CN114924241A - 星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及*** - Google Patents

星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及***。该频率修正方法包括如下步骤：第一步：从星载雷达的实测数据中提取出反演的雨滴谱参数：降水粒子中值直径Dm、浓度因子Nw以及对应的相态和温度T；第二步：结合S波段的降水粒子中值直径与散射函数的查找表，通过第一步获得的相态和Dm，插值计算出该相态所对应的fz；第三步：利用获得的fz，计算Ze，作为S波段的等效雷达反射率因子ZS‑DPR；第四步：基于等效雷达反射率因子ZS‑DPR，对星载雷达的Ku波段的雷达反射率因子进行修正。利用本发明，可以排除由于频率的不同所引入的雷达反射率因子的差异，进而进行星载雷达和地基雷达的交叉验证，以确保天气数据的准确性。

Description

星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及***
技术领域
本发明涉及一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，同时也涉及相应的频率修正***，属于卫星遥感技术领域。
背景技术
星载降水测量雷达(简称为星载雷达)是测量全球尺度降水的有效手段和重要的遥感器。目前，国际上唯一在轨运行的星载降水测量雷达是2014年发射的GPM卫星上携带的双频降水测量雷达(DPR)，其包括Ku和Ka两个工作频点。星载雷达可以在短时间内覆盖多部地基天气雷达(简称为地基雷达)。星载雷达和地基雷达的联合应用，将有助于提高这些雷达的组网应用水平，提高雷达探测精度。为了有效开展星载雷达和地基雷达的联合应用，需要确定星载雷达和地基雷达之间探测数据的有效性和差异程度，分析星载雷达和地基雷达的一致性，为开展星载雷达和地基雷达的联合应用以及星载雷达探测精度的检验验证提供技术支撑。
对星载雷达和地基雷达探测精度的检验验证而言，比较的物理量都是雷达反射率因子。但是，即使对于同一观测目标，当使用不同波长的雷达进行探测时，探测到的雷达反射率因子也有所不同，所以对比这两种雷达的资料时，还需要考虑雷达频点的不同所带来的差异。
以地基天气雷达使用的S波段和星载雷达使用的Ku波段为例，在瑞利散射条件下，这两个频点的雷达测量到的回波强度大致相等，可以直接进行比较。但是随着粒子尺度的增加，开始出现米氏散射(Mie散射)效应，使得这两个频点的等效雷达反射率因子出现一定的偏离。因此，在对比过程中，必须把这种偏离进行修正(业内称为频率修正)，要么把Ku波段修正到S波段上，要么把S波段修正到Ku波段上。
目前的频率修正方法主要是假定在相同雨滴谱分布N(D)和相同环境条件下，Ku波段的星载雷达的雷达反射率因子为ZeKu，S波段的地基雷达的雷达反射率因子为Zs，并且定义频率修正因子Mf：
Figure BDA0003598972830000021
其中，λKu为Ku波段星载雷达的发射波长，λS为S波段地基雷达发射波长，T为温度，K＝(m2－1)/(m2+2)，m为特定频率和特定温度下的降水粒子在S波段和Ku波段的复折射指数，K随频率和温度变化，σ为降雨粒子的后向散射截面，D为降水粒子直径。
上式(1)假定雨滴谱满足分布：
N(D)＝N0Dμe-ΛD (2)
其中，浓度参数N0、尺度参数Λ和形状因子μ为滴谱参数，D为降水粒子直径。
在此基础上，通过设置不同的μ值，不同的温度以及降雨量，以降雨量为0.1mm/h为步进，建立频率修正关系式，生成Ku和S波段反射率因子查找表。星载雷达和地基雷达匹配上后，查找表中最接近Ku波段的反射率因子数值的位置，将Ku波段的反射率因子频率修正为该位置对应的S波段的雷达反射率因子。
这样，借助式(1)中的Mf可以将星载雷达(DPR)在Ku波段的雷达反射率因子ZeKu，换算成等效的地基雷达的S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR；或者将地基雷达探测到的S波段的雷达反射率因子Zs换算成等效的星载雷达的Ku波段的等效雷达反射率因子ZeKu-CIN。
但是，现有的频率修正方法存在以下几个问题：(1)只能修正0度层以下的液态降水，不能修正融化层的降水以及固态降水；(2)假设的雨滴谱分布类型(指数分布)和DPR的雨滴谱分布类型不一致；(3)在建立查找表的过程中，通常假设谱参数N0为一个固定值，Λ是降雨量的函数，这种假设符合层云降水的雨滴谱分布特征，不符合对流降水的雨滴谱分布特征。因此上述查找表只适用于层云降水而不适用于对流降水。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正***。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，包括以下步骤：
