双偏振雷达产品和应用介绍

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双偏振雷达的优势
双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型 及天气 能够区分气象/非气象回波 能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波 更准确地估计降水和降雪 (双偏振QPE对冰雹、亮带不 敏感,且能够过滤非气象回波的影响) 探测和预警冰雹区域
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高CC
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低CC
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协相关系数的应用
气象目标CC高,非气象目标CC低 融化层识别(CC较低且噪声大) 大冰雹识别(CC<0.85)
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CC产品
C波段雷达CC产品 样例,7.5度仰角 CC产品清晰显示融 化层的分布
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相态识别 和融化层
冰晶IC 湿雪WS 强降水HR
干雪DS
冰雹混合RH
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双偏振QPE产品
双偏振QPE的降水 率产品,可用于降 水累积
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单/双偏振QPE对比
左上:单偏振3小时雨量累积 右下:雨量计3小时雨量
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差分传播相移率KDP
ΦDP 是累积效应,随距离累积,不方便直接使用。因 此需要引入KDP
KDP
DP (r2 ) DP (r1 )
2(r2 r1 )
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KDP的特点和应用
Melting Layer Top BE (Bottom Edge) BC (Bottom Center) TC (Top Center) TE (Top Edge)
Melting Layer Bottom
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融化层产品
左:反射率 中:ZDR 右:CC
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差分反射率 (ZDR)
Zdr Zh Zv (dB)
表达一个探测空间体 (距离库)的平均的粒 子形状
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ZDR与雨滴大小
ZDR值与雨滴大小密切相关
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粒子相态分类产品HCL
产品应用: (1)相态识别有助于雷达数据分析; (2)相态识别产品有助于快速定位和预警区域灾害性天 气; (3)相态识别是双偏振降水QPE的输入。
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双偏振QPE
单偏振
混合扫描 反射率 R(Z)
双偏振
R(Z) 相态分类 融化层信息
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粒子相态分类产品HCL
模糊逻辑算法的基本依据
Type L/M Rain Heavy Rain Big Drops Hail and Rain Graupel Dry Snow Ice Crystals dBZ 5~50 40~60 10~50 45~80 30~55 25~50 0~25 CC 0.97~1.01 0.95~1.00 0.92~1.01 0.75~1.0 0.92~1.01 0.95~1.01 ZDR 0.0~6.0 0.5~8.0 2.5~7.0 -0.3~4.5 -0.3~2.2 -1.0~5.0 KDP 0.0~1.0 1.0~5.0 0.0~2.0 -2.0~10 -2.0~2.0 -1.0~0.5 -1.0~0.5
3)双偏振QPE更准确地估计降水和降雪
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双偏振升级带来的优势之二
升级带来单偏振数据质量的提高 1)系统设计和标定的精度提高(幅度和相位) 2)Burst订正提高改善信号质量,提高地物抑制能力 3)相位编码过滤二次回波 4)数据分辨率提高(250米距离库) 5)天线角码速率45MS11.25MS … 这些措施的综合将提高反射率的测量精度和准确性,提 高速度和谱宽数据的质量。
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双偏振主要二次产品
序号
1 2 3
产品代码
ML HCL QPE
产品名称 融化层高度 粒子相态识 别 双偏振定量 降水估计
说明 融化层识别和高度 粒子相态识别和分类
双偏振定量估计降水 率
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融化层产品ML
双偏振探测量(主要是CC和Zdr)更能够体现融化层的变 化。
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粒子相态分类产品HCL
算法输入: 双偏振基数据:Z、ZDR、V、CC、PDP、KDP等6种数据。 算法输出: 地物杂波(GC,Ground Clutter) 生物杂波(BI, Biological Scatters) 干雪(DS, Dry Aggregated Snow) 冰水混合物(WS, Wet Snow) 冰晶(IC, Ice Crystals) 霰(GR, Graupel) 大雨滴(BD, Big Drops) 小雨滴(RA, Light and Moderate Rain) 强降雨(HR, Heavy Rain) 冰雹(RH, Mixture of Rain and Hail)
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3 升级双偏振的优势
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双偏振升级带来的优势之一
双偏振探测的优势 1) 双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水 类型及天气
2) 能够区分气象/非气象回波,并能够更好地去除异常 传播、地物及海杂波等非气象回波
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ΦDP解释
与粒子形状相关
DP 0
DP 0
DP 0
与粒子密度有关
冰雹的ΦDP趋近于零
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ΦDP产品
C波段雷达PhiDP 产品样例 相位显著增大的区 域为强降水区域
