C波段雙偏振多普勒天氣雷達原理及主要偏振參量應(yīng)用分析

郭桐 柳東慧

摘 要：雙偏振多普勒天氣雷達是現(xiàn)今氣象監(jiān)測的重要手段。本文主要介紹了雙偏振多普勒天氣雷達的工作原理，并對其主要偏振參量進行分析，了解其獨有的物理意義和實際中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：雙偏振多普勒天氣雷達;偏振參量;差分反射率;雙程差分傳播相位;雙程差分傳播相位常數(shù)

中圖分類號：P412.25 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0140-03

Abstract： Dual polarization Doppler weather radar is an important means of meteorological monitoring. This paper mainly introduces the working principle of dual polarization Doppler weather radar， analyzes its main polarization parameters， and understands its unique physical significance and application method in practical application.

Keywords： dual-polarization Doppler weather radar;the polarization parameters;differential reflectance;two way differential propagation phase;two way differential propagation phase constant

雙偏振多普勒天氣雷達主要用來探測各種天氣現(xiàn)象和氣象要素數(shù)據(jù)，是目前世界上最先進的天氣監(jiān)測設(shè)備，在氣象預(yù)報預(yù)警尤其是降水、強對流天氣等方面發(fā)揮著重要作用。

1 雙偏振多普勒天氣雷達發(fā)展及原理介紹

1.1 國內(nèi)外研究的歷史及進展

20世紀70年代，美國科學(xué)家SELIGA和BRINGI[1]在原有單發(fā)單收的天氣雷達基礎(chǔ)上第一次提出了使用雙發(fā)雙收及交替發(fā)射和接收水平垂直兩個方向的偏振波，從而獲得更多數(shù)據(jù)的雙偏振雷達設(shè)想。隨后英國RAL[2]實驗室首先研究出了具有可以迅速轉(zhuǎn)換發(fā)射水平垂直偏振波開關(guān)的雙偏振雷達，并用于天氣現(xiàn)象研究。至此，雙偏振雷達技術(shù)迅速發(fā)展。20世紀90年代，美國科羅拉多州立大學(xué)研發(fā)出可以同時發(fā)射并接收兩種不同偏振波的CSU-CHILL雙偏振雷達，使得雙偏振雷達技術(shù)獲得革命性突破并趨向成熟。2013年，美國完成了所有雷達的雙偏振改造。我國對雙偏振雷達的研究起步較晚，但發(fā)展速度較快。20世紀80年代，原中國科學(xué)院蘭州高原大氣物理研究所用C波段數(shù)字化713天氣雷達上實現(xiàn)了交替發(fā)射和接收，即偏振改造[3-5]。在這之后，我國展開了對雙偏振雷達技術(shù)的積極探索，并取得了較大進展。我國致力于這方面研究的公司做出了重大貢獻。例如，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司在2004年改造多普勒天氣雷達CINRAD/CC，使之擁有了雙偏振功能，成功改造成為C波段雙偏振雷達[6]。再如：2007—2008年，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司聯(lián)合中國電子科技集團公司第十四研究所、中國氣象科學(xué)研究院、北京城市現(xiàn)象研究所向973計劃“我國南方致洪暴雨監(jiān)測與預(yù)測的理論和方法研究”項目“2008―2009我國南方暴雨野外科學(xué)試驗（SCHeREX計劃）”，以及氣象行業(yè)專項“熱帶西太平洋觀測試驗與我國高影響天氣可預(yù)報性研究”提供研制的X、C波段雙偏振多普勒雷達[7-8]。目前，我國依然在進行雙偏振雷達技術(shù)上的優(yōu)化升級，以期獲得進一步的提高與發(fā)展。

1.2 原理

電磁波在空氣中傳播時會遇到大氣中各種懸浮粒子，如雨滴、冰晶、云滴等。由于散射作用，電磁波在遇到這些粒子時會產(chǎn)生各個方向上的散射，即大氣中粒子由于入射電磁波極化作用而產(chǎn)生多級震蕩，從而產(chǎn)生次波。雷達通過連續(xù)發(fā)射固定時間間隔的電磁波，接收由于散射作用產(chǎn)生的后向散射，從接收到的后向散射中可以得到需要的各種天氣信息。雙偏振多普勒雷達是一種先進的天氣探測雷達，與一般天氣雷達只發(fā)射一種偏振波不同，它發(fā)射兩種偏振波，即水平與垂直兩個方向上的偏振波，如圖1所示。

