[发明专利]C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法

说明书

本发明公开了一种C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法，双偏振天气雷达除了可以测量常规雷达能够测量的反射率因子之外，还可测量包括差分相位、比差分相位、差分反射率因子、相关系数在内的多种双偏振参量，与常规多普勒雷达相比可以提供更多降水相关信息，其中差分相位不受降水对电磁波能量衰减的影响，常被用于降雨衰减订正和降水反演，但是易受到地物、昆虫、鸟群干扰而存在剧烈波动，甚至产生大幅跳跃，且初始差分相位在雷达近距离也存在异常值。本发明的有益效果是，可广泛应用于国内外S、C、X波段双偏振体制的气象雷达反射率因子地形遮挡衰减订正。

技术领域

本发明涉及雷达领域，特别是一种C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法。

背景技术

雷达的最初应用于军事，二战期间就产生了多种发射波长和转动体制的雷达，后来随着微电子科学技术进步，雷达技术获得了不断发展，并广泛用于气象探测领域，目前常用的气象探测雷达按波长分主要有C波段，S波段和X波段气象雷达，按照观测量又可以分为多普勒雷达和双偏振多普勒雷达（简称双偏振雷达），双偏振雷达不仅可以探测反射率强度（dBZ）和气象目标的径向速度（V），还可以探测到目标的其它重要特征，比如差分相位（Φ_DP），差分反射率（Zdr），差分相移率（kdp）等，鉴于双偏振雷达的上述优点，全国各地已经逐步开展气象雷达的更新换代工程，S波段、C波段和X波段的双偏振雷达会是未来气象监测领域的主流产品。国际上，双偏振雷达早在上世纪七八十年代就已经发明并投入到气象观测中，我国的气象雷达科学家也已经研究了三十多年，并取得了诸多研究成果，近年来气象雷达波束地形阻挡区域识别问题已经基本获得解决（蒋秋菲2017. 李明凤，2018），但是，雷达反射率地形遮挡衰减订正问题，一直未能获得实质性突破。中科院大气所的王曙东等人通过对中国158部新一代气象雷达波束分析得到波束地形遮挡问题严重制约复杂地形区域气象雷达效益发挥（王曙东，2011），朱丹利用高精度地形高程数据得到中国208个新一代天气雷达0.5度仰角的地形总体遮挡率达到30.7%（朱丹，2017），各大高校和科研院所以及雷达厂家曾尝试过多种订正方案，比如反射率水平插值方案（郭春辉等，2017）、反射率垂直廓线插值方案（杨泷，2015）、地形阻挡率因子方案（肖艳娇，2007. 邱航等，2010. 王红艳，2014.罗丽等，2016）等，但上述方案订正结果不确定性较大且难以业务化，国内外气象雷达教科书上也没有该问题的解决技术。

国内目前的气象雷达，雷达波束空间角为1°×1°左右，如果采用最低仰角0.5°进行体扫，相应的在距离雷达站75公里处，波束宽度扩展为1.3km×1.3km，波束下沿最低高度为0.33km，波束上沿高度为1.63km，在距离雷达站150公里处，波束宽度扩展为2.6km×2.6km，波束下沿最低高度为1.32km，波束上沿高度为3.92km，在230公里处，波束宽度扩展为4.0 km×4.0km，波束下沿最低高度为3.11km，波束上沿高度为7.11km，可见，在雷达天线做低仰角体扫模式时，波束极易受到地形遮挡的影响，尤其是在地形复杂地区，地形对波束的部分遮挡会导致实际观测到的雷达反射率强度减弱很多，本研究结果表明因地形部分遮挡导致的反射率强度衰减高达5~45dBZ，而这部分近地空间，却是气象雷达探测最为重要的区域，很多灾害性的天气都发生在这一高度层以内，比如台风、龙卷风灾害、极端强对流、微下击暴流，另一方面，每一部气象雷达的造价都需要几百万甚至几千万，一旦建好就不能搬动，如果近地空间内的探测数据大范围受地形遮挡影响会导致整部雷达数据可用性降低，对国家也会造成巨大损失，当前国内的气象部门、空管和机场都面临着这一困扰。有研究表明，全国70%以上气象雷达受到地形遮挡影响，近20部雷达数据可信度很差几乎不可用（王曙东，2011），全国1km、2km、3km高度气象雷达覆盖率仅为16.9%、38.8%和52.8%。