雷达气象学-双线偏振雷达探测原理与应用123-1

双线偏振雷达探测原理和应用南京信息工程大学大气物理学院黄兴友2015-5双线偏振雷达现有雷达探测能力的不足:（1）分辨降水的相态（冰相或液相）（2）识别降水物的构成，如是冰雹还是过冷却水（3）提高雷达定量测量降水的精度（降雨、降雪、降雹）双线偏振雷达的探测与应用偏振雷达的优势:估测降水精度的改善RainfallEstimation(vastimprovement)识别零度层亮带BrightBandDetection(vastimprovement)地物杂波识别和消除/雷达数据质量•ClutterFiltering/DataQualityImprovement(vastimprovement)降雨/降雪的判别Rain/SnowDiscrimination(vastimprovement)冰雹探测HailDetection(someimprovement)龙卷探测TornadoDetection(someimprovement)电磁波偏振特性说明电磁波的偏振双线偏振雷达系统的特点理论要求:能发射水平偏振和垂直偏振的电磁波,需要两通道发射机能接收水平偏振和垂直偏振的回波信号,需要两通道接收机两个发射系统性能一致两个接收系统性能一致两种偏振状态下的天线增益和波瓣一致双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达系统的特点南京信息工程大学的”单发双收”体制的云雷达双线偏振雷达系统的特点南京信息工程大学的简易化”单发双收”体制的云雷达双线偏振雷达系统的特点双线偏振雷达获得的新信息差分反射率因子Zdr

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)线性退极化比

Ldr=10log(ZVH/ZHH)相关系数

ρhv双程相位差φdp水平、垂直偏振回波信号的相位之差相位差常数Kdp

(单位距离上的相位差)影响双偏振参量的因素

粒子的形状（Hydrometeor’sShape）

粒子的倾角（Hydrometeor’sOrientation）

粒子的折射率（Hydrometeor’sRefractiveindex）

粒子的大小（Hydrometeor’ssizedistribution）

雷达的波长(Radar’swavelength)粒子的形状和偏振特性雨滴的形状新信息的特性差分反射率因子Zdr

--降雨情况

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)新信息的特性差分反射率因子Zdr

--降雪情况

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)新信息的特性差分反射率因子Zdr

--降雹情况

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)降雨回波的Z和ZdrNorman,Aug/13/2011,KOUNZZdr

新信息的特性一次包含冰雹降水过程的Zdr

约为0dB雹区Zdr雪区的Zdr零度层亮带区的Zdr新信息的特性昆虫回波有较大的Zdr新信息的特性地物回波有较大的Zdr新信息Zdr的特性差分反射率因子Zdr

--降雹情况

Zdr=10log10(Zhh/Zvv)●●与雷达系统的标定情况无关（Independentofcalibration）●●与粒子的数浓度无关、但与粒子的大小分布情况有关（Independentofconcentration(butcandependonhowtheconcentrationisdistributedamongvarioussizes）●●受传播过程(如衰减)的影响（Isaffectedbypropagationeffects(e.g.attenuation))新信息Zdr与雨滴大小的关系新信息Zdr与雨滴大小的关系Zdr

大雨滴大,但关系难以确定

不同降水类型下Ldr的典型值Zdr

大雨滴大,但关系难以确定

线性退极化比Ldr的特性

容易受到噪声信号的影响（Susceptibletonoise）不受雷达系统标定的影响（Independentofradarcalibration）不受粒子数浓度的影响（Independentofnumberconcentration）不同降水类型下Ldr的典型值Zdr

大雨滴大,但关系难以确定

Ldr的可以反映零度曾层亮带一次冰雹的Ldr的较大ΦDP=ΦHH

-ΦVV•对球形粒子来说，垂直偏振波和水平偏振波引起的相位相同.•非球形粒子对垂直偏振波和水平偏振波造成的相位不同.•如果雷达取样体积中有更多的扁椭球粒子（如强降雨、降雪或卷云中的冰晶），则水平偏振雷达电磁波的传播速度慢于垂直偏振电磁波的传播速度ΦHH

