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目 录

目 录 1

摘要 2

Abstract 3

1. 研究的目的和意义 4

2. 毫米波测云雷达的国内外研究进展 4

2.1 毫米波雷达在国外的发展情况 4

2.2毫米波雷达在国内的发展情况 5

3. 毫米波雷达的特点 6

3.1特点 6

3.2 毫米波测云雷达概况 7

3.3毫米波雷达在云结构观测上的应用 7

4.毫米波云雷达基数据处理以及算法实现 8

4.1云雷达基数据质量控制 8

4.2 算法介绍 9

4.3 算法流程图 9

4.4 主要代码 10

5.效果验证 11

5.1算法验证 11

5.2个例分析 13

5.2.1一层云的情况 13

5.2.2俩层云的情况 14

5.2.3三层云及多层云的情况 16

5.3统计分析 17

6. 总结与讨论 18

6.1论文总结 18

6.2存在的问题和工作展望 18

参考文献 18

致谢 21

毫米波测云雷达回波边界的自动识别

石海波

，China

Abstract：Energy and water cycle in the atmosphere plays an important role in the global climate change, and the cloud is the link between these two processes.Compared with the traditional weather radar, it has the characteristics of small particles, high precision and high spatial resolution.The wavelength of millimeter wave radar is shorter, and the backscattering energy is larger, and that can provide more precise cloud structure.Data with a Millimeter-Wavelength Radar is used to read out echo intensity with time and height variation of the data according to the format, and draw the echo intensity diagram.I design a set of automatic identification algorithm for cloud boundary, and output cloud boundary data in the form of a product, and finally to evaluate the accuracy of the algorithm.

Key words：Millimeter-wavelength Cloud Radar;Cloud base and top boundary;automatic recognition

1. 研究的目的和意义

云是具有一定厚度且底部不与地面接触的悬浮在大气中的小水滴或冰晶微粒或者两者掺杂而成的可见聚合体。云是水汽在空中的凝华（或凝结）现象，所含滴粒的直径一般只有几微米。云的形成和演变是大气中发生的错综复杂的物理过程的具体变现之一。大气运动状况在当时云的外形、数量、分布、移动和变化上有着明显体现^[1]。云是大气的热力过程和动力过程的表现，是水循环的重要环节。云的辐射效应对地球的辐射收支有着显著影响以及云在地球水汽输送中有着很大的作用。不断发散的红外辐射的重新分布受到云的类型、高度和数量的影响。云还影响飞机的起飞、着陆以及飞行安全。云的形成和演变非常复杂，云的探测和识别有利于提高天气精细预报准确率，是卫星反演和气候模式急天气预报数值模式研究中不确定性的主要来源之一。因此，通过云的观测可以间接地了解空中气象要素的变化和大气运动的状况，这对气象研究有着很重要的现实意义。目前，气象上用于对云的探测手段众多，主要采用的方法有机载仪器取样、微波辐射计、雷达观测和卫星反演、云幂测量及无线电探空等^[2]。国内外探测手段都有各自的优势，但也存在不足。

一直以来，如何精确地确定云的宏观结构是气象工作者最关心的问题也是最亟待解决的难题，其中包括了对云顶、云底高度、云层厚度和多层云的垂直分布问题的研讨。云的宏观结构是决定云辐射特性的一个重要因素，从而在改变大气层的热力结构、影响大气环流方面起着重要作用^[3-6]。对云宏观结构认知的匮乏，导致了对地气辐射的不正确估计^[7]。地面观测和卫星观测是研究云的气候效应的重要手段，但是二者在高低云中存在各自的明显短板：地面观测主要通过人眼来观测各个时段云的状况，但是由于人眼只能看到低云，对高云的判断有较大难度，所以其只能记录云底高度，对于云顶高度、云厚等的确定存在一定难度。而卫星则与地面观测相反，其难以观测低云和确定云底高度。相比于激光雷达，云内粒子和弱降水对毫米波测云雷达的衰减作用小。因此，实现自动化处理云雷达数据获取云边界信息对研究云的宏观结构以及反演有着重要意义。

1. 毫米波测云雷达的国内外研究进展

2.1 毫米波雷达在国外的发展情况

毫米波测云雷达在20世纪50年代逐渐开始研制和使用。早期采用使用速调管、工作频率为24 GHz的毫米波雷达来探测云。但是由于当时技术能力跟不上,早期使用的雷达对于探测比较弱的云系有较大难度, 比如完全探测不到含水(或冰晶)量少的薄云(薄层积云、淡积云、薄卷云)^[8]。第一部用于气象观测的毫米波雷达系统是由Paulsen等^[7]研制出的，其波长为8.6mm。Present^[9] 研发了毫米波TUBE磁控管，可以使雷达发射大功率，其峰值功率可达50 kW、平均功率有50W。20世纪60年代末70年代初,美国空军部研制出有着超强灵敏度的用于飞机飞行探测的雷达，其型号为AN /7PQ-11、工作频率为35 GHz，其能很清晰的观测云的宏观结构。80年代，美国国家海洋大气局NOAA改进了Ka波段毫米波测云雷达，该种雷达集多普勒和双极化功能于一体^[10-12]。

