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小旋转椭球粒子群的微波散射特性 总被引：4，自引：1，他引：3
文中从不同方向线性偏振的入射波对小旋转椭球状降水粒子极化产生的散射出发 ,推导出散射能流密度函数 ,以及降水粒子群旋转轴处于不同状态下的散射截面 ,得出散射截面随降水粒子相态和入射波波长变化的一些曲线 ,其结果可供遥感反演计算使用。 相似文献
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本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。 相似文献
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双/多基地天气雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程 总被引：1，自引：1，他引：0
首先导出小椭球散射的方向函数及侧向散射截面的表达式。然后,考虑发射水平偏振波与垂直偏振波这两种情况下,当小椭球粒子群旋转轴作一致铅直取向和在空间作均匀随机取向时,分别建立适用于双/多基地雷达接收子站的雷达气象方程。主要结果为:(1)当入射波以不同的仰角及方位角射到旋转轴任意取向的椭球上时,会在椭球的3个轴上产生不同的极化电偶极矩分量,使小椭球散射方向函数不仅与散射方向有关,还与天线和粒子两个直角坐标之间的配置情况有关。(2)无论入射波偏振方式是水平还是垂直,小椭球粒子的总侧向散射截面恒是散射波在该方向上造成的侧向散射截面之和。(3)双基地雷达气象方程与单基地雷达气象方程比较,其差别在于侧向散射截面与后向散射截面的不同,另外,有效照射体积不同,子站与单基地站天线方向性函数不同,使双基地雷达气象方程中多出与双基地角有关的一个因子。(4)主站天线辐射在半功率点内不论均匀与否,双基地雷达气象方程中的侧向散射截面均代表总的侧向散射截面且依赖入射波偏振方式。(5)给出了小椭球群旋转轴一致铅直取向情况下的双基地雷达气象方程,这些方程与入射波偏振方式、主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。入射波为垂直偏振时一致铅直取向的椭球群的侧向散射截面可能由包含铅直分量在内的3个正交分量组成。这具体依赖于主站天线仰角。但入射波为水平偏振时到达子站天线处的回波功率与主站天线仰角无关。(6)给出了小椭球群旋转轴在空间无规则取向时的双基地雷达气象方程,这些方程与主站天线仰角、入射波偏振方式等无关,但与主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。 相似文献
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非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。 相似文献
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冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。 相似文献
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以椭球粒子的电磁波散射理论（Gans理论）为基础,考虑粒子群旋转轴一致铅直取向情况下,深入研究散射体对雷达波的侧向散射特性,推导出发射水平偏振波与垂直偏振波时的双基地雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子、侧向反射率-后向反射率之比及差分反射率因子等雷达探测参数的表示式,为进一步研究和应用双基地多普勒天气雷达提供理论依据。 相似文献
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从旋转椭球粒子散射理论出发,给出单个小旋转椭球雨滴在入射不同偏振波时的散射函数,并对其在不同仰角情况的数学图形和物理意义做了讨论,为推导基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程、研究椭球雨滴群对双基地线偏振雷达探测能力的影响、处理和分析双基地偏振雷达资料,提供了理论依据. 相似文献
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《高原气象》2016,(5)
针对云中粒子在融化、并合过程中的粘连现象对0℃层亮带的影响分析,利用离散偶极子近似算法(DDA)计算融化过程中两个大小相同的球形粒子在雷达发射波偏振方向上发生粘连后的散射特性,以两个等体积融化球为例,它们在雷达发射波偏振方向上发生粘连时的总后向散射截面σDDA,并与同体积融合球的后向散射截面σmieequal比较。结果表明:(1)在等体积直径较小时,σDDA/σmieequal≥1.5,随着等体积直径的变大,σDDA/σmieequal会减小趋向于1,甚至会1;(2)在同样的等体积直径处,σDDA/σmieequal随着融化程度的加深而增大,在谐振区可出现减小。引入"粘连概率p"参数刻画粘连影响,并应用于含有0℃层亮带的层状云的雷达反射率因子的定量模拟试验。结果表明,在粒子融化、并合过程中,在雷达发射波偏振方向上的粘连,可以有效地增大雷达反射率因子、使亮带现象更加突出。 相似文献
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对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究 总被引：1，自引：0，他引：1
针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。 相似文献
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Many weather radar networks in the world have now provided polarimetric radar data(PRD)that have the potential to improve our understanding of cloud and precipitation microphysics,and numerical weather prediction(NWP).To realize this potential,an accurate and efficient set of polarimetric observation operators are needed to simulate and assimilate the PRD with an NWP model for an accurate analysis of the model state variables.For this purpose,a set of parameterized observation operators are developed to simulate and assimilate polarimetric radar data from NWP model-predicted hydrometeor mixing ratios and number concentrations of rain,snow,hail,and graupel.The polarimetric radar variables are calculated based on the T-matrix calculation of wave scattering and integrations of the scattering weighted by the particle size distribution.The calculated polarimetric variables are then fitted to simple functions of water content and volumeweighted mean diameter of the hydrometeor particle size distribution.The parameterized PRD operators are applied to an ideal case and a real case predicted by the Weather Research and Forecasting(WRF)model to have simulated PRD,which are compared with existing operators and real observations to show their validity and applicability.The new PRD operators use less than one percent of the computing time of the old operators to complete the same simulations,making it efficient in PRD simulation and assimilation usage. 相似文献
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利用多普勒雷达、卫星、常规观测资料及NCEP/NCAR再分析资料分析了2005年12月3—21日发生在山东半岛4次持续性冷流暴雪的特征及维持机制。结果表明:冬季强冷空气暴发南下时, 波状冷流云在渤海发展造成山东半岛暴雪, 暴雪具有明显的空间分布和强度的日变化特征; 多普勒雷达资料反映了暴雪回波PPI强度为35~40dBz, PPI径向速度图上反映低空急流和风辐合特征, RCS, VCS产品反映暴雪回波的垂直特征; 4次暴雪过程对应500hPa中高纬度欧亚上空为两涡一脊的建立和维持, θse时空演变反映4次强的干冷空气对应4次暴雪过程; 暴雪发生时南北风在渤海附近存在一弱的风区; 暴雪日水汽较非暴雪日充沛, 垂直上升运动和低层散度辐合与强降雪相对应; 暴雪日在渤海附近海面温度与850 hPa温度差大于20℃; 暴雪区为对流不稳定的大气层结。 相似文献