>ΦVV==>ΦDP

>0.•与波长有关相位差Φdp及其特点相位差Φdp与回波强度的大致关系相位常数Kdp与的特点

不受标定影响

不受衰减影响Independentofattenuation

对粒子谱不敏感（Z更敏感）

不受部分阻挡的影响

与雷达波长有关Kdp

和Zdr的关系一次降水过程中ΦDP,KDP和Z随径向距离的变化ΦDPandhydrometeorsalongthepath一次降水过程的Z和ΦDP

情况Norman,Aug/13/2011,KOUN,Sband

Z

ΦDP

ΦDP一次冰雹过程的相位差Φdp与变化与冰雹的取向分析相关系数ρhv的特点相关系数ρhv的特点(1)相关系数ρhv的特点(2)不同目标的相关系数ρhv相关系数ρhv的特点反映水平偏振和垂直偏振通道的回波信号的相似性特点：(1)对于雨水，相关系数ρhv大于0.95，但随Zdr的增大而减小(2)地物的ρhv大于可能小于0.7(3)雪和冰雹的ρhv可能达到0.8左右(4)零度层融化区,相关系数ρhv介于0.8~0.95用途：判别降水回波和地物回波,比较有效不同目标的相关系数典型值(取自NOAA)雨水冰雹软雹雪花冰晶融化层地物杂波生物(鸟\昆虫)铝箔条垃圾回波强度Z和相关系数ρHV

Norman,Aug/13/2011,KOUN

ZρHV2015-3-18上海南汇双偏阵雷达观测的回波强度和相关系数用相关系数判别地物回波和铝箔条回波判别地物回波和铝箔条回波相关系数和零度层亮带相关系数比较清晰地反映了零度层亮带的存在TornadoDebris(2/6/2008)KDP,RHOVHusedtomapdebristraceTropicalCycloneRitaTornadoesSizesortingandspatialseparationofdrops-microphysicsfeedbacksondynamics?多普勒/双偏振雷达数据多普勒雷达基数据ReflectivityfactorZRadialMeanVelocityVSpectrumWidthSW双偏振参量+DifferentialReflectivityZDRDifferentialPhaseΦDPorSpecificDifferentialPhaseKDPCorrelationCoefficientρhvLinearDepolarizationRatioLDR双线偏振雷达信息的显示对比分析2-1对比分析2-2对比分析3ZZdr双线偏振雷达系统的技术方案1两种技术方案的对比双发射机体系:Hightransmittedenergy,goodforweakanddistanthydrometordetectionHardertobalancetheenergyoutoftwotransmittersHighercost单发射机体系:RelativelyweakenergytransmittedEasytobalancethetwochannels’energyLowercost,lowermaintenance双线偏振雷达系统的技术方案2南京信息工程大学的简易化”单发双收”体制的云雷达双线偏振雷达信息的应用---目标分类所用的六个参量为双线偏振雷达信息的应用---分类分类类型双线偏振雷达信息的应用---分类模糊逻辑判别型双线偏振雷达信息的应用---分类一次过程的识别结果双线偏振雷达信息的应用---分类一次过程的识别结果水凝物分类中的问题（1）如何得到双偏振参量和谁凝物的概率关系？（2）上述关系是否与季节、地点等因素有关？（3）如何得到温度数据？（4）如何检验分类结果？双线偏振雷达信息的应用---估测降水双线偏振雷达信息的应用---估测降水双线偏振雷达信息的应用---估测降水一次过程的识别结果双线偏振雷达信息的应用---估测降水双线偏振雷达和常规雷达估测降水情况的比较双线偏振雷达信息的应用---估测降水双线偏振雷达和常规雷达估测降水情况的比较双线偏振雷达信息的应用---估测降水有冰雹时的降水估计情况Z较大，45dBZ以上Zdr较小，-0.5~1.0dBKdp

较小，-0.5~1.0º/KmCC较小，~0.85注意：在远距离处