M-P分布时降水返回信号估算雨滴谱参数方法-论文.pdf

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1、第29卷第3期成都信息工程学院学报Vl0J．29No．32014年6月JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYJun．2014文章编号：1671．1742{2014)03—0295—07M．P分布时降水返回信号估算雨滴谱参数方法刘褚赕，一，阮征2，谢蕾一，杨了，2(1．成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225；2．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081)摘要：为了能通过简单计算得到雨滴谱参数，在假设雨滴谱分布满足M-P函数的情况下，对降水返回

2、信号估算雨滴谱参数方法进行了研究。通过雷达气象方程、雨滴下降末速度与雨滴直径的关系，得到雷达降水返回信号与雨滴谱参数之间的关系，构成方程组。采用解方程的方法，得到降水返回信号估算雨滴谱参数的解析式。用正演方法建立检验数据库，将估算值与设定值进行误差分析，截距参数的平均相对误差的平均值为0，55％，斜率参数的平均相对误差的平均值为0．84g6。研究结果表明，当雨滴谱分布服从M-P函数时，降水返回信号估算雨滴谱参数方法可行。关键词：信号与信息处理；雷达资料处理；降水返回信号；雨滴谱参数；M-P分布中图分类号：P412．25文献标志码

3、：A0引言雨滴谱是降水基本微物理特征量。雨滴谱的观测，在云降水物理过程的研究、自然降水的形成、研究微波在大气降水中的传播以及人工增雨的评估中有重要的意义。这对于气象预报、工农业生产、人工影响局部天气的效果检验，以及对水文学上估算江河流量，充分利用水利资源、控制水库蓄放，在汛期及时发布洪水警报等方面有很重要的意义。雨滴谱分布的测量技术，主要有染色滤纸法⋯1、声雨滴谱仪【2-4j、激光雨滴谱仪【5j等。近年来，很多学者应用多普勒天气雷达卜l0J获取降水中的雨滴谱分布。雨滴谱是雨滴数浓度随雨滴尺度变化的函数。宫福久等_1l_利用GBP

4、P一100型地面雨滴谱仪对层状云降水、积雨云降水和积层混合云降水进行平均雨滴谱分析，得到层状云雨滴谱比较窄，呈M-P分布；陈宝君等J在三类降水雨滴分布模式研究中层状云雨滴谱比较窄，而且大水滴偏多，特小水滴也偏多，得出M．P分布适用于稳定的层状云降水；林文等¨2J对宁夏夏季层状云降水进行雨滴平均谱分析，得出层状云降水的雨滴平均谱较为平缓，谱宽较窄，除了大滴和小滴有一些偏差外，基本符合M-P分布。在雨滴谱分布服从M—P函数的条件下，不少学者试图用降水回波信号谱参数直接估算雨滴谱参数，Wakasu．gi等]通过实测多普勒速度谱和理论模

5、拟的多普勒谱进行拟合的方法估算雨滴谱参数，但计算过程复杂；汤达章等l7j在假设雨滴谱符合指数分布的条件下，提出用雷达返回信号三阶中心矩M来估算雨滴谱参量，该方法计算简单，但假设条件过多；王晓蕾等0]提出利用双峰谱分离法获取大气垂直运动求出粒子的下降速度谱，反演降水云中的雨滴谱分布，但反演雨滴谱的方法前提是回波功率谱出现双峰谱的情形。这些方法各有所长，也各有不足的地方。所以文中对降水返回信号估算雨滴谱参数方法进行了研究，在假设降水中雨滴谱分布服从M-P分布的条件下，直接用雷达反射率因子、降水粒子下降末速度估算截距参数、斜率参数。这

6、种方法的优点是计算简单，且没有太多的假设条件。在假设降水雨滴谱分布服从M．P分布的前提下，直接用降水返回信号估算雨滴谱参数，并利用布设在腾冲地区的1320MHZ边界层风廓线雷达，对2012年6月23日的降水返回信号进行估算雨滴谱参数的试验。1方法在雨滴谱分布服从M-P函数的条件下，直接用降水返回信号估算雨滴谱参数，计算简单，且假设条件较少。收稿日期：201310—21基金项目：国家自然科学基金资助项目(41075023)；中国气象局气象关键技术集成与应用资助项目(CMAGJ2013M74)；公益性行业科研专项资助项目((2013

7、06004)296成都信息工程学院学报第29卷通过雷达气象方程、雨滴下降末速度与雨滴直径的关系，可以将雨滴谱分布与降水回波信号谱分布相联系，当雨滴谱分布符合M—P分布时，可用方程组描述雨滴谱参数和降水返回信号的关系，由雷达降水返回信号(雷达反射率因子、平均多普勒速度)估算出雨滴谱参数(截距参数、斜率参数)。雨滴谱分布常用于雷达定量测量降水、研究降水云的成雨机制、评估人工增雨的条件、研究微波在大气降水中的传播特性等。1．1雨滴谱分布模型许多研究结果表明[n，M—P指数函数能很好地描述稳定性降水雨滴谱分布：N(D)=N08(1)式中

8、，N(D)雨滴数浓度(mI3mm)，D雨滴直径(mm)，N0截距参数(m。mm一)，斜率参数(mm)。雨滴谱参数N0、A与降水强度之间的关系，不同研究者得到的结果存在一定的差异，陈宝君等[63认为』＼，随降水强度增大而增大，随降水强度增大而减小；Manhen等[