雷达测量降水.doc

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1、雷达测量降水1雷达测雨的基本原理天气雷达天线发射脉冲式电磁波，当电磁波遇到降水或某些云目标，一部分电磁波会被散射。雷达接收从云雨散射回来的回波信号，通过对回波信号强度的分析处理，可确定降水或云的存在及其特性。根据电磁波传播的速度和发射与接收脉冲信号的时间差可计算出目标物到雷达的距离；根据雷达扫描转动的方位角和仰角以及目标物至雷达的距离，可确定目标物的空间位置。Pr=Z通过对返回信号强度的测量，由雷达气象方程可计算出目标物对电磁波的散射能力。用于降水粒子时，简化的气象雷达方程式为：Z=A式中：Pr为平均接收功率。C为由雷达型号决定的雷达常数，它与发

2、射功率、波长、天线增益、波束宽度等雷达参数有关。k2为降水粒子相态的函数，与降水粒子介电常数有关，一般来说，水的k2值为0.93，冰为0.18。r为距雷达的距离。Z为雷达反射因子，是单位体积中降水粒子直径6次方的累计和，表示为，常以1mm6/m3为基准的分贝表示，记为dBz，可以应用气象雷达方程式根据平均接收功率求取。由于降水粒子直径并非均一分布，在实际应用中常用其一般形式：,式中的A和b为经验系数，随降水类型和地理位置的不同而变。在各种Z~R关系式中，在A在16.6~730范围内。因此，测定了降水区的反射因子Z，则可计算降水强度R及其分布。2雷

3、达测雨误差分析由于雷达测量降水可以得到具有一定精度的、大范围高时空分辨率的实时降水信息，因此应用雷达进行降雨监视和面雨量计算，可以提高洪水预报的精度和时效性。但要清楚地认识到，由于技术本身的复杂性和其它原因，目前的雷达测雨存在一定的误差，特别是大范围降水测量的准确性尚不能完全满足气象业务应用的要求。雷达测雨误差主要来源于以下几方面：a)雷达电磁波的波长对降水测量的影响。在雷达气象方程式中，平均接收功率Pr与雷达波长、天线增益及波束宽度等有关。在天线大小固定的情况下，Pr与波长的4次方成反比，即波长越短，Pr越大，探测能力越强，因此波长短有利于探测

4、降水。但是，在电磁波传播途中大气气体和降水都对其有衰减作用。b)雨滴谱变化和Z~R关系的不确定性。降水强度与降水粒子直径的分布即雨滴谱有关，Z~R关系亦与雨滴谱密切相关。在同样的降水强度下，对流降水和暖云降水由于雨滴谱不同而反射因子Z不同。在同一次降水过程中，云的不同发展阶段雨滴谱也不一样。因此，Z~R关系是不确定的。严格讲，关系应在进行雨滴谱测量的基础上通过计算得到，但在实际应用中很难做到。目前在业务工作中使用的大多是固定的经验关系，必然影响计算的精度。c)雷达测量高度以下的反射因子变化的影响。在降水过程中，由于水滴蒸发、大气运动及水的相变，雷

5、达反射因子在垂直方向上有很大变化。同时雷达电磁波的路径(即使是水平发射的路径)随距离的延伸而离开地表面，水平距离越远，垂直距离也越大，因此，雷达观测的降水和实际落地的降水差距也越大。同时随距离的延伸，波束的空间扩展也增大。d)地物杂波和阻挡。气象雷达的主要观测对象是降水回波，但同时也不可避免地观测到山岳等地形反射的回波。有时这种地形杂波与降水回波混在一起不易区分。此外，由于地物等障碍物阻挡了电磁波的传播路径，其后和降水回波无法探测到。如果因此提高天线的仰角又提高了波束距地表的垂直距离而增大了观测误差。e)与雷达本身性能有关的测量误差。与雷达性能有

6、关的测量误差还与雷达设备本身的稳定性有关。雷达设备在经过一段时间的运行后，发射机、接收机等性能会有变化。f)非正常传播(AP)。假设雷达的波束是在标准大气中传播的，这样可以计算波束高度。如果大气状态不标准，那么波束传播会是不同的方式，或者说非正常地传播。非正常传播，一般指的是波束被超折射并在远离正常的地物杂波区处撞到地面。因此，AP是真正的远离雷达区域的地物杂波。这些来自非正常传播波束的能量会被包含在Z~R方程里，就象正常地物杂波那样会引起降水的过量估计。g)波束部分充塞。波束部分充塞一般对距离雷达较远的气象目标是个问题。雷达测量必须做的假定之一

7、就是所有的目标完全充满波束，因为它没有别的确定方法。因此，在这个距离上比波束窄的目标物会显示得比真实情况大。来自小目标物的能量被平均到整个宽的波束上，结果是低估了降水量(整个区域范围是高估的)。3雷达估计降水研究现状天气雷达问世以来，估测降水一直是其主要目标。根据不同的研究目的和方向，雷达估测降水的方法大致可分为二类：一类是基于雨量计在点上的精确测量联合雷达估测降水强度；一类是直接利用Z~R关系确定降水强度，估计降水分布。前一类适合短时应用，后一类比较适合长时段气候应用。基于雨量计校准的方法认为雨量计在点上精确测量降水，校准的目的尽可能缩小雷达和

8、雨量计在雨量站点上测量的偏差，用客观分析方法在空间上提取校准场，从而得到降水分析场。Brandes(1975年)年引入Barnes客观分