双偏振雷达主波束非均匀填充影响研究

论文总字数：18671字

目 录

摘 要.....................................................................................................................Ⅰ Abstract...................................................................................................................Ⅱ

目 录..................................................................................................................Ⅲ 1 引言.......................................................................................................................1

2 双线偏振多普勒雷达及其参介...........................................................................2

3 双线偏振雷达波束非均匀分布（NUBF）影响研究...........................................6

3.1NUBF现象成因...........................................................................................6

3.2NUBF现象个例分析...................................................................................8

3.3NUBF现象统计分析..................................................................................11

3.4NUBF现象的识别......................................................................................22

4 结论......................................................................................................................16

参考文献..................................................................................................................17

1引言

由于电子以及计算机技术的迅猛发展，气象仪器更新换代的步伐明显加快。目前，多普勒天气雷达已经成为了预报天气现象，特别是灾害性天气不可或缺的重要手段，它被广泛地运用在天气监测以及气象科学研究领域^［1-2］。其中，双线偏振多普勒雷达以其独特的优势，受到人们越来越多的青睐。新一代双线偏振多普勒天气雷达不仅能够测量出常规天气雷达所能测得的信息之外，还能测得多种双线偏振参量。这些双线偏振参量能够提供更多的杂波特征，为非降水回波的识别和分析提供了可靠的技术保障^[3]。但是双线偏振多普勒雷达在实际的探测过程中，偏振变量的数据质量容易受到较多因素的影响。双偏振天气雷达的NUBF问题是影响偏振数据质量的重要问题之一。它严重降低了相关系数的精度，进而影响了偏振估测降水、质量控制、粒子分类等业务应用算法。

国外，双线偏振测量技术起源于1976 年，美国科学家 Seliga 和 Bringi^[4]根据雨滴形状、大小、空间取向三者之间紧密相关的事实提出了该技术。随后，英国首次建成双线偏振雷达。此后，双线偏振雷达探测技术起步发展，并且迅速取得了气象雷达界的关注。1991 年夏，在美国佛罗里达州中部进行了一次外场实验，这次实验采集了大量的雷达探测数据，其中对暴雨的观测分析表明，雨滴的大小、分布形式以及雨滴的形态变化，都会导致当地天气现象明显发生变化^[5]。Ryzhkov 等^[6]（1995）对Oklahoma 地区冬季浅对流降水以及春季深对流降水利用偏振雷达进行了探测，比较了探测降水的方法的精度问题，同时，他们还分析了对流性降水系统中降水粒子的微物理结构特征。Emmanouil 和 Marios 等^[7]，2001 年 8-10 月在爱荷华州结合多种外场观测资料，对 Gamma100分布的雨滴谱参数的方差进行了理论与实验的对比分析。Matrosov 等^[8]（2002）在 Wallops 岛进行外场观测，取得了 15 次偏振雷达观测资料以及地面降水资料，并且利用各种偏振参量对降水的估测算法进行了研究。2001―2003 年，S.G.PARK 等^[8-9]通过数值模拟与大量的实验结论，改进了 X 波段估测降水的 Z-R 关系。中尺度气象气象研究合作机构（Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies）、美国俄克拉荷马州大学（ University of Oklahoma）以及美国海洋和大气局的雷暴实验室（ NOAA/OAR/National Severe Storms Laboratory）对双偏振雷达的波束非均匀分布曾有过研究。在研究中，主要是通过理论和实验两方面的对比，讨论波束的非均匀填充（NUBF）对对流云降水和层状云降水的质量的影响。研究表明：NUBF的影响是相当显著的，特别是在离雷达较远距离处，由于天线波束逐步扩大，影响会更加明显。

我国对双线偏振雷达的研究比国外要迟。我国第一部双线偏振雷达是将一部测雨雷达改装出来的。由于当时多普勒功能还没有运用在雷达方面以及当时技术水平的局限性,该雷达能测量的双线偏振参量只有Z_H和,因此我国以前主要是对Z_H、在降水测量以及降水粒子相态识别等方面应用的研究^[10-12],而没有对差分传播相位K_DP以及相关系数等方面的研究。国内对NUBF现象的研究还相当少，一些文章中在分析双线偏振雷达数据质量以及误差来源时，提到波束展宽以及NUBF对雷达数据质量的影响，但是没有深入的研究。目前，对具体的某一部双线偏振雷达，要对其进行NUBF影响数据质量的分析和预处理仍然是一个相当棘手的难题。在对出现NUBF的雷达图像以及雷达数据进行分析时，受到二次回波以及杂波的影响，再加上雷达本身运行的不稳定因素，所以增加了对雷达数据进行量化处理的难度。

本文首先简单介绍了双线偏振多普勒雷达以及双线偏振雷达一些重要的偏振参量，给出了不同水凝物类型偏振参量大致的取值范围，其次从原理上介绍NUBF现象产生原因。，针对C波段双线偏振多普勒雷达在2014年7月至2015年7月这一年期间三次降水过程中出现NUBF的数据资料进行统计，主要分析了NUBF现象出现的方位角、仰角、回波中心强度以及回波类型。最后，提出了NUBF现象的识别方法。

2 双线偏振多普勒雷达及其参量简介

双线偏振多普勒雷达的双线是指其发射的水平以及垂直两个方向上的偏振波，此外，它还能够分别接收目标物对不同偏振波后向散射信号的幅度和相位变化，是目前比较先进的天气雷达之一。双线偏振雷达能得到偏振参量，如：差分反射率因子Z_DR、差分传播相移Φ_DP、差分传播相移率K_DP和零滞后互相关系数ρ_HV(0)^[13-14]。这些双偏振参量反映了降水粒子的相态以及滴谱分布等信息。因此，可以通过各偏振参量进行降水粒子相态的识别，从而可以提高对冰雹、雷雨大风以及大暴雨等灾害性天气的预报能力。

双线偏振多普勒雷达主要的偏振参量为：水平因子Z_H、垂直反射率Z_V、差分反射率因子Z_DR、差分传播相移Φ_DP、差分传播相移率K_DP、零滞后互相关系数ρ_HV(0)^[10]。表1为不同水凝物类型偏振参量大致的取值范围。下面对表1中的双线偏振多普勒雷达参量的物理意义以及应用简单加以介绍。

表1 不同水凝物类型偏振参量大致的取值范围

双线偏振多普勒雷达的水平反射率因子Z_h、垂直反射率因子Z_v定义表达式为：

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