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The albedo of snow for different cloudiness conditions is an important parameter in the Earth's radiation budget analysis and in the study of snowpack's thermal conditions. In this study an efficient approximate method is derived to calculate the incident spectral solar flux and snow-cover albedo in terms of different atmospheric, cloud, and snow parameters. The global flux under partially cloudy skies is expressed in terms of the clear sky flux and a coefficient which models the effect of scattering and absorption by cloud patches and multiple reflections between the cloud base and snowcover. The direct and the diffuse components of the clear sky flux are obtained using the spectral flux outside the atmosphere and the spectral transmission coefficients for absorption and scattering by molecules and aerosols.The spectral snow reflectance model considers both specular surface reflection and volumetric multiple scattering. The surface reflection is calculated by using a crystal-shape-dependent bidirectional reflectance distribution function; the volumetric multiple scattering is calculated by using a crystal-size-dependent approximate solution in the radiative transfer equation. The input parameters to the model are atmospheric precipitable water, ozone content, turbidity, cloud optical thickness, the size and shape of ice crystals of snow and surface pressure. The model yields spectral and integrated solar flux and snow reflectance as a function of solar elevation and fractional cloudcover.The model is illustrated using representative parameters for the Antarctic coastal regions. The albedo for a clear sky depends inversely on the solar elevation. At high elevations the albedo depends primarily upon the grain size; at low elevation the albedo depends on grain size and shape. The gradient of the albedo-elevation curve increases as the grains become larger and faceted. The albedo for a densely overcast sky is a few percent higher than the clear-sky albedo at high elevations. A simple relationship between grain size and the overcast albedo is obtained. For a set of grain size and shape, the albedo as a function of solar elevation and fractional cloud cover is tabulated. 相似文献
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本文以ERA5（ECMWF Reanalysis v5）再分析资料为初始场,利用WRF（The Weather Research and Forecasting）模式对2020年4月19～20日的一次大范围暴雪天气过程进行数值模拟研究。模式采用不同云微物理参数化方案进行敏感性试验,并与实测数据（自动站降水数据、雷达基数据）进行对比,分析了此次暴雪天气过程不同阶段的降水、雷达反射率、动热力和水凝物的时空演变和三维细致结构特征。研究表明:Morrison方案更好的模拟出了本次暴雪天气过程,表现在模拟的雷达回波强度、范围及形态更与实况一致,模拟出的降水量的相关系数和均方根误差都优于其他方案;其微物理细致结构表现为强上升运动和低层正涡度的长时间维持,以及7 km以上高层较多的冰晶、中低层较少的霰粒子和雨水粒子。从热动力场上看,bin（SBM fast）方案在600 hPa高度以下存在明显的涡度波列,这主要是因为bin方案将粒子群分档处理,没有捆绑不同粒子类型运动,更能细致描述出不同粒子的下沉拖曳作用。从云微物理特征上看,不同方案模拟的雪、霰、云水以及雨水粒子的比质量都较为接近,而对冰晶比质量的模拟不管在量级还是在分布范围上都存在很大的差异,这种差异决定了不同微物理方案模拟的雷达回波和降水量级和相态的差异。 相似文献
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为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因,将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar,DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配,并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明:GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好,经过衰减订正和波段修正,两者的相关系数约为0.86,达到0.001显著性水平,均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式,在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正,二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好;受干雪几何形状影响,探测干雪回波的相关性较低;探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异,DPR NS模式对强回波敏感,而DPR HS模式对弱回波敏感。 相似文献
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95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析 总被引：2，自引：0，他引：2
利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。 相似文献
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《Atmospheric Research》2010,95(4):564-578
Scattering of electromagnetic waves from homogeneous or coated spheres can be computed in a mathematically exact way using the Mie theory. Therefore, for many approaches in remote sensing, frozen hydrometeors are parameterized as ice spheres. However, many frozen hydrometeors have non-spherical overall shapes and lack a spherically symmetric internal structure. They exist in a huge variety of shapes and exhibit different mixtures of ice, water and air. Therefore it is desirable to accurately compute scattering from non-spherical particles in order to clearly understand the effect the shape of a hydrometeor has on its scattering pattern.In this study, single scattering parameters like scattering cross section, absorption cross section, and asymmetry factor were calculated for frozen hydrometeors using the Discrete Dipole Approximation (DDA). The particles were modeled as hexagonal plates, columns, needles and dendrites by applying known dimensional relationships. The calculations were carried out over a wide range of centimeter and millimeter-wavelengths (1 GHz to 300 GHz), since millimeter-wave radiometers are highly sensitive to scattering by frozen hydrometeors in the atmosphere.The study results show that for size parameters < 1 (a ratio between wavelength and particle size) the scattering cross section of randomly orientated ice crystals is close to that of an equal volume ice sphere. Absorption cross section and asymmetry factor of non-spherical particles however are up to twice as high as that of equal volume ice spheres. Further the influence of the assumed model for the refractive index of ice at microwave wavelengths on the scattering parameters is investigated. 相似文献