第一步：从星载雷达的实测数据中提取出反演的雨滴谱参数：降水粒子中值直径Dm、浓度因子Nw以及对应的相态；
第二步：结合S波段的降水粒子中值直径Dm与散射函数fz的查找表，通过第一步获得的相态和降水粒子中值直径Dm，插值计算出该相态所对应的散射函数fz；
第三步：利用获得的散射函数fz，计算星载雷达的雷达反射率因子Ze，作为S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR；
第四步：基于所述等效雷达反射率因子ZS-DPR，对星载雷达的Ku波段的雷达反射率因子进行修正。
其中较优地，所述降水粒子中值直径与散射函数值的查找表是结合星载雷达的亮带模型，通过米氏散射模型计算，获得的特定波段星载雷达在不同相态数值情况下的降水粒子中值直径与散射函数值的对应关系的表。
其中较优地，所述查找表包括在不同波长和相态的不同的多个查找表。
其中较优地，所述查找表是基于雨滴谱分布为Gamma分布得到的。
其中较优地，所述雨滴谱分布函数N(D)为：
N(D)＝Nwf(D；Dm)
其中，
Figure BDA0003598972830000031
其中，г是Gamma函数，μ一般取3，Nw为浓度因子，D为降水粒子直径，Dm是降水粒子中值直径，Dm定义如下：
Figure BDA0003598972830000032
其中较优地，根据所述星载雷达获得的Dm、Nw以及对应的相态和温度，计算出所述星载雷达的雷达反射率因子Ze为：
Ze＝Nwfz(Dm)
Figure BDA0003598972830000041
其中，λ为Ku波段雷达的波长，Kw为水的复折射指数，T为温度，σb为降雨粒子的后向散射截面，D为降水粒子直径，Dm为降水粒子中值直径。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正***，包括：
接收模块，用于接收来自星载雷达的数据；
处理模块，与所述接收模块连接，用于对接收模块提供的数据，按照前述的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，进行数据处理；
显示模块，用于连接所述处理模块，从而显示计算结果。
与现有技术相比较，本发明可以从星载降水测量雷达反演的雨滴谱参数中推导出相应的地基雷达的等效雷达反射率因子，从而排除由于频率的不同所引入的雷达反射率因子的差异，进而进行星载雷达和地基雷达的交叉验证，确保天气数据的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法的流程示意图；
图2为本发明的实施例中，亮带模型示意图；
图3为本发明的实施例中，Ku波段的Dm和fz关系示意图；
图4为本发明提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
前已述及，星载雷达(DPR)是目前唯一在轨运行的双频降水测量雷达。双频联合观测的优势是可以较单频更准确地反演出雨滴谱的信息，再通过雨滴谱来计算降雨率，从而提高降水反演的精度。基于雨滴谱参数，除了计算降雨率以外，还可以计算雷达反射率因子。星载雷达(DPR)最终反演的雷达反射率因子就是通过雨滴谱参数计算得到的。
如图1所示，本发明提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，至少包括以下步骤：
第一步：从星载雷达的实测数据中提取出反演的雨滴谱参数降水粒子中值直径Dm、浓度因子Nw以及对应的相态。
雨滴谱参数降水粒子中值直径Dm、浓度因子Nw以及对应的相态的反演过程可以采用常规技术，例如，《J O U R N A L O F A T M O S P H E R I C A N D O C E A N I CT E C H N O L O G Y》，卷36，第883-902页，LIANG LIAO、ROBERT MENEGHINI著，“PhysicalEvaluation of GPM DPR Single-and Dual-Wavelength Algorithms”。
第二步：结合S波段的降水粒子中值直径与散射函数的查找表(Dm-fz查找表)，通过第一步获得的相态和Dm，插值计算出该相态所对应的fz。
预先建立的Dm-fz查找表是结合星载雷达(DPR)的亮带模型，通过米氏散射模型计算，获得的特定波段(例如Ku波段)星载雷达在不同相态数值情况下的Dm与fz对应关系的表。结合图3所示，S波段的Dm-fz查找表是在S波段下的特定相态下的，各步长的降水粒子中值直径对应的散射函数fz(Dm)的值。Dm-fz查找表包括在不同波长和相态的不同的多个查找表。
