论文总字数：18810字

目 录

摘要 3

Abstract 4

1.引言 5

1.1 研究目的和意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3 主要研究内容 7

2. 数据筛选与个例选取 7

2.1 GPM星载双频降水雷达及其资料介绍 7

2.2 地基雷达介绍 9

2.3 星载雷达与地基雷达匹配数据筛选 10

3.对比分析 12

3.1 星载雷达与地基雷达数据处理 12

3.2 第一个个例 15

3.3 第二个个例 17

3.4 第三个个例 19

4.总结 21

参考文献 22

致谢 23

GPM卫星和地基天气雷达数据对比个例研究

赵昕

,China

Abstract: In February 2014, the Global Precipitation Measurement (GPM), which carried the first dual-frequency rainstorm radar DPR, was launched and the DPR was composed of two precipitation radars, one is KuPR precipitation radar, the use of Ku-band detection, one is KaPR precipitation radar, using Ka-band detection. It has four different detection methods: Ka_HS, Ka_MS, Ku_NS and DPR_MS. The Ka-band mainly focused on the identification of low-level weak precipitation, while the Ku-band is not very sensitive to weak precipitation, especially below 2mm / h, but when the heavy rainfall is detected, the reflectivity factor will be great , it is easier to detect heavy rainfall information. In the range of KuPR and KaPR co-probing, DPR can use the difference between Ku and Ka attenuation, and obtain the information of precipitation particle distribution by double frequency inversion, so that the precipitation is estimated to be more accurate.Based on the measurement data of the Global Precipitation Measurement Satellite and its rainfall radar, three cases were selected from the precipitation process from May to August 2015 in Nanjing. Then, using the MATLAB software, and the spatial data of the space-borne radar are compared with the data of the C-band double-polarization radar in Nanjing University of Information Science and Technology and the Longwangshan S-band Doppler radar respectively. The three different detection methods are analyzed differences in detecting precipitation. The first and second cases shows that the space-borne radar has a larger reflectivity factor than that of the ground radar, and the difference between the space-borne and the C-band double polarization radar is greater than that of the S-band Doppler radar. The third case shows that the reflectivity factor of S-band Doppler radar is larger than that of the space-borne radar, but the reflectivity factor of the C-band double polarization radar is smaller than that of the space-borne radar.

Key words: GPM satellite; C-band double polarization radar; S-band Doppler Radar; reflectivity factor

1.引言

1.1 研究目的和意义

降水对全球水循环有着十分重要的影响，也影响着能量循环，能够表征天气和气候变化。降水的时空分布可以影响淡水资源的供给和生态系统的维持，也与台风、洪涝、干旱等灾害有密切关系。降水还会影响大气，云层和水汽，影响大洋环流，影响积雪的覆盖情况，从而改变地面反射率^[1]。观测降水有利于了解认识全球水循环过程，有利于对能量平衡系统的研究，对地球未来的发展变化起着很大的作用，因此提高降水观测的精度是很有必要的。但是，由于降水的时空变化比较剧烈，它很难做到精确观测^[2]。

降水的观测可以分为地基和空基两种，其中，地面观测可以采用地基雷达探测的方法，地基雷达测雨的优点在于它能够给出降水结构特征，在一定区域内有较高分辨率，有效探测距离多在300km左右，能很好地探测大范围降水。而它的缺点在于探测降水会受到多种误差来源的影响，比如Z-R关系的不确定性，地物阻挡，衰减等。

降水的空基观测是通过卫星平台搭载多种仪器，自上而下地进行探测。随着科学的发展，利用遥感探测技术，通过卫星搭载仪器测量降水的方法在不断改进，卫星估计降水已经取得了巨大的进展。用星载雷达测量降水可以获得测量精度更高的陆地降水估计，而且星载雷达提供降水信息可以避免时空变化的影响。因此，虽然卫星遥感在探测技术和探测精度等方面还有待继续加强改进，但在当前全球降水研究中，很大一部分降水资料都是由卫星探测来提供的，对许多研究领域都有着巨大的影响^[2]。

