C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析

郭桐 柳东慧

摘 要：双偏振多普勒天气雷达是现今气象监测的重要手段。本文主要介绍了双偏振多普勒天气雷达的工作原理，并对其主要偏振参量进行分析，了解其独有的物理意义和实际中的应用方法。

关键词：双偏振多普勒天气雷达;偏振参量;差分反射率;双程差分传播相位;双程差分传播相位常数

中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0140-03

Abstract： Dual polarization Doppler weather radar is an important means of meteorological monitoring. This paper mainly introduces the working principle of dual polarization Doppler weather radar， analyzes its main polarization parameters， and understands its unique physical significance and application method in practical application.

Keywords： dual-polarization Doppler weather radar;the polarization parameters;differential reflectance;two way differential propagation phase;two way differential propagation phase constant

雙偏振多普勒天气雷达主要用来探测各种天气现象和气象要素数据，是目前世界上最先进的天气监测设备，在气象预报预警尤其是降水、强对流天气等方面发挥着重要作用。

1 双偏振多普勒天气雷达发展及原理介绍

1.1 国内外研究的历史及进展

20世纪70年代，美国科学家SELIGA和BRINGI[1]在原有单发单收的天气雷达基础上第一次提出了使用双发双收及交替发射和接收水平垂直两个方向的偏振波，从而获得更多数据的双偏振雷达设想。随后英国RAL[2]实验室首先研究出了具有可以迅速转换发射水平垂直偏振波开关的双偏振雷达，并用于天气现象研究。至此，双偏振雷达技术迅速发展。20世纪90年代，美国科罗拉多州立大学研发出可以同时发射并接收两种不同偏振波的CSU-CHILL双偏振雷达，使得双偏振雷达技术获得革命性突破并趋向成熟。2013年，美国完成了所有雷达的双偏振改造。我国对双偏振雷达的研究起步较晚，但发展速度较快。20世纪80年代，原中国科学院兰州高原大气物理研究所用C波段数字化713天气雷达上实现了交替发射和接收，即偏振改造[3-5]。在这之后，我国展开了对双偏振雷达技术的积极探索，并取得了较大进展。我国致力于这方面研究的公司做出了重大贡献。例如，安徽四创电子股份有限公司在2004年改造多普勒天气雷达CINRAD/CC，使之拥有了双偏振功能，成功改造成为C波段双偏振雷达[6]。再如：2007—2008年，安徽四创电子股份有限公司联合中国电子科技集团公司第十四研究所、中国气象科学研究院、北京城市现象研究所向973计划“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”项目“2008―2009我国南方暴雨野外科学试验（SCHeREX计划）”，以及气象行业专项“热带西太平洋观测试验与我国高影响天气可预报性研究”提供研制的X、C波段双偏振多普勒雷达[7-8]。目前，我国依然在进行双偏振雷达技术上的优化升级，以期获得进一步的提高与发展。

1.2 原理

电磁波在空气中传播时会遇到大气中各种悬浮粒子，如雨滴、冰晶、云滴等。由于散射作用，电磁波在遇到这些粒子时会产生各个方向上的散射，即大气中粒子由于入射电磁波极化作用而产生多级震荡，从而产生次波。雷达通过连续发射固定时间间隔的电磁波，接收由于散射作用产生的后向散射，从接收到的后向散射中可以得到需要的各种天气信息。双偏振多普勒雷达是一种先进的天气探测雷达，与一般天气雷达只发射一种偏振波不同，它发射两种偏振波，即水平与垂直两个方向上的偏振波，如图1所示。

通过双偏振多普勒雷达除了可以获得常规天气雷达信息外，还可以比较两个方向接收到的回波差异，以获得气象粒子的偏振量信息，使工作人员可以从多个方面分析天气现象。

双偏振多普勒天气雷达有两种不同的工作方式，分别为交替发射方式和同时发射方式，即单发双收和双发双收，且两种工作方式各有优劣。单发双收是指雷达只有一个发射机和一个接收机或者一个发射机和两个接收机。由一个发射机通过一定的时间间隔交替发射水平偏振波和垂直偏振波，然后由一个或两个接收机接收雷达信号。这样的双偏振多普勒天气雷达较易从常规多普勒天气雷达改造过来，结构简单。由于只有一个发射机，造价也相对便宜。但是，该方式也存在较大缺陷：由一个发射机发射两种偏振波，因此需要很高的脉冲发射频率;两种不同的偏振波之间会不可避免地产生干扰;两种偏振波不是同时发射，相关性较差，从而导致其获得的数据质量不是很理想。双发双收是指有两个发射机和两个接收机。两个发射机分别同时发射水平和垂直偏振波，两个接收机也分别同时接收两种偏振波返回的数据。这样的双偏振多普勒天气雷达的结构复杂，两个发射机造价也较高。但总的来说，两种偏振波的隔离度比单发双收好，数据之间的相关性也较好，得到的数据质量较优。