下面，进一步介绍Dm-fz查找表的建立过程。
如图2所示，根据亮带模型，大范围降水的雷达回波图中分为冰晶层、融化层和降水层，通常用7种相态(50、100、125、150、175、200和250)来表示。其中，50代表的是固态，对应的温度为-50度，250代表的是液态，对应的温度为50度，100、125、150、175以及200代表的是融化层的混合相态，对应的温度为0度。
降水粒子中值直径Dm的变化范围通常为0.1-5.0mm，步长在本发明实施例中选择0.001mm。需要说明的是，上述数值只是示例，并不构成对本发明的限制。
散射函数fz(Dm)的推导过程如下：
雨滴谱观测是降水物理观测的一种，用于了解降水的微物理结构如数浓度、含水量、谱分布及降水微结构等，可以建立雷达反射率因子和降水强度之间的关系。雨滴谱常用M2P分布、对数正态分布、Gamma分布等函数模型来描述。
考虑到星载雷达(DPR)的雨滴谱分布为Gamma分布，因此本发明的雨滴谱分布假设为Gamma分布。因此本发明提供的雨滴谱分布函数N(D)为：
N(D)＝Nwf(D；Dm) (3)
其中，
Figure BDA0003598972830000061
г是Gamma函数，μ一般取3，Nw为浓度因子，D为降水粒子直径，Dm是降水粒子中值直径，Dm定义如下：
Figure BDA0003598972830000062
根据星载雷达(DPR)获得的Dm、Nw以及对应的相态和温度，可以计算出星载雷达的雷达反射率因子Ze可以表达为：
Ze＝Nwfz(Dm) (6)
Figure BDA0003598972830000063
其中，λ为Ku波段雷达的波长，Kw为水的复折射指数，T为温度，σb为降雨粒子的后向散射截面，D为降水粒子直径，Dm为降水粒子中值直径。
因此，基于式(7)可以计算出在S波段星载雷达的散射函数fz(Dm)值。
设定一组波长λ、温度T，相态，再根据式(7)预先计算得到每个步长的降水粒子中值直径Dm及对应的散射函数fz(Dm)值，保存为一张Dm-fz查找表；不同波长和相态有不同的Dm-fz查找表，如图3所示。
第三步：利用获得的fz，计算Ze，作为S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR。
将fz代入利用式(6)得到Ze，作为星载雷达在S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR。
第四步：基于等效雷达反射率因子ZS-DPR，对星载雷达的Ku波段的雷达反射率因子进行修正。
通过上述各步骤获得的修正因子，可以实现地基雷达使用S波段所采集的数据和星载雷达使用的Ku波段所采集的数据之间的有效转换，克服星载降水测量雷达和地基天气雷达的工作频率不同带来的不利影响。在此基础上，可以针对不同的波长和相态建立散射计算的查找表，从星载雷达反演的雨滴谱出发，可以快速得到包括层云和对流降水在内的S波段的地基雷达的等效雷达反射率因子。
基于雨滴谱参数，可以计算包含S波段在内的任意频点的雷达反射率因子，从而完成频率修正。但是，在实时处理的时候，如果单纯依靠米氏散射(Mie散射)去逐个计算，速度会很慢，因此为了提高计算效率，本发明采用预先建立相应的查找表的方式。
对星载雷达(DPR)而言，不仅Dm有不同，而且温度不同以及融化层中水和冰的比例不同，均会影响散射截面的计算。因此，本发明结合亮带模型，建立了不同波长、不同温度、不同Dm情况下的Dm-fz查找表。因为本发明考虑了不同温度以及不同Dm的情况，所以能够符合融化层或固态降水等多种相态的情况，因此可以修正融化层的降水以及固态降水，从而可以提高预测精度。
而且，因为本发明是基于Gamma分布的雨滴谱分布这个假设前提，更符合星载雷达(DPR)的实际情况，所以本发明所提供的修正方法更准确，预测精度更高。由此可见本发明不仅结合了星载雷达反演的雨滴谱分布类型，而且综合考虑了不同的相态和降水类型，从而提高了修正精度。
由于
Figure BDA0003598972830000071
c(h)是随着高度的一个修正因子，
Figure BDA0003598972830000072
其中，不同降水类型条件下：r、p和q的取值不一样，可见参数Nw与降水类型有关。因此，本发明所引入的参数Nw，使得本发明所提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法更加符合层云降水和对流降水的雨滴谱分布特征。由此，本发明提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法从液态延伸到了混合相态和固态，从层云降水拓展到了对流性降水的情况，预测精度更高，适用范围更广。
