雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品和應(yīng)用介紹

雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品和應(yīng)用介紹2015年3月2021/5/91BeijingMetstarRadarCompany目錄雙偏振原理雙偏振二次產(chǎn)品升級(jí)雙偏振的優(yōu)勢(shì)業(yè)務(wù)兼容性設(shè)計(jì)2021/5/92BeijingMetstarRadarCompanyBeijingMetstarRadarCompany31雙偏振原理2021/5/93為什么要雙偏振？雷達(dá)方程以球形粒子為假設(shè)條件，但實(shí)際上粒子并非總是球形。BeijingMetstarRadarCompany42021/5/94雙偏振基本原理BeijingMetstarRadarCompany52021/5/95BeijingMetstarRadarCompany6雙偏振的原理

敏視達(dá)雙偏振雷達(dá)采用成熟的、業(yè)務(wù)上應(yīng)用廣泛的雙發(fā)雙收模式，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功分兩路分別以水平和垂直極化方式同時(shí)發(fā)射，雙通道接收機(jī)和數(shù)字中頻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。

水平通道的信號(hào)用于生成單偏振數(shù)據(jù)，而雙通道信號(hào)之間的差異是雙偏振雷達(dá)的關(guān)鍵：雙通道幅度差

系統(tǒng)要求雙通道幅度差<0.2dB雙通道相位差

系統(tǒng)要求雙通道相位差<2度2021/5/96BeijingMetstarRadarCompany7粒子雙偏振差異表現(xiàn)在后向散射特征不同

ZDR-反射率在不同極化方向上的差別

LDR-反射率在不同極化方向上的交叉轉(zhuǎn)化

ρHV-兩種極化方式信號(hào)的相關(guān)系數(shù)（幅度和相位）傳播路徑效應(yīng)不同

ΦDP

-不同極化方向上的傳播路徑相位差KDP–單位距離的ΦDP

衰減效應(yīng)-不同極化方向上的衰減不同2021/5/97雙偏振雷達(dá)探測(cè)量單偏振雷達(dá)量dBT,dBZ,V,W雙偏振探測(cè)量ZDR(差分反射率)ρHV/CC(協(xié)相關(guān)系數(shù))ΦDP(差分相移)KDP(差分相移率)LDR(退偏振比)–水平發(fā)射/雙通道接收模式BeijingMetstarRadarCompany82021/5/98差分反射率(ZDR)表達(dá)一個(gè)探測(cè)空間體（距離庫(kù)）的平均的粒子形狀2021/5/99BeijingMetstarRadarCompanyZDR與雨滴大小ZDR值與雨滴大小密切相關(guān)2021/5/910BeijingMetstarRadarCompanyZDR與冰雹dBZ大，但ZDR小是冰雹存在一個(gè)顯著的特征2021/5/911BeijingMetstarRadarCompanyZDR產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany12C波段雷達(dá)ZDR產(chǎn)品樣例，ZDR大的區(qū)域?qū)?yīng)降水強(qiáng)的區(qū)域2021/5/912協(xié)相關(guān)系數(shù)(ρHV/CC)描述水平和垂直極化的回波信號(hào)變化的相似度

高CC低CC2021/5/913BeijingMetstarRadarCompany協(xié)相關(guān)系數(shù)的應(yīng)用氣象目標(biāo)CC高，非氣象目標(biāo)CC低融化層識(shí)別（CC較低且噪聲大）大冰雹識(shí)別（CC<0.85)2021/5/914BeijingMetstarRadarCompanyCC產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany15C波段雷達(dá)CC產(chǎn)品樣例，7.5度仰角CC產(chǎn)品清晰顯示融化層的分布2021/5/915CC產(chǎn)品顯示融化層BeijingMetstarRadarCompany16C波段雷達(dá)CC產(chǎn)品樣例，7.5度仰角CC產(chǎn)品清晰顯示融化層的分布2021/5/916差分傳播相移ΦDP水平和垂直通道相位差電磁波在雨中傳播速度變慢水平極化的電磁波傳播相比垂直慢一些2021/5/917BeijingMetstarRadarCompanyΦDP解釋與粒子形狀相關(guān)與粒子密度有關(guān)冰雹的ΦDP趨近于零