90年代初,气象工作者逐渐发现毫米波雷达在云探测中相比其他手段有着巨大优越性。发达国家重点改进硬件系统中天线增益以及极化特性的技术，重点使用毫米波雷达使其成为研究云的主要遥感手段之一^[13-16]。1992 年美国Honeywell在Ka波段毫米波雷达合成孔径系统方面取得重大进展。1994 年美国在观测过冷水和冰云的位置以及云滴谱的研究中发展并联合使用了混合频率(33GHz和95GHz)毫米波雷达观测系统,。1996 年末在美国的俄克拉荷马(Oklahoma)南部的云辐射测试基地安装了第一部无人操控式毫米波测云雷达(MMCR)。MMCR在长期观测弱降水回波以及非降水回波上稳定性好。MMCR连续工作时间长，达到数千个小时以上, 而且稳定性高，根据其提供的数据资料可以很好地反映云的结构及其演变情况^[17]。

1998年美国能源部提出一个国际大气辐射测量计划( The Atmospheric Radiation Measurement Program, ARM ),ARM计划重点是对云天里影响辐射传输的云特性的研究，其主要手段就是通过毫米波雷达自动对进行连续观测^[18]。这些云特性不仅包括云层高度、云层厚度、云量和云的范围等云的宏观物理特性,还包括如云粒子大小、浓度、冰晶和液态水含量等在内的微物理特性参数。由于这些微物理特性参数决定着云在向上向下辐射过程中的作用，所以对其的观测有着重要意义。

此外, Lhermitte等^[19]在观测薄云内液态水含量方面研制并使用了传输功率只有1kW的3mm波长以及更短波长的毫米波雷达系统。2006 年NASA 地球系统科学研究者首次发射携带了波长为3mm的测云雷达（CPR）的卫星Cloud Sat ，该卫星主要用于从高空观测云的垂直廓线信息，CPR可以探测云中较小的水滴和冰晶粒子，特别是云粒子向降水转化的过程，此次观测实现了对全球云三维结构的探测。

近年来，日本和加拿大也多次参与了国际外场试验，对改善云资料的获取作出了一定贡献。日本研制出在用于地基的Ka波段雷达和机载W 波段毫米波雷达，其中Ka波段雷达对于云宏观结构的获取有着重大意义。如Hamazu^[20]研制出35GHz(8.6mm)扫描多普勒雷达系统和95GHz机载云廓线雷达系统SPIDER。Vivekanandan等在2001年估算云内液态水的含量时联合使用S波段和Ka波段的双波长雷达。

2.2毫米波雷达在国内的发展情况

我国对毫米波雷达的研究和使用起步较晚，直到20世纪80年代毫米波雷达才开始在我国军事领域重点发展使用。军事上主要在近程防空、靶场测量、战地监视和导弹制导、火控和跟踪、机载防撞和高分辨率成像、空间目标探测以及战场敌我识别等领域使用了毫米波雷达^[21-24]。

我国毫米波雷达在云观测上的使用开始于1979年^[25]，中国科学院大气物理研究所和安徽井冈山机械厂合作研制出X波段和Ka波段双波长雷达，魏重等人利用该雷达观测云和降水，并且在理论和观测方面对两波段的雷达进行对比比较，对比结果表明:在探测近距离云细微结构等方面毫米波雷达比天气雷达表现出更大的优势。但此次观测在定量探测和分析等方面受限于当时落后技术水平，其结果存在着重大误差。

近年来, 云在气候变化的作用越来越明显，因此，气象学者们越来越重视云的研究工作。与此同时国内众多气象单位开始重点发展毫米波气象雷达来改进云底观测手段。2006年我国在观测云内积冰情况领域取得重大进展，因为我国研发出一部波长为8.6mm的没有偏振和多普勒功能的测云雷达，这部雷达是由空军第七研究所与安徽四创电子有限公司合作研发的。

2007年我国研制第一部用于气象探测的灵敏度较高的具有极化和多普勒功能的毫米波雷达，其波长为8.6mm，这是中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与中国航天研究二院第二十三研究所合作研制的，并且于2008年5～9月在广东省东莞市气象局( 113.74°E，22.97°N；海拔50m)成功进行了外场试验。该系统采用8mm波长、全相干体制、单发双收的极化体制，并且实现了定向扫描模式；探测距离为30 km；距离分辨率达到30m，雷达基数据中包括的参量分别为多普勒速度、水平反射率因子、退极化因子、速度谱宽。经过长时间观测数据分析表明该雷达能够有效探测到高层云、层积云、台风外围的深对流云等典型云系。这部雷达于2011年增加了录取多普勒数据的功能，其探测能力得到进一步的强化。另外，与南京十四所合作研发了Ka波段毫米波雷达。总体来说，由于毫米波雷达在云的探测上表现出优势使得我国气象学者越来越重视对毫米波雷达的使用，但是现阶段毫米波雷达在我国气象研究中的使用仍然较少，技术仍需得到进一步的改善。

1. 毫米波雷达的特点

3.1特点

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