GPM与C波段双偏振雷达观测对比分析

论文总字数：15423字

目 录

1. 前言……………………………………………………………………5
   1. 目的和意义………………………………………………………………………………5
   2. GPM和NUIST雷达介绍…………………………………………………………………5
   3. 国内外研究现状…………………………………………………………………………6
   4. 研究方法…………………………………………………………………………………7
2. DPR和GR的数据匹配………………………………………………7
   1. 几何匹配法介绍…………………………………………………………………………7
   2. 匹配区域回波分析………………………………………………………………………8
      1. 资料获取……………………………………………………………………………8
      2. 个例分析……………………………………………………………………………8
3. DPR和GR资料的差异统计…………………………………………10
   1. 匹配效果的统计分析…………………………………………………………………10
   2. 偏振量分析……………………………………………………………………………14
      1. T矩阵法介绍……………………………………………………………………14
      2. KDP,ZDR分析……………………………………………………………………14
4. 结论与讨论…………………………………………………………16
5. 参考文献……………………………………………………………17
6. 致谢…………………………………………………………………19

GPM与C波段双偏振雷达观测对比分析

张昱东

，China

Abstract：2014 The GPM (Global Precipitation Measurement mission) succeeds TRMM as the core satellite for the Global Precipitation Program. GPM equipped with Dual-frequency Precipitation Radar DPR, in addition to enhance the ability to observe the rain, but also access to the distribution of drip spectrum information, which makes it with the ground double polarized weather radar joint observation possible. In this paper, the temporal and spatial matching method is used to match the observation data of DPR and Nanshi large narrow beam beam C-band double polarization Doppler radar (NUIST-CDP). The difference between the reflectance factors and the polarizations of GR and DPR in different particle phases and different altitudes was analyzed by a precipitation case on July 8, 2015. (1) (2) The DPR and GR reflectance factor data within and below the zero-level bright band are relatively large, and the echo intensity of DPR and GR is highly consistent, (3) The stratiform cloud precipitation has a better consistency than the convective precipitation. (4) In the comparison of the polarization data, it is found that the raindrop spectrum distribution of DPR is concentrated in a narrow interval, it is difficult to reflect the true distribution of the natural drop spectrum, and the measured polarization information of the double polarization radar GR is very different. Can not compare directly. Thus, GPM / DPR inherits the TRMM / PR observation ability well, but its drop spectrum inversion algorithm is not accurate enough, and the actual observation is very different, the future is still a lot of room for improvement.

Key words：GPM / DPR; NUIST-CDP / GR; spatiotemporal matching; double polarization comparison; polarization difference

1. 前言

1.1目的和意义

中国是中尺度灾害性天气频发，如暴雨、台风、冰雹等时有发生的国家^[1]。为此，我们需要可靠的降水时空分布信息以识别判断各种灾害天气，分析降水类型、强度和移动趋势^[2]。目前，我国已组建起了由S波段和C波段多普勒雷达组成的新一代天气雷达网，在气象业务中发挥着巨大的作用^[3]。但是各站点雷达遭受着雷达参数欠定标，杂波干扰，波束阻挡，雷达得不到平稳的空间来进行雨的测量，不能从一个方向探测目标等众多因素的影响，使各站点会得出不同的观测结论，一片雷达组网中可能夹杂者多个数据，无法形成雷达拼图，限制了数值模式同化业务^[1]。为此，需要一种可以对各地基雷达进行标定，订正的方法，有一种方法是对一片区域内的多个雷达进行联合标定，取多台雷达相交处的平均值为标准值，对个台雷达进行订正。然而这种方法不仅在偏远的雷达覆盖较少的地区无法实施，而且会在多个雷达组之间造成新的误差。这时星载雷达就纳入了考虑范畴了。利用气象卫星进行对地基雷达的订正存在多项优势。首先是星载雷达探测范围大，可以和更多的雷达进行联合订正。其次是星载雷达存在于大气层之外，所受到的环境影响更小，数据更准确。此外，星载雷达不受仰角，波束冲塞效应的影响。

1.2 GPM和NUIST雷达介绍

1997年11月，热带降雨卫星（Tropical Rainfall Measuring Mission .TRMM）在美国升空，它拥有者第一台主动的遥感的星载降水雷达。利用TRMM PR，我们可以对GR降水资料进行定量比较，有效利用两种探测方式的优势，对地基雷达数据进行稳定性和一致性的订正，使数据最优化。因此，自TRMM卫星发射以来，把TRMM PR和GR数据的结合比较一直是中外研究的内容^[4]。

TRMM作为先驱取得了超出预期的成果，然而这并不能掩饰其在空间覆盖率，灵敏度方面的不足。由于超过使用期限，其已于2015年4月停止运行。其后续卫星降水计划为全球降水观测计划（GPM）。其强化了TRMM的传感载荷，观测精度和准确性，使时空分辨率得到了极大上升，GPM达成了全球性的气象观测，能够获取全球的微波红外的雨雪产品，将范围扩张到了北极圈和南极圈，与TRMM只能探测南北纬60°之间不同，GPM凭借其对微量降水，非液态降水的侦察能力，实现了高纬度下的降雨观测，分析，研究。 GPM主卫星上的双频测雨雷达DPR为世界上首个星载双频降雨雷达，是由NICT和日本JAXA联合设计，并由NEC东芝航天系统公司建造的，其可以探查降水的三维结构，包含Ka波段和Ku波段两种波段，运行的频率为35.5GHz和13.6GHz。扫幅宽为125km和245km,垂直于幅宽方向的宽度为5km，空间分辨率为250m，间隔125m，可探测最小回波为18dBZ，如果使用Ka波段的高灵敏度模式，可以探测到最低12dBZ的回波。而Ku波段雷达则更像是TRMM上雷达的改进版。其降水探测的阈值缩减到了0.5mm/h。不过，DPR和TRMM PR相比最强大的提升就是能对15mm/h这一阈值及比其更稀少的降水提供降水分散规律的定量估计^[5]。GPM任务有助于提高对地球水和能源循环的理解，改善对自然灾害的极端事件的预测，提高对地球水循环的了解及其与气候变化的联系，对沉淀微物理学，风暴结构和大规模大气过程提出新见解，扩展监测和预测飓风和其他极端天气事件的能力，改善自然灾害预报能力，增强天气和气候的数值预报技能，更好的预测农作物收成和监测淡水资源，扩展使用卫星降水信息直接惠及社会的能力。^[12]然而，GPM主卫星是于2014年2月28日发射的，国内还没有对GPM展开充分研究。

而南信大窄波束C波段双偏振多普勒雷达NUIST-CDP（NUIST C Band Duel-Polarization Doppler Rader）作为中国新一代的C波段雷达同样是于2014年完成组装的，其实际工作能力还有待进一步检验^[6]。所以，利用GPM主卫星上的双频测雨雷达DPR的数据，加上同样来源的滴谱反演产品，可以对GR进行分析，对比，并发展以DPR为中心，通用性的双偏振雷达偏差检测，分析计划，活用最新的科技优势，在前代打下的基础上，更进一步，提升质量。是非常有必要且具有实际意义的。

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