另外，将星载雷达作为参照标准，与地基雷达的资料进行匹配，订正我国地基雷达资料，可以提高我国天气雷达资料的准确度^[5]。

天气雷达定量估测降水的精度，一直是国内外研究者们广泛关注和讨论的热点。全球降水观测计划GPM是新的用于降水观测和研究的计划，开展GPM/DPR降水研究有利于提高全球大范围降水估计的精度。将GPM星载降水雷达数据与地基雷达数据对比，可以更好地认识地基和星载雷达数据特征及其差异，为更好的雷达降水数据应用提供前期数据准备。

1.2 国内外研究现状

TRMM卫星是NASA和NASDA合作的产品，于1997年11月成功发，于2015年4月停止运行，主要任务是从空间测量热带和亚热带地区的降雨，并展示全球降水分布状况。TRMM上装载着世界上第一个星载测雨雷达PR，这是首次从太空探测到降水的三维资料，将被动遥感与主动遥感相结合。TRMM被广泛应用于研究降水，现已有了大量的研究成果。许多学者利用地面雨量计、地基天气雷达等多种降水观测资料，验证了PR探测结果在热带副热带地区的可靠性，认为其可以很好地表述降水的特征，如何会中等以“Sam”台风为例，对比分析了TRMM PR测得的降水结果与香港雷达测量结果的异同^[6]；李锐等将热带地区1998-2002年的TRMM PR和GPCP月平均降水资料进行了对比^[7]。一些学者选取某些典型的降水个例，基于PR探测结果进行研究。基于PR探测结果，Simpson 等人发现“Paka”台风存在穿透性对流^[8]。何文英等基于TRMM多仪器综合探测结果，对黄淮地区1999年的冰雹降水过程进行了研究^[9]。一些学者们还利用TRMM PR探测结果对降水气候特征和降水廓线等开展了研究。Fu 等利用PR得到热带的降水信息，对其降水廓线展开了探索，结果表明，不同地区的对流降水廓线有很大的差别^[10]。还有许多学者进行将TRMM PR与GR数据做对比的研究。例如：何中会，程明虎对比分析了TRMM/PR和香港雷达的观测资料^[11]；王成刚等人将TRMM雷达与阜阳雷达降水资料进行对比研究^[12]；王振会，李圣殷，戴建华，李南利用几何匹配法对TRMM星载雷达和我国地基雷达资料进行时空匹配，从它们雷达反射率因子信息的区别中，对地基雷达探测资料进行订正^[5]。TRMM卫星运行了十几年，已经积累了大量的降水观测数据和研究结果，有助于我们研究认识热带和副热带地区降水的时空分布变化、降水类型和垂直结构等。

作为TRMM的后续卫星，GPM主卫星于2014年2月28日在日本成功发射，覆盖全球包括海洋在内的大部分区域，可以探测区分雨、雪等多种降水类型。GPM主卫星上主要搭载的仪器是双频测雨雷达DPR和微波成像仪GMI。GPM主卫星在TRMM以往的基础上，改进了很多。虽然关于TRMM国内外已经有很多研究成果，但是它在空间覆盖率和冻雨观测灵敏度等方面还有局限性。GPM不仅延续了TRMM的优点，还提高了星载雷达的时空分辨率，提高了观测精度，提高了探测降水的准确度，真正实现了全球范围内的，对包含雨雪等各种形式的降水在内的观测。GPM核心观测平台GPMCO上的双频雷达，探测精度较高，可以获得降水的三维信息及降水粒子的微物理特性，可以提供南纬65°至北纬65º之间区域的降水资料；同时 GPMCO的微波辐射计与TRMM卫星相比多出4个高频段，因此与之相比，GPM有较好的对微量降水，固态降水探测的能力，而这两种降水类型是中高纬度地区降水的重要组成部分，因此，与以热带、亚热带中大型降水观测为主的TRMM相反，GPM对于中高纬度地区的降水研究有重要意义。

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