双线偏振雷达原理及其在估算降水方面的应用

双线偏振多普勒雷达测量降水

张晶

南京信息工程大学大气遥感科学与技术专业，南京 210044

摘要：介绍了双线偏振多普勒天气雷达的基本原理和双偏振参量，并且阐述了双线偏振雷达在降水类型分类以及降水强度反演方面的应用，比较了几种较常使用的估测降水强度的算法，并分析了不同算法之间的差异。双线偏振多普勒天气雷达可以比常规天气雷达从云雨粒子中获取更多的雷达回波参量，可以明显提高降水强度的估测精度，改善雷达测量单点流域的降水和降水总量的效果，提高雷达对降水监测预报的能力，具有很大的应用潜力。

关键字：双线偏振；多普勒雷达；偏振参量；测量降水

一．引言

用地面微波雷达研究云和降水起源于第二次世界大战后期，当时的雷达主要用于监视敌方的飞机，后来雷达操作人员发现天空中的云及降水也能产生回波。随着科学技术的发展特别是高性能计算机的出现，天气雷达的数字化及利用Doppler 原理测量风速均成为了现实。雷达气象学家们在天气雷达测量降水方面做了大量的探索研究。用雷达测量降水的方法多种多样，总的来说，其技术主要有三种：(1)传统测量方法，即通过雷达反射率因子Z 和降水强度I 间的关系直接测量降水；(2)衰减法，其基本思想是在晴朗天气下，测得某些固定目标物(如地物或其他) 的回波功率，在雨天再测量这些固定目标物的回波功率，建立平均衰减系数Kt 与降水强度I 间的关系测量降水；(3)多参数法，即利用双线偏振雷达所获得的偏振参数和降水强度之间的关系来测量降水。

二．双线偏振雷达主要参量

双线偏振雷达能够得到的主要参量为：水平和垂直反射率因子Z H 和Z V ，差分反射率因子 Z DR ，差分传播相位变化ΦDP ，差分传播相位常数K DP 。

1. 水平和垂直反射率因子Z H 和Z V

发射水平偏振波时水平反射率因子的表达式为：

D max

Z H =⎰N (D ) *D

06H *dD （1）

式中，D H 为雷达探测的粒子在水平方向的尺寸，N(D)为降水粒子的滴谱分布。 垂直反射率因子的表达式为：

D max

Z V =6N (D ) *D V *dD （2） ⎰0

式中，D V 为雷达探测的粒子在垂直方向的尺寸。

2. 水平和垂直方向的衰减因子A h,v

A h , v =434I m (3K h , v ) (3)

式中K h,v 为散射体中复波数，

K h , v =K 0+π

K 0⎰f h , v (D ) N (D ) dD (4)

K 0为真空中的波数，K 0=2π/λ，f h,v (D)为前向散射系数，N(D)为散射体的数密度。在降雨过程中，A h,v 随着雨强的增大而增大。同样雨强或准确地说对于同一降雨体同一时刻的观测，波长短的电磁波穿过雨区时，A h,v 大；波长长的电磁波穿过雨区时，A h,v 小。

3. 线性退偏振比LDR VH

LDR VH =10Z HV ) (5) Z HH

LDR VH 表示雷达接收到正交偏振分量与同极偏振分量功率之比。当雷达发射水平偏振波时，对球形散射体或者轴对称粒子(其对称轴平行或垂直于偏振平面) ，散射体会返回相同极化方向的电磁波，导致LDR VH 趋于-∞；否则，会有正交分量的能量返回。雷达探测到的LDR VH 值大小主要与水凝聚物的形状，形状的不规则性、相态、介电常数及水凝聚物相对于偏振平面的倾角有关。通常，比较其他偏振参数而言，LDR VH 对雷达的噪声更为敏感，因为散射体返回的正交极化信号比同极信号要小2到3个量级。例如，有人用CSU-CHILL 雷达测量到最小LDR VH 值是-34 dB(见文献[19])。LDR VH 值与粒子数浓度和雷达参数标定无关，但与传输效应有关。

4. 差分反射率因子Z V

差分反射率因子Z V 可以从雷达水平和垂直反射率因子计算得到：

Z D R =10*log （Z H /ZV ) (6)

Z V 是对以反射率因子为权重的降水粒子的平均轴比的测量。大量的大尺度粒子也能严重影响Z V 的信号。这些粒子能够产生大的反射率因子。差分反射率因子不受粒子总数的影响，主要依赖于粒子总数在不同尺寸上的分布。