通過雙偏振多普勒雷達除了可以獲得常規(guī)天氣雷達信息外，還可以比較兩個方向接收到的回波差異，以獲得氣象粒子的偏振量信息，使工作人員可以從多個方面分析天氣現(xiàn)象。

雙偏振多普勒天氣雷達有兩種不同的工作方式，分別為交替發(fā)射方式和同時發(fā)射方式，即單發(fā)雙收和雙發(fā)雙收，且兩種工作方式各有優(yōu)劣。單發(fā)雙收是指雷達只有一個發(fā)射機和一個接收機或者一個發(fā)射機和兩個接收機。由一個發(fā)射機通過一定的時間間隔交替發(fā)射水平偏振波和垂直偏振波，然后由一個或兩個接收機接收雷達信號。這樣的雙偏振多普勒天氣雷達較易從常規(guī)多普勒天氣雷達改造過來，結(jié)構(gòu)簡單。由于只有一個發(fā)射機，造價也相對便宜。但是，該方式也存在較大缺陷：由一個發(fā)射機發(fā)射兩種偏振波，因此需要很高的脈沖發(fā)射頻率;兩種不同的偏振波之間會不可避免地產(chǎn)生干擾;兩種偏振波不是同時發(fā)射，相關(guān)性較差，從而導(dǎo)致其獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量不是很理想。雙發(fā)雙收是指有兩個發(fā)射機和兩個接收機。兩個發(fā)射機分別同時發(fā)射水平和垂直偏振波，兩個接收機也分別同時接收兩種偏振波返回的數(shù)據(jù)。這樣的雙偏振多普勒天氣雷達的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩個發(fā)射機造價也較高。但總的來說，兩種偏振波的隔離度比單發(fā)雙收好，數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性也較好，得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較優(yōu)。

以南京信息工程大學(xué)C波段雙偏振多普勒雷達為例，掃描方式有3種：體積掃描（Volsan，VOL）、平面位置掃描（Plan Position Indicator，PPI）和距離高度掃描（Rador Height Indicator，RHI）。數(shù)據(jù)儲存的方式為雷達一次掃描后得到的數(shù)據(jù)存為一個文件，文件的命名中有掃描結(jié)束時間、掃描方式和仰角等信息。雷達一次體積掃描的時間大約為7 min。一個完整的體積掃描由14個仰角的圓錐掃描組成。每一個仰角的圓錐掃描中有688根徑向，每一根徑向上有1 933個距離庫，每一個距離庫中都包含有反射率因子、速度參量及偏振參量等數(shù)據(jù)。體積掃描方式如圖2所示。

2 雙偏振多普勒天氣雷達所獲得的主要偏振參量及應(yīng)用

以南京信息工程大學(xué)C波段雙偏振多普勒雷達為例來介紹雙偏振雷達的主要偏振參量，包括差分反射率[ZDR]、雙程差分傳播相位[ΦDP]、比差分傳播相移[KDP]、相關(guān)系數(shù)[ρHV]。

差分反射率[ZDR]（dB）的定義式為式（1）。

式中：[ZHH]為水平偏振反射率因子，表達式如式（2）所示;[ZVV]為垂直偏振反射率因子，表達式如式（3）所示。

式中：[ND]表示降水粒子的雨滴譜分布;[DH]表示水平方向上雷達探測到的降水粒子的尺寸;[DV]表示垂直方向上雷達探測到的降水粒子的尺寸。

差分反射率[ZDR]主要反映降水粒子偏離球形的狀況和粒子群在空間中的取向情況，還與粒子的相態(tài)有關(guān)。通過差分反射率[ZDR]可以了解粒子的形狀、可能的取向及其相態(tài)，一般與[ZH]（反射率因子）等配合使用，才能對降水目標做出判斷。差分反射率[ZDR]的取值范圍一般在-0.5～6.0 dB[9]，當雨滴為扁旋轉(zhuǎn)橢球狀時，[ZHH>ZVV]，所以一般[ZDR]>0，當雨滴比較大時，其越扁，其值可以達到3～5 dB，當遇到冰雹時，由于冰雹的反轉(zhuǎn)作用，使其總體上接近球形，[ZDR]值一般在0附近。

