏感