专利名称：X波段多普勒雷达降水估测方法
技术领域：
本发明属于大气科学领域，具体涉及ー种X波段多普勒雷达的衰减订正方法和降水估测方法。
背景技术：
X波段多普勒雷达体积小、重量轻，探测范围一般在60公里半径，广泛应用于中小尺度灾害性天气预警和局地山洪、城市内涝的应急预警。X波段的雷达相对于S波段和C波段的雷达，波长较短，大气中的降水(雨、雪、雹等)粒子对雷达波的衰减不容忽视，尤其是在出现局地强天气时，大粒子的衰减可能影响雷达的正常探測。通常，常规雷达的衰减订正采用经验关系式k = c*Zd，其中，Z为雷达测量的降水粒子的反射率因子，k为衰减系数，c和d为常数，在假定雨滴谱为Gamma分布的基础上，理论上，可以计算c和d的近似值。然而，在实际应用中，由于缺乏雨滴谱数据，一般雷达都避免使用衰减波段的雷达測量降水，而是使用如S波段或C波段雷达，或者使用双极化或双波长雷达来測量降水，衰减订正成为制约X波段多普勒雷达应用的重要因素。雷达之所以能用于降水估测是因为雷达测量的反射率因子Z和雨滴谱有关，而降水也取决于雨滴谱，在一定的假定下，两者之间可以建立简单的关系式Z = A*Rb，其中，R为雨強，A和b为系数。由于雷达的波束在大气中传播，而降水是落到地面的雨滴，雨滴从空中到地面的过程中，受到风、温、湿、压的影响，可能増大、縮小、合并、破碎，因此，地面降水和空中降水存在时间、空间和强度上的差异，这在降水估测中需要特别关注。

发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出ー种降水估测方法，以解决X波段多普勒雷达的衰减订正问题，从而扩大X波段多普勒雷达在降水方面的应用范围。本发明的目的在于提出ー种X波段多普勒雷达的降水估测方法。X波段多普勒雷达用于降水估测，首先要解决X波段多普勒雷达的衰减订正，本发明的衰减订正方法包括以下步骤i)x波段多普勒雷达垂直指向探測降水区，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线；2)由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线；3)根据滴谱廓线计算米散射下的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线；4)根据计算得到的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线建立衰减系数k和反射率因子Z之间的关系，拟合确定系数c和d，从而确定衰减订正的关系式k = c*Zd。 利用多普勒雷达的快速傅里叶变换FFT信号处理器，可以得到降水粒子在下落时的多普勒速度谱廓线，从而导出降水粒子的滴谱廓线，并计算降水粒子的衰减系数廓线和反射率因子廓线，就可以进一歩建立衰减系数和反射率因子之间的关系，并将这一关系应用于30公里范围内的降水，从而解决X波段多普勒雷达的衰减订正问题。利用一部X波段多普勒雷达和周边I台以上雨滴谱仪联合估测雷达有效探测范围内的降水场，本发明的X波段多普勒雷达的降水估测方法包括以下步骤I)用无地物的最低仰角作平面位置扫描，得到雷达测量的反射率因子场；2)X波段多普勒雷达作垂直指向探測降水区，判断本站即雷达处是否有降水，⑴当本站有降水时，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线，并由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线，转步骤3)；(ii)当本站没有降水而某个雨滴谱仪处有降水时，雨滴谱仪得到雨滴谱，转步骤3)；
(iii)当本站和雨滴谱仪所在位置都没有降水时，用缺省的系数c和d，进行衰减订正，并用缺省的系数A和b进行降水估測，转步骤6)；3)计算降水区的衰减系数k、降水粒子的反射率因子Z和雨强R ；4)根据衰减系数k和反射率因子Z，拟合k = c*Zd确定系数c和d，将此关系应用于降水区域，实现雷达测量的反射率因子的衰减订正，并根据反射率因子Z和雨强R，拟合Z=A*Rb确定系数A和b ;5)根据衰减订正以及将A和b应用于经过系统性偏差修正的雷达测量的反射率因子，估测雷达探测范围内的降水；6)降水估测结束。本发明的优点本发明通过X波段多普勒雷达垂直指向探測降水区，測量得到多普勒速度谱廓线，导出降水粒子的滴谱廓线，从而能够计算降水粒子的衰减系数，结合计算的反射率因子廓线，就可以进一歩建立衰减系数k和反射率因子之间的关系k = c*Zd，并将这一关系应用于30公里范围内的降水，解决X波段多普勒雷达的衰减订正问题，扩大了 X波段多普勒雷达在降水方面的应用范围。进一歩，从滴谱廓线或雨滴谱仪测量的雨滴谱计算得到雨强，拟合Z = A*Rb确定系数A和b，从而实现雷达估测降水。整个过程从多普勒雷达实际测量的速度数据出发，不需要太多的理论假定，只是在正常观测过程中，増加一次垂直指向探測就可以实现。


图I为本发明的X波段多普勒雷达的衰减订正方法的流程图；图2为本发明的X波段多普勒雷达的降水估测方法的流程图。
具体实施例方式下面结合说明书附图详细描述本发明的实施方式。如图I所示，本发明的X波段多普勒雷达的衰减订正方法包括以下步骤1)X波段多普勒雷达垂直指向探測降水区，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线；2)由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线；
3)根据滴谱廓线计算米散射下的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线；4)根据计算得到的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线建立衰减系数k和反射率因子Z之间的关系，拟合确定系数c和d，从而确定衰减订正的关系式k = c*Zd。在步骤4)中,通过最小ニ乘法拟合确定系数c和d。利用一部X波段多普勒雷达和周边I台以上雨滴谱仪联合估测雷达有效探测范围内的降水场，如图2所示，本发明的X波段多普勒雷达的降水估测方法包括以下步骤I)用无地物的最低仰角(< 18° )作平面位置扫描，得到雷达测量的反射率因子场；2)X波段多普勒雷达作垂直指向探測降水区，判断本站即雷达处是否有降水，
(i)当本站有降水时，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线并由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线，转步骤3)；(ii)当本站没有降水而某个雨滴谱仪处有降水时，雨滴谱仪得到雨滴谱，转步骤3)；(iii)当本站和雨滴谱仪所在位置都没有降水时，用缺省的系数c和d，进行衰减订正，并用缺省的系数A和b进行降水估測，转步骤6)；3)计算降水区的衰减系数k、降水粒子的反射率因子Z和雨强R ；4)根据衰减系数k和反射率因子Z，拟合k = c*Zd确定系数c和d，将此关系应用于降水区域，实现雷达测量的反射率因子的衰减订正，并根据反射率因子Z和雨强R，拟合Z=A*Rb确定系数A和b ;5)根据衰减订正以及将A和b应用于经过系统性偏差修正的雷达测量的反射率因子，估测雷达探测范围内的降水；6)降水估测结束。在步骤5)中，在雨滴谱仪所在格点周边(如8邻点)，计算雨滴谱得到的反射率因子与雷达测量得到的反射率因子的差值，视最小的差值为最佳匹配，这样，每个雨滴谱仪都有ー个最小差值，计算这些最小差值的平均值，视此平均值为雷达测量的反射率因子的系统性偏差(假定降水区雨滴下落过程中的碰并、破碎、蒸发、凝结等过程相同)，并对雷达测量的反射率因子进行订正。最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进ー步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.ー种X波段多普勒雷达的降水估测方法，利用一部X波段多普勒雷达和周边的雨滴谱仪联合估测雷达有效探测范围内的降水场，其特征在于，包括以下步骤 1)用无地物的最低仰角作平面位置扫描，得到雷达测量的反射率因子场； 2)X波段多普勒雷达作垂直指向探測降水区，判断本站即雷达处是否有降水， (i)当本站有降水时，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线，并由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线，转步骤3)； (ii)当本站没有降水而某个雨滴谱仪处有降水时，雨滴谱仪得到雨滴谱，转步骤3)； (iii)当本站和雨滴谱仪所在位置都没有降水时，用缺省的系数c和d，进行衰减订正，并用缺省的系数A和b进行降水估測，转步骤6)； 3)计算降水区的衰减系数k、降水粒子的反射率因子Z和雨强R； 4)根据衰减系数k和反射率因子Z，拟合k= c*Zd确定系数c和d，将此关系应用于降水区域，实现雷达测量的反射率因子的衰减订正，并根据反射率因子Z和雨强R，拟合Z =A*Rb确定系数A和b ; 5)根据衰减订正以及将A和b应用于经过系统性偏差修正的雷达测量的反射率因子，估测雷达探测范围内的降水； 6)降水估测结束。
2.如权利要求I所述的降水估测方法，其特征在于，所述雨滴谱仪的数量为I台以上。
3.如权利要求I所述的降水估测方法，其特征在于，所述X波段多普勒雷达的衰减订正方法包括以下步骤 Dx波段多普勒雷达垂直指向探測降水区，測量降水粒子的反射率因子和多普勒速度谱廓线； 2)由降水粒子的多普勒速度谱廓线计算降水粒子的滴谱廓线； 3)根据滴谱廓线计算米散射下的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线； 4)根据计算得到的衰减系数廓线和降水粒子的反射率因子廓线建立衰减系数k和反射率因子Z之间的关系，拟合确定系数c和d，从而确定衰减订正的关系式k = c*Zd。
4.如权利要求3所述的降水估测方法，其特征在于，所述衰减订正方法建立的关系式k=c*Zd应用于30公里范围内的降水。
5.如权利要求3所述的降水估测方法，其特征在于，在步骤4)中，通过最小二乗法拟合确定系数c和d。
6.如权利要求I所述的降水估测方法，其特征在于，在步骤I)中，所述最低仰角く 18°。
7.如权利要求I所述的降水估测方法，其特征在于，在步骤5)中，所述系统性偏差修正为在雨滴谱仪所在格点周边，计算雨滴谱得到的反射率因子与雷达测量得到的反射率因子的差值，视最小的差值为最佳匹配，这样，每个雨滴谱仪都有ー个最小差值，计算这些最小差值的平均值，视此平均值为雷达测量的反射率因子的系统性偏差，并对雷达测量的反射率因子进行订正。
全文摘要
本发明公开了一种X波段多普勒雷达的降水估测方法。本发明通过X波段多普勒雷达垂直指向探测降水区，测量得到多普勒速度谱廓线，导出降水粒子的滴谱廓线，从而能够计算降水粒子的衰减系数廓线和反射率因子廓线，就可以建立衰减系数k和反射率因子Z之间的关系k＝c*Zd，并将关系应用于30公里范围内的降水，解决X波段多普勒雷达的衰减订正问题，扩大了X波段多普勒雷达在降水方面的应用范围。进一步，从滴谱廓线或雨滴谱仪测量的雨滴谱计算得到雨强，拟合Z＝A*Rb确定系数A和b，从而实现雷达估测降水。整个过程从多普勒雷达实际测量的速度数据出发，不需要太多的理论假定，只是在正常观测过程中，增加一次垂直指向探测就可以实现。
文档编号G01S13/95GK102662162SQ20121003568
公开日2012年9月12日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者刘晓阳, 邓勇 申请人:刘晓阳, 邓勇