雷達(dá)測(cè)量降水.doc

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1、雷達(dá)測(cè)量降水1雷達(dá)測(cè)雨的基本原理天氣雷達(dá)天線發(fā)射脈沖式電磁波，當(dāng)電磁波遇到降水或某些云目標(biāo)，一部分電磁波會(huì)被散射。雷達(dá)接收從云雨散射回來的回波信號(hào)，通過對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)度的分析處理，可確定降水或云的存在及其特性。根據(jù)電磁波傳播的速度和發(fā)射與接收脈沖信號(hào)的時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)物到雷達(dá)的距離；根據(jù)雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和仰角以及目標(biāo)物至雷達(dá)的距離，可確定目標(biāo)物的空間位置。Pr=Z通過對(duì)返回信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，由雷達(dá)氣象方程可計(jì)算出目標(biāo)物對(duì)電磁波的散射能力。用于降水粒子時(shí)，簡化的氣象雷達(dá)方程式為：Z=A式中：Pr為平均接收功率。C為由雷達(dá)型號(hào)決定的雷達(dá)常數(shù)，它與發(fā)

2、射功率、波長、天線增益、波束寬度等雷達(dá)參數(shù)有關(guān)。k2為降水粒子相態(tài)的函數(shù)，與降水粒子介電常數(shù)有關(guān)，一般來說，水的k2值為0.93，冰為0.18。r為距雷達(dá)的距離。Z為雷達(dá)反射因子，是單位體積中降水粒子直徑6次方的累計(jì)和，表示為，常以1mm6/m3為基準(zhǔn)的分貝表示，記為dBz，可以應(yīng)用氣象雷達(dá)方程式根據(jù)平均接收功率求取。由于降水粒子直徑并非均一分布，在實(shí)際應(yīng)用中常用其一般形式：,式中的A和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨降水類型和地理位置的不同而變。在各種Z~R關(guān)系式中，在A在16.6~730范圍內(nèi)。因此，測(cè)定了降水區(qū)的反射因子Z，則可計(jì)算降水強(qiáng)度R及其分布。2雷

3、達(dá)測(cè)雨誤差分析由于雷達(dá)測(cè)量降水可以得到具有一定精度的、大范圍高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)降水信息，因此應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行降雨監(jiān)視和面雨量計(jì)算，可以提高洪水預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性。但要清楚地認(rèn)識(shí)到，由于技術(shù)本身的復(fù)雜性和其它原因，目前的雷達(dá)測(cè)雨存在一定的誤差，特別是大范圍降水測(cè)量的準(zhǔn)確性尚不能完全滿足氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求。雷達(dá)測(cè)雨誤差主要來源于以下幾方面：a)雷達(dá)電磁波的波長對(duì)降水測(cè)量的影響。在雷達(dá)氣象方程式中，平均接收功率Pr與雷達(dá)波長、天線增益及波束寬度等有關(guān)。在天線大小固定的情況下，Pr與波長的4次方成反比，即波長越短，Pr越大，探測(cè)能力越強(qiáng)，因此波長短有利于探測(cè)

4、降水。但是，在電磁波傳播途中大氣氣體和降水都對(duì)其有衰減作用。b)雨滴譜變化和Z~R關(guān)系的不確定性。降水強(qiáng)度與降水粒子直徑的分布即雨滴譜有關(guān)，Z~R關(guān)系亦與雨滴譜密切相關(guān)。在同樣的降水強(qiáng)度下，對(duì)流降水和暖云降水由于雨滴譜不同而反射因子Z不同。在同一次降水過程中，云的不同發(fā)展階段雨滴譜也不一樣。因此，Z~R關(guān)系是不確定的。嚴(yán)格講，關(guān)系應(yīng)在進(jìn)行雨滴譜測(cè)量的基礎(chǔ)上通過計(jì)算得到，但在實(shí)際應(yīng)用中很難做到。目前在業(yè)務(wù)工作中使用的大多是固定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，必然影響計(jì)算的精度。c)雷達(dá)測(cè)量高度以下的反射因子變化的影響。在降水過程中，由于水滴蒸發(fā)、大氣運(yùn)動(dòng)及水的相變，雷