5. 差分传播相位变化Z V 和差分传播相位常数K DP

双程差分传播相位变化定义为：

ΦDP =ΦHH -ΦVV (7)

ΦHH 和ΦVV 分别为雷达信号在水平和垂直极化时，在某一个特定距离处往返到达天线的双程相角。

一个更加有用的参数为差分传播相位常数K DP ，其定义为：

K D P =[ΦD P (r 1) -ΦD P (r 2)]*[2(r 2-r 1)]-1 (8)

式中，r1和r2分别为测量点1和测量点2与雷达的距离。K DP 的单位为(°) /km。K DP 是水平和垂直极化波传播常数的差。K DP 的差异包含各向同性粒子和各向异性粒子的差异。因为各向同性粒子对于水平和垂直极化波能产生相近的相移，故K DP 的差异主要归因于各向异性粒子组成的差异。K DP 对粒子分布的变化不敏感，它的测量值不受部分波束阻挡和各向同性粒子的影响，但它依赖于粒子数的密度。

6. 零滞后相关系数 HV (0)

零滞后相关系数ρHV (0)定义为水平偏振回波信号与垂直偏振回波信号的零滞后互相关系数的幅值，反映了水平和垂直偏振波的后向散射特征的相关性。对于雷利散射而言，可用|ρHV (0)|来说明由于水凝物水平和垂直大小的变化而引起的非相关程度。|ρHV (0)|值与雷达的标定、水凝物的浓度及传输的影响无关，但对雷达信噪比比较敏感，也易受到旁瓣回波和地物杂波的影响。

三．双线偏振雷达测量降水

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，它和常规天气雷达相比，除同样能测定云、降水粒子的反射率因子、径向速度、谱宽外，还能测的差分反射率因子Z DR 、双程差示传播相位变化ΦDP 及两种不同偏振之间的线相关系数ρHV 等新的独立变量。这对于提高雷达定量降水的精度，以及了解降水粒子的大小分布、形状、相态和空间取向等均十分有用。

3.1双线偏振雷达确定降水粒子类型

用雷达测量降水首先要区分降水颗粒的类型——冰雹、霰/小冰雹、雨、雪、雨与湿冰雹混合物及混合态粒子。主要是因为这些不同的降水粒子对电磁波的散射有不同的散射模式(Rayleigh散射或Mie 散射) 及不同的介电常数。

有很多专家正致力于双线偏振雷达确定降水粒子类型方面的研究，并已经得到许多具有参考价值的研究方法和成果。

Cherry 等通过对各种类型的滴谱和粒子形状的分布，认为用10cm 波长雷达观测时，各种降水类型的Z 和Z

的数值大小可定性地用表1表示。

表1

如下图所示，利用Z H 和Z V 两个参数，计算出各降水类型的大概范围，其中，RS 、RM 、RL 分别表示小雨、中雨、大雨，G/HS表示霰粒或小冰雹，H 表示冰雹，R/H表示雨和冰雹混合性降水。

图1

根据以上图表，可以总结 出不同的降水粒子时各偏振变量的大概变化特征：

1) 对于纯降雨区(即在融化层以下的雨滴区) ，Z H 易随雨强增大而变大，Z V 为正值，当出

现大雨滴时，Z V 可达3——5dB 。一般小雨的K DP 为1/km ，但在含有冰核的大雨滴时也可达2. 5/km ，ΦDP 在波束通过广大的大雨区时可达上百度。ρ HV 值在纯雨滴或纯小冰雹时是接近于1的。这与理论计算结果基本相符。

2) 对于雨及冰雹共存区，会在同一个区中出现较大的Z H 值与较小的Z DR 值。如Z H

Z DR =0dB。而ρHV 变小，如小雨0.5等。

3) 中等大小且方向性很好的融化冰雹，可产生Z DR 小的正值，并使K DP 值变大。湿冰雹还

可使后向散射差示相位变化δ有很大变化，从而使ΦDP 值在空间发生振荡，造成ρHV 迅速减小(如降为0.4等) 。δ最大可达一400。

4) 大的冰雹，将具有很高的Z H 值(如Z H >50dBz)及负的Z DR 值(如一l 到一3dB) ，K DP 值也

较大(但随机取向的冰雹除外) 。

5) 应指出，Z H 值与K DP 值有着明显的相关性，对于纯雨滴在M 一P 分布时，可得到

Z H =13.86109(KDP )+48.2 (9)

