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不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

孙豪 刘黎平 郑佳锋

孙豪, 刘黎平, 郑佳锋. 不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比. 应用气象学报, 2017, 28(4): 447-457. DOI: 10.11898/1001-7313.20170406..
引用本文: 孙豪, 刘黎平, 郑佳锋. 不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比. 应用气象学报, 2017, 28(4): 447-457. DOI: 10.11898/1001-7313.20170406.
Sun Hao, Liu Liping, Zheng Jiafeng. Comparisons of Doppler spectral density data by different bands pointing vertically radars. J Appl Meteor Sci, 2017, 28(4): 447-457. DOI:  10.11898/1001-7313.20170406.
Citation: Sun Hao, Liu Liping, Zheng Jiafeng. Comparisons of Doppler spectral density data by different bands pointing vertically radars. J Appl Meteor Sci, 2017, 28(4): 447-457. DOI:  10.11898/1001-7313.20170406.

不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

DOI: 10.11898/1001-7313.20170406
资助项目: 

国家自然科学基金项目 41675023

详细信息
    通信作者:

    孙豪, email:sunh327@163.com

Comparisons of Doppler Spectral Density Data by Different Bands Pointing Vertically Radars

  • 摘要: 衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题,常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息,该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论,以期改进衰减订正方法。对2014—2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明:3部雷达功率谱谱型基本一致,具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降,当降水下落末速度达临界速度时,会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短,受衰减影响越大,衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移,最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水,单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大,此时需要考虑降水粒子谱分布,在功率谱层面上对订正进一步改善。
  • 图  1  广东阳江气象观测场和广东惠州龙门气象观测场位置

    Fig. 1  The location of Yangjiang and Longmen detection fields in Guangdong

    图  2  3部雷达在2.0 km高度处进行3 min时间平均且订正后的静止大气下回波强度谱密度对比

    Fig. 2  Comparisons of 3 min averaged and corrected echo intensity spectrum data of three radars in static atmosphere at 2.0 km height

    图  3  Ka波段(a)、Ku波段(b)、C波段(c)雷达回波分别通过瑞利散射和米散射计算的后向散射截面随粒子半径变化对比

    Fig. 3  Comparsions of back scattering cross section calculated by Rayleigh scattering and Mie scattering in a increasing radius among echoes of Ka-band(a), Ku-band(b) and C-band(c) radars

    图  4  3部雷达不同降水过程中3 min平均且订正后回波强度谱密度随高度变化

    Fig. 4  Comparisons of 3 min averaged and corrected echo intensity spectrum density of three radars in different precipitation processes

    图  5  2016年5月15日对流云降水过程中2.0 km(a)、2.5 km(b)、3.0 km(c)、3.5 km(d)、4.0 km(e)高度处CR与CWR回波强度谱密度对比

    Fig. 5  Comparisons of the echo intensity spectrum of CR and CWR at the height of 2.0 km(a), 2.5 km(b), 3.0 km(c), 3.5 km(d) and 4.0 km(e) in the convective cloud precipitation process on 15 May 2016

    表  1  Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达技术指标

    Table  1  Specifications of Ka-band millimeter-wave radar, C-band frequency-modulated continuous-wave radar and Ku-band micro rain radar

    指标Ka波段毫米波雷达C波段连续波雷达Ku波段微雨雷达
    雷达体制脉冲多普勒、单发双收、线性极化、全固态连续波体制脉冲多普勒、固态发射机体制
    工作频率33.44 GHz±10 MHz5530±3 MHz24.23 GHz
    探测方式垂直探测垂直探测垂直探测
    探测要素功率谱密度、回波强度、径向速度、
    速度谱宽、退偏振比
    功率谱密度、回波强度、
    径向速度、速度谱宽、回波功率
    功率谱密度、回波强度、
    雨强、液态含水量、雨滴谱
    探测范围/km0.03~15.30.03~150.1~3.1
    FFT谱点数25651264
    时间分辨率8.8~8.9 s完成3个模式扫描,每个模式约3 s3 s,6 s60 s
    高度分辨率/m3030100
    波束宽度/(°)0.32.62.0
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    表  2  2.0 km高度处3部雷达谱参数对比

    Table  2  Power spectrum parameters of three radars at 2.0 km height

    个例过程类型设备回波强度/
    dBZ
    功率谱峰值
    速度/(m·s-1)
    信号谱宽度/
    (m·s-1)
    米散射临界
    速度/(m·s-1)
    临界半径/mm
    2016-05-16
    龙门
    低层积云CR-14.70.61.2
    CWR-15.20.61.3
    2014-06-09
    阳江
    层状云降水CR18.76.04.77.01.13
    MRR19.06.15.1
    CWR19.06.04.9
    2014-06-09
    阳江
    对流云降水CR24.57.05.97.11.16
    MRR24.87.16.48.11.58
    CWR25.27.06.4
    2016-05-15
    龙门
    对流云降水CR42.76.68.47.21.20
    MRR42.96.68.38.21.63
    CWR43.16.59.8
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    表  3  2016年5月15日对流云降水过程中2.0 km,2.5 km,3.0 km,3.5 km,4.0 km高度处CR测得回波强度、CR逐库订正后回波强度、CWR测得回波强度对比

    Table  3  Echo intensity detected by CR, CWR and corrected from CR at the height of 2.0 km, 2.5 km, 3.0 km, 3.5 km, 4.0 km in the convective cloud precipitation process on 15 May 2016

    高度/kmCR测得回波强度/dBZCR订正后回波强度/dBZCWR测得回波强度/dBZ
    2.041.643.143.1
    2.541.943.543.6
    3.042.444.044.7
    3.542.944.545.5
    4.042.544.145.7
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    表  4  2016年5月15日对流云降水过程中2.0~4.0 km高度每隔0.5 km的CWR回波强度差以及使用正演方法订正后的CR回波强度差

    Table  4  Comparisons of echo intensity differences detected by CWR and echo intensity differences of CR corrected by direction deduce method at height of 2.0-4.0 km in the convective cloud precipitation process on 15 May 2016

    高度CR订正后回波
    强度差/dBZ
    CWR测得回波
    强度差/dBZ
    2.0 km与2.5 km的差值0.40.5
    2.5 km与3.0 km的差值0.51.1
    3.0 km与3.5 km的差值0.50.8
    3.5 km与4.0 km的差值-0.40.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-13
  • 修回日期:  2017-05-31
  • 刊出日期:  2017-07-31

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