2021/5/918BeijingMetstarRadarCompanyΦDP產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany19C波段雷達(dá)PhiDP產(chǎn)品樣例相位顯著增大的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)降水區(qū)域2021/5/919差分傳播相移率KDPΦDP是累積效應(yīng)，隨距離累積，不方便直接使用。因此需要引入KDP2021/5/920BeijingMetstarRadarCompanyKDP的特點(diǎn)和應(yīng)用KDP與降水率成比例，可用來(lái)估測(cè)降水與反射率估算降水相比，KDP算降水不受冰雹影響KDP是雙通道相位的差值，不需要標(biāo)定2021/5/921BeijingMetstarRadarCompanyKDP產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany22C波段雷達(dá)KDP產(chǎn)品樣例KDP大的區(qū)域?qū)υ趶?qiáng)降水區(qū)域2021/5/922退偏振比LDRLDR需要在單通道發(fā)射，雙通道接收的模式下生成LDR展示粒子的退偏振特性因工作模式限制，LDR的應(yīng)用比較少BeijingMetstarRadarCompany232021/5/923LDR產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany24水平發(fā)射，雙通道接收模式獲得的LDR產(chǎn)品。仰角：30度零度層特征清晰2021/5/924雙偏振雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)雙偏振數(shù)據(jù)能夠更好地描述粒子的尺寸/形狀/降水類型及天氣能夠區(qū)分氣象/非氣象回波能夠更好地去除異常傳播、地物及海雜波等非氣象回波更準(zhǔn)確地估計(jì)降水和降雪

(雙偏振QPE對(duì)冰雹、亮帶不敏感，且能夠過(guò)濾非氣象回波的影響)探測(cè)和預(yù)警冰雹區(qū)域BeijingMetstarRadarCompany252021/5/925BeijingMetstarRadarCompany262雙偏振二次產(chǎn)品2021/5/926雙偏振主要二次產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany27采用美國(guó)NEXRAD升級(jí)雙偏振后的算法，開(kāi)發(fā)了二次產(chǎn)品應(yīng)用包。2021/5/927雙偏振主要二次產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany28序號(hào)產(chǎn)品代碼產(chǎn)品名稱說(shuō)明1ML融化層高度融化層識(shí)別和高度2HCL粒子相態(tài)識(shí)別粒子相態(tài)識(shí)別和分類3QPE雙偏振定量降水估計(jì)雙偏振定量估計(jì)降水率2021/5/928融化層產(chǎn)品MLBeijingMetstarRadarCompany29雙偏振探測(cè)量（主要是CC和Zdr）更能夠體現(xiàn)融化層的變化。2021/5/929融化層產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany30左：反射率中：ZDR右：CC2021/5/930融化層產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany31左上：相關(guān)系數(shù)CC產(chǎn)品右下：融化層ML產(chǎn)品2021/5/931融化層產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany32產(chǎn)品應(yīng)用：（1）每個(gè)仰角更新，提供實(shí)時(shí)不同方位的融化層高度信息；（2）融化層高度信息有助于分析雷達(dá)數(shù)據(jù)，尤其是區(qū)分固態(tài)和液態(tài)粒子；2021/5/932粒子相態(tài)分類產(chǎn)品HCLBeijingMetstarRadarCompany33算法輸入：雙偏振基數(shù)據(jù)：Z、ZDR、V、CC、PDP、KDP等6種數(shù)據(jù)。算法輸出：地物雜波（GC，GroundClutter）生物雜波（BI，BiologicalScatters）干雪（DS，DryAggregatedSnow）冰水混合物（WS，WetSnow）冰晶（IC，IceCrystals）霰（GR，Graupel）大雨滴（BD，BigDrops）小雨滴（RA，LightandModerateRain）強(qiáng)降雨（HR，HeavyRain）冰雹（RH，MixtureofRainandHail）2021/5/933粒子相態(tài)分類產(chǎn)品HCLBeijingMetstarRadarCompany34TypedBZCCZDRKDPL/MRain5~500.97~1.010.0~6.00.0~1.0HeavyRain40~600.95~1.000.5~8.01.0~5.0BigDrops10~500.92~1.012.5~7.00.0~2.0HailandRain45~800.75~1.0-0.3~4.5-2.0~10Graupel30~550.92~1.01-0.3~2.2-2.0~2.0DrySnow25~500.88~0.9850.5~3.0-1.0~0.5IceCrystals0~250.95~1.01-1.0~5.0-1.0~0.5模糊邏輯算法的基本依據(jù)2021/5/934粒子相態(tài)分類產(chǎn)品HCLBeijingMetstarRadarCompany35左上：反射率產(chǎn)品右下：粒子相態(tài)分類產(chǎn)品2021/5/935粒子相態(tài)分類產(chǎn)品HCLBeijingMetstarRadarCompany36左上：未濾波的反射率右下：粒子相態(tài)分類產(chǎn)品2021/5/936粒子相態(tài)分類產(chǎn)品HCLBeijingMetstarRadarCompany37產(chǎn)品應(yīng)用：（1）相態(tài)識(shí)別有助于雷達(dá)數(shù)據(jù)分析；（2）相態(tài)識(shí)別產(chǎn)品有助于快速定位和預(yù)警區(qū)域?yàn)?zāi)害性天氣；（3）相態(tài)識(shí)別是雙偏振降水QPE的輸入。2021/5/937雙偏振QPE單偏振雙偏振混合掃描反射率R(Z)相態(tài)分類融化層信息R(Z)R(Z,ZDR)R(KDP)2021/5/938BeijingMetstarRadarCompanyR(Z,ZDR)AlgorithmR(Z)

