雷達(dá)氣象學(xué)雙線偏振雷達(dá)探測(cè)

1、雙線偏振雷達(dá)探測(cè)原理和應(yīng)用介紹南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院黃興友2016-12-8雙線偏振雷達(dá)雙線偏振雷達(dá)現(xiàn)有雷達(dá)探測(cè)能力的不足現(xiàn)有雷達(dá)探測(cè)能力的不足: : （1 1） 難以提供降水的相態(tài)信息（冰相或液相）難以提供降水的相態(tài)信息（冰相或液相） （2 2） 難以提供降水粒子特性，（雨滴、過(guò)冷卻水；冰雹的干、難以提供降水粒子特性，（雨滴、過(guò)冷卻水；冰雹的干、 濕情況；雪花的干濕情況）濕情況；雪花的干濕情況） （3 3）雷達(dá)定量測(cè)量降水的精度有限（降雨、降雪、降雹）雷達(dá)定量測(cè)量降水的精度有限（降雨、降雪、降雹） （4 4）衰減訂正的參考信息）衰減訂正的參考信息 （5 5）區(qū)分降水目標(biāo)和非降水目標(biāo)（地

2、物等）區(qū)分降水目標(biāo)和非降水目標(biāo)（地物等）寄希望于新型雙偏振雷達(dá)寄希望于新型雙偏振雷達(dá) ！電磁波的偏振電磁波的偏振雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)理論要求理論要求: : 能發(fā)射水平偏振和垂直偏振的電磁波能發(fā)射水平偏振和垂直偏振的電磁波, ,需要兩種偏振狀態(tài)的發(fā)射需要兩種偏振狀態(tài)的發(fā)射機(jī)機(jī) 能接收水平偏振和垂直偏振的回波信號(hào)能接收水平偏振和垂直偏振的回波信號(hào), ,需要兩個(gè)接收機(jī)需要兩個(gè)接收機(jī) 兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)性能一致兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)性能一致 兩個(gè)接收系統(tǒng)性能一致兩個(gè)接收系統(tǒng)性能一致 兩種偏振狀態(tài)下的天線增益和波瓣一致兩種偏振狀態(tài)下的天線增益和波瓣一致雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)

3、系統(tǒng)體制系統(tǒng)體制廣泛采用廣泛采用 單發(fā)雙收體制-ncar 的s波段雙偏振雷達(dá) seliga and bringi, 1976 (jam)-first discussion of single transmitter, dual-receiver configuration-now known as stsr雙線偏振雷達(dá)獲得的雙線偏振雷達(dá)獲得的新參量新參量 （1 1）差）差分反射率因子分反射率因子z zdrdr z zdrdr=10log10(=10log10(z zhhhh/ /z zvvvv) ) （2）線性退極化比 l ldrdr = 10log(z = 10log(zvhvh/z/zhh

4、hh ) ) （3）相關(guān)系數(shù) hv （4) 雙程相位差dpdp水平、垂直偏振回波信號(hào)的相位之差 (5) 相位差常數(shù)k kdpdp ( (單位距離上的相位差) )粒子的形狀和偏振特性新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子z zdr dr - - 降雨情況降雨情況 z zdrdr=10log10(z=10log10(zhhhh/z/zvvvv) )新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子z zdr dr - - 降雪情況降雪情況 z zdrdr=10log10(z=10log10(zhhhh/z/zvvvv) )新信息的特性新信息的特性 差分反射率因子差分反射率因子z

5、 zdr dr - - 降雹情況降雹情況 z zdrdr=10log10(z=10log10(zhhhh/z/zvvvv) )降雨回波的 z和zdr norman, aug/13/2011, koun z zdr 新信息的特性新信息的特性一次包含冰雹降水過(guò)程的一次包含冰雹降水過(guò)程的zdr zdr 約為約為0 db0 db雪區(qū)的zdr零度層亮帶區(qū)的zdr新信息的特性新信息的特性昆蟲(chóng)回波有較大的昆蟲(chóng)回波有較大的zdrzdr新信息的特性新信息的特性地物回波有較大且雜亂的地物回波有較大且雜亂的zdrzdrz zdrdr 和雨滴大小的關(guān)系和雨滴大小的關(guān)系不同降水類(lèi)型下不同降水類(lèi)型下l ldrdr的典型值

