双偏振雷达在广州对流性降水应用效果分析

论文总字数：17659字

目 录

1 绪论…………………………………………………………………4

1.1论文研究目的和意义 ………………………………………………………………4

1.2 国内外研究历史和现状 ……………………………………………………………4

2 双偏振雷达的工作原理和结构 ……………………………………5

2.1 双偏振雷达的探测原理 ……………………………………………………………5

2.2 双偏振雷达的工作方式 ……………………………………………………………5

2.3 双偏振雷达得到的主要参量…………………………………………………………6

2.3.1 多普勒参量 …………………………………………………………………6

2.3.2 偏振参量 …………………………………………………………………6

2.3.2.1 差分反射率因子………………………………………………6

2.3.2.2 相关系数 ……………………………………………………6

2.3.2.3 差分传播相位和差分传播相移率………………………7

2.3.2.4 线性退极化比…………………………………………………7

3 用偏振变量识别不同的降水粒子 …………………………………7

4 个例分析 ……………………………………………………………8

4.1 5.9-5.10广东一次暴雨天气过程……………………………………………………8

4.2 5.15 广东一次飑线天气过程………………………………………………………14

5 结论与讨论…………………………………………………………19

5.1 总结……………………………………………………………………………………19

5.2 问题与展望……………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………20

致谢……………………………………………………………………21

广州对流性降水的双偏振雷达应用效果分析

郑钟尧

，China

Abstract： Dual-Polarization Radar is the international advanced precipitation detection and short-term forecast application of weather radar.Compared with the current Doppler weather radar ,the Dual-Polarization Radar has can obtain not only the Doppler parameters(radar reflectivity factor Z，radial velocity Vr and velocity spectrum widthσ),but also the polarization parameters(the differential reflectivity Zdr,the specific differential propagation phase Kdp, Cross-correlation coefficient ρ),which has more advantages in identifying and eliminating ground clutter,identifying precipitation type,identifying bright bands or melting layers and distinguishing the precipitation phase state.This paper use some Dual-Polarization Radar data in spring and summer of 2016 in Guangzhou to study the effect of Dual-Polarization Radar on precipitation type classification and precipitation intensity classification.Main works are as following:

(1).Learn the detection principle of Dual-Polarization Radar,analysis of the basic product and echo characteristics of Dual-Polarization Radar in typical weather situation by using the observation data of Dual-Polarization Radar in Guangzhou.

(2).The typical convective weather process is selected to analyze the physical significance of the threshold and evolution of the polarization parameters in the convective precipitation weather and summarize the effect of the echo in short-term forecast and precipitation character recognition.

Key words： Dual-Polarization Radar；Convective Precipitation；Polarization parameters

1 绪论

1.1论文研究目的和意义

天气雷达可以研究气象中的中小尺度降水和局地降水系统问题，是进行天气探测和预报的重要手段之一，气象雷达按工作体制划分可分为三类：常规天气雷达、多普勒天气雷达、双线偏振多普勒天气雷达。

多普勒天气雷达得到的信息包括目标物的回波强度、径向速度和取样体积内的速度谱宽，是我国目前业务应用的主流天气雷达。

双线偏振多普勒雷达能交替发射和接受水平与垂直的线偏振波，它与目前业务应用的多普勒天气雷达相比,除同样能测定目标物的回波强度外，还能测得偏振参数包括差分反射率因子Zdr、差分传播相移率Kdp、相关系数ρ等新的独立变量，获得表征目标物的更多信息。这对于提高雷达在识别和消除地物杂波、识别降水类型、识别零度层亮带、分辨降水相态等方面更有优势。双偏振雷达是目前国际上降水探测研究与短临预报应用的先进雷达，美国于2013年4月底将多普勒天气雷达全部升级为双线偏振多普勒雷达，我国正在进行现有多普勒天气雷达升级的前期研究与试验论证中，因此研究双偏振雷达在识别降水等方面的应用具有重要意义。