5、達(dá)反射因子在垂直方向上有很大變化。同時(shí)雷達(dá)電磁波的路徑(即使是水平發(fā)射的路徑)隨距離的延伸而離開地表面，水平距離越遠(yuǎn)，垂直距離也越大，因此，雷達(dá)觀測(cè)的降水和實(shí)際落地的降水差距也越大。同時(shí)隨距離的延伸，波束的空間擴(kuò)展也增大。d)地物雜波和阻擋。氣象雷達(dá)的主要觀測(cè)對(duì)象是降水回波，但同時(shí)也不可避免地觀測(cè)到山岳等地形反射的回波。有時(shí)這種地形雜波與降水回波混在一起不易區(qū)分。此外，由于地物等障礙物阻擋了電磁波的傳播路徑，其后和降水回波無法探測(cè)到。如果因此提高天線的仰角又提高了波束距地表的垂直距離而增大了觀測(cè)誤差。e)與雷達(dá)本身性能有關(guān)的測(cè)量誤差。與雷達(dá)性能有

6、關(guān)的測(cè)量誤差還與雷達(dá)設(shè)備本身的穩(wěn)定性有關(guān)。雷達(dá)設(shè)備在經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等性能會(huì)有變化。f)非正常傳播(AP)。假設(shè)雷達(dá)的波束是在標(biāo)準(zhǔn)大氣中傳播的，這樣可以計(jì)算波束高度。如果大氣狀態(tài)不標(biāo)準(zhǔn)，那么波束傳播會(huì)是不同的方式，或者說非正常地傳播。非正常傳播，一般指的是波束被超折射并在遠(yuǎn)離正常的地物雜波區(qū)處撞到地面。因此，AP是真正的遠(yuǎn)離雷達(dá)區(qū)域的地物雜波。這些來自非正常傳播波束的能量會(huì)被包含在Z~R方程里，就象正常地物雜波那樣會(huì)引起降水的過量估計(jì)。g)波束部分充塞。波束部分充塞一般對(duì)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)的氣象目標(biāo)是個(gè)問題。雷達(dá)測(cè)量必須做的假定之一

7、就是所有的目標(biāo)完全充滿波束，因?yàn)樗鼪]有別的確定方法。因此，在這個(gè)距離上比波束窄的目標(biāo)物會(huì)顯示得比真實(shí)情況大。來自小目標(biāo)物的能量被平均到整個(gè)寬的波束上，結(jié)果是低估了降水量(整個(gè)區(qū)域范圍是高估的)。3雷達(dá)估計(jì)降水研究現(xiàn)狀天氣雷達(dá)問世以來，估測(cè)降水一直是其主要目標(biāo)。根據(jù)不同的研究目的和方向，雷達(dá)估測(cè)降水的方法大致可分為二類：一類是基于雨量計(jì)在點(diǎn)上的精確測(cè)量聯(lián)合雷達(dá)估測(cè)降水強(qiáng)度；一類是直接利用Z~R關(guān)系確定降水強(qiáng)度，估計(jì)降水分布。前一類適合短時(shí)應(yīng)用，后一類比較適合長時(shí)段氣候應(yīng)用?；谟炅坑?jì)校準(zhǔn)的方法認(rèn)為雨量計(jì)在點(diǎn)上精確測(cè)量降水，校準(zhǔn)的目的盡可能縮小雷達(dá)和

8、雨量計(jì)在雨量站點(diǎn)上測(cè)量的偏差，用客觀分析方法在空間上提取校準(zhǔn)場(chǎng)，從而得到降水分析場(chǎng)。Brandes(1975年)年引入Barnes客觀分