6、的典型值 z zdr dr 大大 雨滴大雨滴大, ,但關(guān)系難以確定但關(guān)系難以確定 l ldrdr的可以反映零度曾層亮帶的可以反映零度曾層亮帶一次冰雹的一次冰雹的l ldrdr的較大的較大dp =hh - vv 對(duì)球形粒子來(lái)說(shuō)，垂直偏振波和水平偏振波引起的相位相同.非球形粒子對(duì)垂直偏振波和水平偏振波造成的相位不同. 如果雷達(dá)取樣體積中有更多的扁橢球粒子（如強(qiáng)降雨、降雪或卷云中的冰晶），則水平偏振雷達(dá)電磁波的傳播速度慢于垂直偏振電磁波的傳播速度 hh vv = dp 0. 與波長(zhǎng)有關(guān)相位差相位差dp及其特點(diǎn)及其特點(diǎn)相位差相位差dpdp與回波強(qiáng)度的大致關(guān)系與回波強(qiáng)度的大致關(guān)系相位常數(shù)相位常數(shù)k kd

7、pdp與的特點(diǎn)與的特點(diǎn) 不受標(biāo)定影響 不受衰減影響 independent of attenuation 對(duì)粒子譜不敏感（z 更敏感） 不受部分阻擋的影響 與雷達(dá)波長(zhǎng)有關(guān)一次降水過(guò)程中dp, kdp和z 隨徑向距離的變化dp dp and hydrometeors along the pathand hydrometeors along the path一次降水過(guò)程的 z 和dp 情況 norman, aug/13/2011, koun, s band z z dpdp dp相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)hvhv的特點(diǎn)的特點(diǎn)vh*hvppvh相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)hvhv的特點(diǎn)的特點(diǎn)反映水平偏振和垂直偏振通道的回

8、波信號(hào)的相似性特點(diǎn)：(1) 對(duì)于雨水，相關(guān)系數(shù)hv大于0.95，但隨zdr的增大而減小(2) 地物的hv大于可能小于0.7(3) 雪和冰雹的hv可能達(dá)到0.8左右(4) 零度層融化區(qū),相關(guān)系數(shù)hv介于0.8 0.95用途：判別降水回波和地物回波,比較有效不同目標(biāo)的相關(guān)系數(shù)典型值不同目標(biāo)的相關(guān)系數(shù)典型值( (取自取自noaa)noaa) 雨水雨水 冰雹冰雹 軟雹軟雹 雪花雪花 冰晶冰晶 融化層融化層 地物雜波地物雜波 生物生物( (鳥(niǎo)鳥(niǎo) 昆蟲(chóng)昆蟲(chóng)) ) 鋁箔條鋁箔條 垃圾垃圾2015-3-182015-3-18上海南匯雙偏陣?yán)走_(dá)觀測(cè)的回波上海南匯雙偏陣?yán)走_(dá)觀測(cè)的回波強(qiáng)度和相關(guān)系數(shù)強(qiáng)度和相關(guān)系數(shù)相

9、關(guān)系數(shù)和零度層亮帶 相關(guān)系數(shù)比較清晰地反映了零度層亮帶的存在龍卷垃圾回波 tornado debris雙線偏振雷達(dá)信息的顯示雙線偏振雷達(dá)信息的顯示雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用-回波分回波分類(lèi)類(lèi)所用的六個(gè)參量為雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用雙線偏振雷達(dá)信息的應(yīng)用-分類(lèi)分類(lèi)一次過(guò)程的識(shí)別結(jié)果降雨估測(cè)降雨估測(cè)-科羅拉多州立大學(xué)的降雨估測(cè)公式科羅拉多州立大學(xué)的降雨估測(cè)公式降雨估測(cè)的效果對(duì)比降雨估測(cè)的效果對(duì)比雙線偏振雷達(dá)和常規(guī)雷達(dá)估測(cè)降水情況的比較雙線偏振雷達(dá)的探測(cè)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)雙線偏振雷達(dá)的探測(cè)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)偏振雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)偏振雷達(dá)的優(yōu)勢(shì): : 估測(cè)降水精度的改善估測(cè)降水精度的改善 rainfall e

10、stimation (vast improvement)rainfall estimation (vast improvement) 識(shí)別零度層亮帶識(shí)別零度層亮帶 bright band detection (vast improvement)bright band detection (vast improvement) 地物雜波識(shí)別和消除地物雜波識(shí)別和消除/ /雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量 clutter filtering /data quality clutter filtering /data quality improvement (vast improvement)improvement (vast improvement) 降雨降雨/ /降雪的判別降雪的判別 rain/snow discrimination (vast improvement)rain/snow discrimination (vast improvement) 冰雹探測(cè)冰雹探測(cè) hail detec