星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及系统技术方案

本发明专利技术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系统。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D

【技术实现步骤摘要】
星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法及系统


[0001]本专利技术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系统，属于卫星遥感


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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Z
eKu
，S波段的地基雷达的雷达反射率因子为Z
s
，并且定义频率修正因子M
f
：
[0006][0007]其中，λ
Ku
为Ku波段星载雷达的发射波长，λ
S
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。
[0008]上式(1)假定雨滴谱满足分布：
[0009]N(D)＝N0D
μ
e
‑
ΛD
ꢀꢀ
(2)
[0010]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。
[0011]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。
[0012]这样，借助式(1)中的M
f
可以将星载雷达(DPR)在Ku波段的雷达反射率因子Z
eKu
，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Z
eKu
‑
CIN
。
[0013]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。

技术实现思路

[0014]本专利技术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。
[0015]本专利技术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系统。
[0016]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0017]根据本专利技术实施例的第一方面，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：
[0018]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D
m
、浓度因子N
w
以及对应的相态；
[0019]第二步：结合S波段的降水粒子中值直径D
m
与散射函数f
z
的查找表，通过第一步获得的相态和降水粒子中值直径D
m
，插值计算出该相态所对应的散射函数f
z
；
[0020]第三步：利用获得的散射函数f
z
，计算星载雷达的雷达反射率因子Z
e
，作为S波段的等效雷达反射率因子ZS
‑
DPR；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]其中较优地，所述雨滴谱分布函数N(D)为：
[0026]N(D)＝N
w
f(D；Dm)
[0027]其中，
[0028][0029]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，D
m
是降水粒子
中值直径，D
m
定义如下：
[0030][0031]其中较优地，根据所述星载雷达获得的D
m
、N
w
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Z
e
为：
[0032]Z
e
＝N
w
f
z
(D
m
)
[0033][0034]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，σ
b
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。
[0035]根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正系统，包括：
[0036]接收模块，用于接收来自星载雷达的数据；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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D
m
、浓度因子N
w
以及对应的相态；第二步：结合S波段的降水粒子中值直径D
m
与散射函数f
z
的查找表，通过第一步获得的相态和降水粒子中值直径D
m
，插值计算出该相态所对应的散射函数f
z
；第三步：利用获得的散射函数f
z
，计算星载雷达的雷达反射率因子Z
e
，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琼，商建，尹红刚，陈林，谷松岩，
申请(专利权)人：国家卫星气象中心国家空间天气监测预警中心，
类型：发明
国别省市：