目前广州的S波段双偏振多普勒天气雷达正承担着中国气象局进行双偏振雷达升级试验的任务，本文旨在利用广州的双偏振雷达，通过对双偏振雷达资料的读取处理，分析应用效果，更好地了解双偏振雷达的探测性能，利用双偏振雷达的优势，使其能有效地服务于降水物理研究和短临预报，为后续研究与业务应用提供更多参考依据。

1.2 国内外研究历史和现状

自上世纪70年代起Seliga等^[1]提出电磁波双偏振探测设想以来，Hall等^[2]建立了典型降水粒子的水平反射率因子和差分反射率因子间的关系，Zadeh^[3]最早在1965年提出模糊逻辑算法，Straka等^[4]提出了用模糊逻辑算法对不同降水粒子进行识别和分类，并利用变化的一维和二维的隶属函数描述各种偏振变量，Liu等^[5]用模糊逻辑方法对降水粒子相态进行识别并给出不同粒子的Beta隶属函数的取值范围。美、英、日、德、中国等国都已建立了各自的DLPR系统及双线偏振多普勒天气雷达（DLPDR）系统，并进行了一系列外场试验，以检验和完善其探测研究云和降水宏观及微观特征的能力^[6]。美国早在2007-2009年就对CASA研发的X波段小雷达网的定量降水估测性能进行了评估并显示出了很好的准确性^[7]。在2013年4月底美国完成了对149部雷达的改装，将WSR-88D升级为双线偏振雷达。

我国雷达气象工作者对双偏振雷达进行了大量研究，随着科研人员在这一方面的积极探索， 董振贤等^[8]提出了通过设定偏振变量阈值建立识别降水粒子类型的算法，并对双偏振天气雷达的主要功能做了说明。刘黎平等^[9]对双线偏振雷达和普通雷达测量不同强度降雨的效果进行了评估和比较，曹俊武等^[10]在综合分析国内外水凝物相态识别方法的基础上，结合我国偏振雷达的应用需求，建立了一套利用双偏振雷达探测资料识别降水粒子类型的识别模式，同时针对该模式进行效果检验分析，讨论各偏振测量参数在识别不同降水粒子类型中的作用。马建立等^[11]提出了利用双偏振雷达探测的偏振参量来评估人工影响天气的效果，并对2008年北京奥运会期间一次人工消雨作业进行效果分析。张杰等^[12]通过介绍双偏振多普勒雷达的差分反射率因子Zdr、差分传播相移率Kdp、相关系数ρ等主要基本产品生成原理，以及利用721型双偏振雷达的探测资料进行降水强度识别的方法和效果研究，为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供了参考依据和帮助。吴欢^[13]利用差分传播相移率Kdp与反射率因子Z进行衰减订正，使受衰减影响的回波得到加强；用反射率因子Z和差分反射率因子Zdr的方差识别地物回波；利用反射率因子垂直廓线订正了地物回波对底层回波强度的影响，使低仰角的可信度增加；利用模糊逻辑算法判别降水粒子类型，根据有关X波段雷达的资料，进行了有关X波段双线偏振雷达回波衰减订正和地物杂波订正以及降水粒子类型判别的研究。钟晨等^[14]通过北京C波段双偏振天气雷达对一次降雹过程的回波演变、雷达产品及双偏振产品差分反射率因子Zdr、差分传播相移率Kdp、相关系数ρ的特征及变化进行分析，得出双偏振雷达相对于常规天气雷达在识别冰雹的方面更有优势的结论。

我国是世界上气象灾害最严重的国家之一，灾害性天气的发生对经济、社会及环境等方面都会产生巨大影响，提高对灾害性天气的探测与预报技术非常重要。双偏振雷达是新一代天气雷达的发展趋势，随着我国新一代天气雷达系统逐步投入业务运行，气象部门对对流性天气系统的监视和预警能力大大提高。

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