更进一步，考虑到实际使用的过程对运算速度的要求，本发明通过相态以及Dm来进行插值，从而确定fz最优值，进而通过公式(6)计算出S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR，以完成频率修正。这样提高了实时修正的运算速度。
因此，本发明不管是在星载雷达和地基雷达的联合应用，还是在星载雷达探测精度的检验验证方面都有很好的应用价值，不仅可以服务于地基天气雷达的组网观测，也将直接服务于其余星载降水测量雷达的检验验证。
在上述星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法的基础上，本发明进一步提供了一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正***。如图4所示，该频率修正***包括接收模块、处理模块及显示模块。其中，接收模块用于接收来自星载雷达的数据。处理模块可以由单片机或微控制器实现。该处理模块与接收模块连接，用于对接收模块提供的数据，按照前述星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，进行数据处理。显示模块可以由LCD或OLED显示屏实现，用于连接处理模块，从而显示计算结果。
与现有技术相比较，本发明所提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，可以从星载降水测量雷达反演的雨滴谱参数中推导出相应的地基雷达的等效雷达反射率因子，从而排除由于频率的不同所引入的雷达反射率因子的差异，进而进行星载雷达和地基雷达的交叉验证，可以确保天气数据的准确性。
上面对本发明所提供的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及***进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (7)

1.一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：从星载雷达的实测数据中提取出反演的雨滴谱参数：降水粒子中值直径Dm、浓度因子Nw以及对应的相态；
第二步：结合S波段的降水粒子中值直径Dm与散射函数fz的查找表，通过第一步获得的相态和降水粒子中值直径Dm，插值计算出该相态所对应的散射函数fz；
第三步：利用获得的散射函数fz，计算星载雷达的雷达反射率因子Ze，作为S波段的等效雷达反射率因子ZS-DPR；
第四步：基于所述等效雷达反射率因子ZS-DPR，对星载雷达的Ku波段的雷达反射率因子进行修正。
2.如权利要求1所述的频率修正方法，其特征在于：
所述降水粒子中值直径与散射函数值的查找表是结合星载雷达的亮带模型，通过米氏散射模型计算，获得的特定波段星载雷达在不同相态数值情况下的降水粒子中值直径与散射函数值的对应关系的表。
3.如权利要求2所述的频率修正方法，其特征在于：
所述查找表包括在不同波长和相态的不同的多个查找表。
4.如权利要求1所述的频率修正方法，其特征在于：
所述查找表是基于雨滴谱分布为Gamma分布得到的。
5.如权利要求4所述的频率修正方法，其特征在于：
所述雨滴谱分布函数N(D)为：
N(D)＝Nwf(D；Dm)
其中，
Figure FDA0003598972820000011
其中，г是Gamma函数，μ一般取3，Nw为浓度因子，D为降水粒子直径，Dm是降水粒子中值直径，Dm定义如下：
Figure FDA0003598972820000021
6.如权利要求5所述的频率修正方法，其特征在于：
根据所述星载雷达获得的Dm、Nw以及对应的相态和温度，计算出星载雷达的雷达反射率因子Ze为：
Ze＝Nwfz(Dm)
Figure FDA0003598972820000022
其中，λ为Ku波段雷达的波长，Kw为水的复折射指数，T为温度，σb为降雨粒子的后向散射截面，D为降水粒子直径，Dm为降水粒子中值直径。
7.一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正***，其特征在于包括：
接收模块，用于接收来自星载雷达的数据；
处理模块，与所述接收模块连接，用于对接收模块提供的数据，按照权利要求1～6中任意一项所述的星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法，进行数据处理；
显示模块，用于连接所述处理模块，从而显示计算结果。
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