的关系。若Z H 值对应的K DP 值过大，即点子偏离上述方程的曲线。则可能是Z H 值的系统误差，或者雨滴中有冰核。K DP 值的大小还可以反映出液态水含量的多少。

3.2双线偏振雷达测量降水的方法比较

利用双线偏振雷达的不同参量进行组合，可以得到不同的测雨方法及测雨效果，下 面对适用于对流性降水的四种估测降水方法进行对比分析：

方法1：R1=1. 7×10-2×Z H 0. 174 (10)

×Z DR (11) 1. 03方法2： R2=1.59×10-2×Z H

0. 8120. 737方法3： R3=50.3×K DP (12)

0. 851 0. 72方法4： R4=63.3×K DP ×Z DR (13)

其中，R1、R2、R3、R4分别表示运用四种方法计算得出的雨强，单位：mm ·h -1；式中Z H 的单位为mm 6·m -3，K DP 的单位为°·km -1。

方法1只利用一个反射率因子Z H 来估测降水，由于Z H -R 关系受雨滴谱型变化影响较大，假定雨滴是球形的，中到大雨使估测降水强度的精度误差更大。方法2利用了反射率因子Z H 和差分反射因子Z V 两个参量，该测雨方法对滴谱分布变化敏感性较差，利用双参数(ZH 、Z V ) 的方法提高了降水精度。方法3利用K DP 直接估测降水，在测量强降水方面精度有很大提高，该方法对雨滴谱变化较不敏感，K DP 本身也易精确测量，在探测云体内微物理结构方面有很大的潜力。方法4是联合差分反射率因子Z V 、差分传播相移率K DP 反演降水，Z V 可以反映滴谱中大小粒子比例的变化，K DP 可以提高雷达探测效果，且液态水对它的贡献最大，引入参量Z V 明显改善了常规雷达反演强降水过大的现象。

由于降雨的复杂性，提出的方法也是见仁见智，但主要的偏振参数仅有Z H 、Z V 、Z V 、K DP 等。研究结果表明：双线偏振雷达可以改善小到中雨的测雨效果，它使常规雷达测雨的小雨高估，大雨低估的趋势减弱。

四．结论

本论文总结了双线偏振雷达可以获取的主要气象参数，并且讨论了双线偏振雷达在降水类型分类以及降水强度反演方面的应用。及时开展双线偏振雷达精确测量降水、识别降水粒子相态有着深远地现实意义与理论意义，发展多种双线偏振多普勒天气雷达资料的分析和应用 方法，更好地显示出偏振雷达在暴洪监测、粒子相态识别、云和降水物理、人工影响天气、闪电物理、气象服务保障等领域有很大的潜力。

双线偏振技术能明显增强雷达估测降水、识别降水粒子相态的能力，是天气雷达未来几年的一个发展方向。目前，美国国家天气局已经将双线偏振技术的使用，作为下一步对新一代天气雷达进行更新改造的重要内容，已有几部雷达得到了双线偏振技术改造，并应用于科研中。在我国，该技术的推广和应用仍需要多方努力，一些重要应用技术和方法还没有得到解决。加强雷达厂家、科研单位和业务单位合作是推进这些技术发展和最终投入业务运行的重要措施。

参考文献:

[1] 胡 胜 胡东明 汪 瑛 叶爱芬 刘运策. 《双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用》.

广东气象. 第4期.2006 年11月.

[2] 王建林 刘黎平 曹俊武. 《双线偏振多普勒雷达估算降水方法的比较研究》. 气象. 第31

卷第8期.

[3] 王建林. 《双线偏振多普勒雷达定量探测降水强度方法的研究》. 中国气象科学研究院 硕士学位论文.

[4] 尹忠海 胡绍萍 张沛源. 《双线偏振多普勒雷达测量降水》. 气象科技. 第30 卷 第4

期.2002 年8 月.

Rainfall Rate Measurements by Dual Linear

Polarization Doppler Radar

ZHANGJING

School of Atmospheric Physics In Nanjing University of Information Science And Technology，

Nanjing 210044

Abstract :Basic principles and the dual-polarization parameters of the dual linear polarimetric dopplerradar are reviewed by this paper as well as the applications of the rainfall rate measurements by dual linear polarization doppler radar.Dual linear polarization radar may provide more radars returning Parameters from clouds and precipitation particles than conventional weather radar ，can obviously increasethe accuracy of measure estimates ，improvement radar measurement effect of single point river basin precipitation and precipitation amount，increase the radar ability to monitor the forecast.

Key words:Dual linear; Polarization Doppler Radar;precipitation;Polarization parameter