傳統(tǒng)的降水估測(cè)關(guān)系，受固態(tài)降水、亮帶及標(biāo)定的影響較大R(Z,ZDR) ZDR相對(duì)于dBZ受標(biāo)定影響小

ZDR與粒子相態(tài)有關(guān)，計(jì)算固態(tài)降水更準(zhǔn)確R(KDP)

KDP不受標(biāo)定和衰減的影響

計(jì)算降水，不受混合冰雹的影響 對(duì)于弱降水，KDP值噪聲大

計(jì)算KDP經(jīng)過(guò)平滑，距離分辨率和精度之間有取舍2021/5/939BeijingMetstarRadarCompanyBeijingMetstarRadarCompany40降水率算法選擇2021/5/940雙偏振QPE產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany41雙偏振QPE的降水率產(chǎn)品，可用于降水累積2021/5/941單/雙偏振QPE對(duì)比BeijingMetstarRadarCompany42左上：?jiǎn)纹?小時(shí)雨量累積右下：雨量計(jì)3小時(shí)雨量2021/5/942單/雙偏振QPE對(duì)比BeijingMetstarRadarCompany43左上：雙偏振QPE3小時(shí)右下：雨量計(jì)3小時(shí)雨量2021/5/943雙偏振QPE產(chǎn)品BeijingMetstarRadarCompany44產(chǎn)品應(yīng)用：（1）雙偏振降水率的計(jì)算與粒子相態(tài)相關(guān)；對(duì)冰雹和亮帶不敏感，并且非氣象回波不影響降水估算；（2）雙偏振降水估計(jì)對(duì)冰雹和亮帶不敏感；（3）非氣象回波不影響降水估算。2021/5/944BeijingMetstarRadarCompany453升級(jí)雙偏振的優(yōu)勢(shì)2021/5/945雙偏振升級(jí)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之一雙偏振探測(cè)的優(yōu)勢(shì)1)雙偏振數(shù)據(jù)能夠更好地描述粒子的尺寸/形狀/降水類型及天氣2)能夠區(qū)分氣象/非氣象回波，并能夠更好地去除異常傳播、地物及海雜波等非氣象回波3)雙偏振QPE更準(zhǔn)確地估計(jì)降水和降雪2021/5/946BeijingMetstarRadarCompany雙偏振升級(jí)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之二升級(jí)帶來(lái)單偏振數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高 1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)和標(biāo)定的精度提高（幅度和相位） 2）Burst訂正提高改善信號(hào)質(zhì)量，提高地物抑制能力

3）相位編碼過(guò)濾二次回波

4）數(shù)據(jù)分辨率提高（250米距離庫(kù)） 5）天線角碼速率45MS11.25MS …

這些措施的綜合將提高反射率的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，提高速度和譜寬數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 2021/5/947BeijingMetstarRadarCompany雙偏振數(shù)字中頻模塊高度集成化的多通道模塊，集成度的提高降低故障率，大大增強(qiáng)和擴(kuò)展了信號(hào)處理能力。高度集成化數(shù)字中頻/信號(hào)處理模塊。多通道，16位A/D，實(shí)時(shí)處理4K以上距離庫(kù)數(shù)據(jù)；I/Q數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線傳輸至主機(jī)，可實(shí)時(shí)存檔I/Q數(shù)據(jù)；2021/5/948發(fā)射機(jī)Burst信號(hào)采樣和訂正使用發(fā)射機(jī)末級(jí)采樣Burst信號(hào)訂正回波I/Q數(shù)據(jù)的幅度和相位，顯著提高系統(tǒng)相噪和地物抑制能力。2021/5/949動(dòng)態(tài)雜波圖右上：反射率（未濾波）左下：動(dòng)態(tài)雜波圖區(qū)域2021/5/950相位編碼去二次回波BeijingMetstarRadarCompany51左上：反射率產(chǎn)品(含二次回波）右下：去二次回波后反射率2021/5/951相位編碼去二次回波BeijingMetstarRadarCompany52左上：速度產(chǎn)品(含二次回波）右下：去二次回波后速度2021/5/952相位編碼去二次回波BeijingMetstarRadarCompany53左上：譜寬產(chǎn)品(含二次回波）右下：去二次回波后譜寬2021/5/953相位編碼應(yīng)用在S波段示例BeijingMetstarRadarCompany54如圖為美國(guó)NEXTRAD雷達(dá)升級(jí)后采用相位編碼解二次回波的樣例。2021/5/954BeijingMetstarRadarCompany55數(shù)據(jù)分辨率提高湛江海鷗臺(tái)風(fēng)反射率對(duì)比