以南京信息工程大学C波段双偏振多普勒雷达为例，扫描方式有3种：体积扫描（Volsan，VOL）、平面位置扫描（Plan Position Indicator，PPI）和距离高度扫描（Rador Height Indicator，RHI）。数据储存的方式为雷达一次扫描后得到的数据存为一个文件，文件的命名中有扫描结束时间、扫描方式和仰角等信息。雷达一次体积扫描的时间大约为7 min。一个完整的体积扫描由14个仰角的圆锥扫描组成。每一个仰角的圆锥扫描中有688根径向，每一根径向上有1 933个距离库，每一个距离库中都包含有反射率因子、速度参量及偏振参量等数据。体积扫描方式如图2所示。

2 双偏振多普勒天气雷达所获得的主要偏振参量及应用

以南京信息工程大学C波段双偏振多普勒雷达为例来介绍双偏振雷达的主要偏振参量，包括差分反射率[ZDR]、双程差分传播相位[ΦDP]、比差分传播相移[KDP]、相关系数[ρHV]。

差分反射率[ZDR]（dB）的定义式为式（1）。

式中：[ZHH]为水平偏振反射率因子，表达式如式（2）所示;[ZVV]为垂直偏振反射率因子，表达式如式（3）所示。

式中：[ND]表示降水粒子的雨滴谱分布;[DH]表示水平方向上雷达探测到的降水粒子的尺寸;[DV]表示垂直方向上雷达探测到的降水粒子的尺寸。

差分反射率[ZDR]主要反映降水粒子偏离球形的状况和粒子群在空间中的取向情况，还与粒子的相态有关。通过差分反射率[ZDR]可以了解粒子的形状、可能的取向及其相态，一般与[ZH]（反射率因子）等配合使用，才能对降水目标做出判断。差分反射率[ZDR]的取值范围一般在-0.5～6.0 dB[9]，当雨滴为扁旋转椭球状时，[ZHH>ZVV]，所以一般[ZDR]>0，当雨滴比较大时，其越扁，其值可以达到3～5 dB，当遇到冰雹时，由于冰雹的反转作用，使其总体上接近球形，[ZDR]值一般在0附近。

雙程差分传播相位[ΦDP]（度）定义式为式（4）。

式（4）中：[ΦHH]和[ΦVV]分别表示水平偏振波和垂直偏振波通过相同长度的一个降水区后，散射回天线的相位值;[δ]表示差分后向散射相移;[φDP]表示前向散射相位差，它是因水平偏振波和垂直偏振波在经过非球形粒子组成的降雨区时前向散射造成的;[ΦDP]的大小与通过降水区的长度有关，也与粒子的形状、相态、取向有关。它的大小能反映降水粒子的情况。

双程差分传播相位常数[KDP]（度/km）的定义式为式（5）。

式中：[rm]与[rn]分别是降水区中两个相邻距离库的中心距离雷达中心的距离;[ΦDPrn]与[ΦDPrm]是分别从这两个相邻的距离库上获得的双程差分传播相位的变化值。从式（5）可以看出，[KDP]反映了[ΦDP]随距离的变化程度，其大小与雨区长度无关。如果[rm]与[rn]不是两个相邻距离库的距离，而是一大片雨区中距离比较远的两个距离库的距离。当这段距离上降水比较均匀时，[KDP]代表这个降水段上任意一点的值。如果降水不均匀，其代表在这段区域上的平均值。实际应用中，[KDP]表现出如下优越性：由于[KDP]是相位随距离变化的估算值，因此受电磁波衰减的影响较小;不受雷达发射机和接收机标定误差的影响。用[KDP]估测降水时，因其几何和降水强度呈线性关系且对雨滴谱（DSD）变化相对不敏感，因此能得到比常规Z-I方法更精确的结果;[KDP]受雷达波束部分阻挡的影响较小;地物杂波剔除等质量控制算法对[KDP]的影响较小。基于上述优点，[KDP]被广泛应用于雷达定量估测降水和衰减订正。

相关系数[ρHVT]是相隔时段[T]先后接收到的后向散射回波中的水平偏振分量与垂直偏振分量之间的相关程度。它是一个复数，通常用它的模表示[ρHVT]。当[T]=0时，即水平与垂直偏振波同时发射同时接收时，就有[ρHV0]，称为零时滞相关系数，定义式为式（6）。

零时滞相关系数[ρHVT]反映了对水平偏振波与垂直偏振波同时打到同一气象粒子时产生的后向散射进行同时取样后，在一个脉冲重复周期[T]的时间间隔内它们之间的相关程度。其可以帮助工作人员了解粒子群在[T]时段内改变的情况，包括取样体积内粒子谱分布或径向速度分布、倾斜角分布以及粒子形状等随时间变化的情况。它的值一般在稳定的层状云中可以达到0.95，遇到冰雹等时会变小到0.65。当遇到扁旋转椭球状或锥球状大冰雹、尺度较小的外包水膜冰雹、雨滴与小冰雹共存时，其值会变小。

3 结语

双偏振多普勒雷达是气象进行气象观测的重要手段，尤其是在预报预警灾害性天气中发挥着重要作用。本文对C波段双偏振雷达进行详细分析，阐述了其运行原理，分析了C波段双偏振雷达的数据特征，并对其特有的主要偏振参量（差分反射率[ZDR]、双程差分传播相位[ΦDP]、双程差分传播相位常数[KDP]、相关系数[ρHV]）进行了详细解析，了解其独有的物理意义和在业务实际应用中的应用方法，得到其可作为强对流天气预报参考的关键阈值的结论。

参考文献：

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