雙程差分傳播相位[ΦDP]（度）定義式為式（4）。

式（4）中：[ΦHH]和[ΦVV]分別表示水平偏振波和垂直偏振波通過相同長度的一個降水區(qū)后，散射回天線的相位值;[δ]表示差分后向散射相移;[φDP]表示前向散射相位差，它是因水平偏振波和垂直偏振波在經(jīng)過非球形粒子組成的降雨區(qū)時前向散射造成的;[ΦDP]的大小與通過降水區(qū)的長度有關(guān)，也與粒子的形狀、相態(tài)、取向有關(guān)。它的大小能反映降水粒子的情況。

雙程差分傳播相位常數(shù)[KDP]（度/km）的定義式為式（5）。

式中：[rm]與[rn]分別是降水區(qū)中兩個相鄰距離庫的中心距離雷達中心的距離;[ΦDPrn]與[ΦDPrm]是分別從這兩個相鄰的距離庫上獲得的雙程差分傳播相位的變化值。從式（5）可以看出，[KDP]反映了[ΦDP]隨距離的變化程度，其大小與雨區(qū)長度無關(guān)。如果[rm]與[rn]不是兩個相鄰距離庫的距離，而是一大片雨區(qū)中距離比較遠的兩個距離庫的距離。當這段距離上降水比較均勻時，[KDP]代表這個降水段上任意一點的值。如果降水不均勻，其代表在這段區(qū)域上的平均值。實際應(yīng)用中，[KDP]表現(xiàn)出如下優(yōu)越性：由于[KDP]是相位隨距離變化的估算值，因此受電磁波衰減的影響較小;不受雷達發(fā)射機和接收機標定誤差的影響。用[KDP]估測降水時，因其幾何和降水強度呈線性關(guān)系且對雨滴譜（DSD）變化相對不敏感，因此能得到比常規(guī)Z-I方法更精確的結(jié)果;[KDP]受雷達波束部分阻擋的影響較小;地物雜波剔除等質(zhì)量控制算法對[KDP]的影響較小。基于上述優(yōu)點，[KDP]被廣泛應(yīng)用于雷達定量估測降水和衰減訂正。

相關(guān)系數(shù)[ρHVT]是相隔時段[T]先后接收到的后向散射回波中的水平偏振分量與垂直偏振分量之間的相關(guān)程度。它是一個復(fù)數(shù)，通常用它的模表示[ρHVT]。當[T]=0時，即水平與垂直偏振波同時發(fā)射同時接收時，就有[ρHV0]，稱為零時滯相關(guān)系數(shù)，定義式為式（6）。

零時滯相關(guān)系數(shù)[ρHVT]反映了對水平偏振波與垂直偏振波同時打到同一氣象粒子時產(chǎn)生的后向散射進行同時取樣后，在一個脈沖重復(fù)周期[T]的時間間隔內(nèi)它們之間的相關(guān)程度。其可以幫助工作人員了解粒子群在[T]時段內(nèi)改變的情況，包括取樣體積內(nèi)粒子譜分布或徑向速度分布、傾斜角分布以及粒子形狀等隨時間變化的情況。它的值一般在穩(wěn)定的層狀云中可以達到0.95，遇到冰雹等時會變小到0.65。當遇到扁旋轉(zhuǎn)橢球狀或錐球狀大冰雹、尺度較小的外包水膜冰雹、雨滴與小冰雹共存時，其值會變小。

3 結(jié)語

雙偏振多普勒雷達是氣象進行氣象觀測的重要手段，尤其是在預(yù)報預(yù)警災(zāi)害性天氣中發(fā)揮著重要作用。本文對C波段雙偏振雷達進行詳細分析，闡述了其運行原理，分析了C波段雙偏振雷達的數(shù)據(jù)特征，并對其特有的主要偏振參量（差分反射率[ZDR]、雙程差分傳播相位[ΦDP]、雙程差分傳播相位常數(shù)[KDP]、相關(guān)系數(shù)[ρHV]）進行了詳細解析，了解其獨有的物理意義和在業(yè)務(wù)實際應(yīng)用中的應(yīng)用方法，得到其可作為強對流天氣預(yù)報參考的關(guān)鍵閾值的結(jié)論。

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