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CC产品显示融化层
C波段雷达CC产品 样例,7.5度仰角 CC产品清晰显示融 化层的分布
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差分传播相移ΦDP
水平和垂直通道相位差 电磁波在雨中传播速度变慢 水平极化的电磁波传播相比垂直慢一些
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单/双偏振QPE对比
左上:双偏振QPE3小时 右下:雨量计3小时雨量
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双偏振QPE产品
产品应用: (1)双偏振降水率的计算与粒子相态相关;对冰雹和亮 带不敏感,并且非气象回波不影响降水估算; (2)双偏振降水估计对冰雹和亮带不敏感; (3)非气象回波不影响降水估算。
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2 双偏振二次产品
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双偏振主要二次产品
采用美国NEXRAD升级双偏振后的算法,开发了二次产品 应用包。 HCL
粒子相态识别 产品
基数据
融化层探测
ML 产品
双偏振定量降水估计
QPE 降水率 产品
雨量累积 产品
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ZDR与冰雹
dBZ大,但ZDR小是冰雹存在一个显著的特征
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ZDR产品
C波段雷达ZDR产 品样例,ZDR大的 区域对应降水强的 区域
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协相关系数(ρHV/CC )
描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度
KDP与降水率成比例,可用来估测降水 与反射率估算降水相比,KDP算降水不受冰雹影响 KDP是双通道相位的差值,不需要标定
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KDP产品
C波段雷达KDP产 品样例 KDP大的区域对在 强降水区域
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衰减效应-不同极化方向上的衰减不同
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双偏振雷达探测量
单偏振雷达量 dBT, dBZ, V, W 双偏振探测量 ZDR (差分反射率) ρHV/CC (协相关系数) ΦDP (差分相移) KDP (差分相移率) LDR (退偏振比)–水平发射/双通道接收模式
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退偏振比LDR
LDR需要在单通道发射,双通道接收的模式下生成 LDR展示粒子的退偏振特性 因工作模式限制,LDR的应用比较少
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LDR产品
水平发射,双通道 接收模式获得的 LDR产品。 仰角:30度 零度层特征清晰
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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双偏振雷达产品和应用介绍
北京敏视达雷达有限公司 2015年3月
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目录
双偏振原理 双偏振二次产品 升级双偏振的优势 业务兼容性设计
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1 双偏振原理
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为什么要双偏振?
雷达方程以球形粒子为假设条件,但实际上粒子并非总 是球形。
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双偏振基本原理
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双偏振的原理
敏视达双偏振雷达采用成熟的、业务上应用广泛的 双发双收模式,发射机输出信号功分两路分别以水平和 垂直极化方式同时发射,双通道接收机和数字中频对数 据进行并行处理。 水平通道的信号用于生成单偏振数据,而双通道信 号之间的差异是双偏振雷达的关键: 双通道幅度差 系统要求双通道幅度差<0.2dB 双通道相位差 系统要求双通道相位差<2度
R(Z,ZDR)
R(KDP)
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R(Z, ZDR) Algorithm
R(Z) 传统的降水估测关系,受固态降水、亮带及标定的影响 较大 R(Z,ZDR) ZDR相对于dBZ受标定影响小 ZDR与粒子相态有关,计算固态降水更准确 R(KDP) KDP不受标定和衰减的影响 计算降水,不受混合冰雹的影响 对于弱降水,KDP值噪声大 计算KDP经过平滑,距离分辨率和精度之间有取舍
0.88~0.985 0.5~3.0
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粒子相态分类产品HCL
左上:反射率产品 右下:粒子相态分类产品
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粒子相态分类产品HCL
左上:未滤波的反射率 右下:粒子相态分类产品
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降水率算法选择
地物GC 非气象回波BI 大雨滴BD 小/中雨RA 霰粒子GR
双偏振基 数据
使用高仰角数据 无降水 R(Z,ZDR) R(Z,ZDR) R(Z)*0.8 R(Z)*2.8 R(Z)*0.6 有遮挡R(KDP) 否则R(Z,ZDR) 高于融化层 R(Z)*2.8 否则R(Z) 高于融化层 R(Z)*0.8 否则R(KDP)
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粒子双偏振差异表现在
后向散射特征不同 ZDR-反射率在不同极化方向上的差别 LDR-反射率在不同极化方向上的交叉转化
ρHV-两种极化方式信号的相关系数(幅度和相位)
传播路径效应不同
ΦDP -不同极化方向上的传播路径相位差 KDP –单位距离的ΦDP
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融化层产品
左上:相关系数CC产品 右下:融化层ML产品
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融化层产品
产品应用: (1)每个仰角更新,提供实时不同方位的融化层高度信 息; (2)融化层高度信息有助于分析雷达数据,尤其是区分 固态和液态粒子;
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