利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法、装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法、装置及应用，所述方法包括：获得探测区域的毫米波云雷达功率谱；自所述功率谱中提取有效的云雨信号并获得其对应的雷达参数和动力参数；基于所述功率谱的谱图特征和所得雷达参数，对其进行过冷水信号的识别和/或提取；基于所得雷达参数、动力参数和所述过冷水信号，通过反演计算获得过冷水的微物理参数。本发明专利技术可利用毫米波云雷达进行过冷水探测，对云中的过冷水进行自动识别和定量反演，得到精细的过冷水空间分布及关键物理参数。得到精细的过冷水空间分布及关键物理参数。得到精细的过冷水空间分布及关键物理参数。

【技术实现步骤摘要】
利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法、装置及应用


[0001]本专利技术涉及过冷水探测方法的


技术介绍

[0002]云中过冷水是指在0℃以下环境中依然保持液态的云滴或水滴，通常是因云层清洁而缺乏冻结核或强烈上升气流使液滴来不及冻结而形成。对于冷云，过冷水的存在会使其液态含水量远高于纯冰相云，进而对云辐射效应、水汽收支和降水过程等产生重要影响。同时，过冷水在人工影响天气作业、数值模式参数化方案优化以及预警飞机积冰危险等领域也具有实际应用价值。由于对流云中的过冷水粒径较小，时空分布变化大，并且时常与冰雪粒子混合存在。因此如何科学、准确、定量的探测对流云中的过冷水一直是气象探测的难点。
[0003]现有技术中提供了一些通过雷达进行过冷水探测的方法，如说明书附图1提供的一种双偏振天气雷达探测过冷水的方法，其包括：
[0004]首先利用双偏振雷达的观测资料和温度资料，得到扫描范围内每个雷达距离库的差分反射率因子Z
DR
(dB)、水平反射率因子Z
H
(dBZ)、零滞后相关系数ρ
HV
、差分相移率K
DP
(
°
·
km
‑1)四个参量以及对应的大气温度T(℃)；其后利用以上五个参量构建模糊逻辑算法，识别雷达每个距离库探测到的水凝物相态，包括过冷水态，过冷水存在时的五个参量大致属于以下范围：Z
DR
(0.5～1.5dB)， Z
H
(
‑
20～35dBZ)，ρ
HV
(0.97～1.0)，K
DP
(
‑
0.06～0.26
°
·
km
‑1)，T(
‑
10～
‑
1℃)；最后根据模糊逻辑算法的结果，推知存在过冷水的距离库位置，即探测到过冷水的空间分布。
[0005]这类基于双偏振天气雷达的方法存在以下缺点：
[0006]双偏振天气雷达反射的是厘米波段的电磁波，只能探测到范围较大、较强的降水云的过冷水，由于灵敏度限制，无法探测到一般云层或粒径较小的过冷水粒子；
[0007]双偏振天气雷达数据的时空分辨率较低，而过冷水相态变化快，很容易冻结为冰晶或者因凇附过而程消耗，因此使用双偏振天气雷达很容易漏探测一些小范围的过冷水；
[0008]双偏振天气雷达只能探测到过冷水存在的空间位置，不能定量反演获得过冷水的有效半径和液态水含量等重要物理参数。
[0009]目前还存在个别利用地基微波辐射计探测过冷水的技术。其中微波辐射计是用来接收和获得来自空中大气在某些频率段上的辐射亮温的仪器，它自身并不发射电磁波，是被动地接受来自空中大气的微波信号。一种具体的实现方法如附图2所示，包括：
[0010]首先，辐射计直接测量各频率通道的辐射能量，并以电压的形式输出，因此微波辐射计观测资料，得到23.8GHz和31.65GHz通道的电压值；
[0011]然后，运用亮温传递函数将其接收机输出的电压值转换为天空亮度温度、即亮温度或亮温；
[0012]然后，根据以往观测结果中微波辐射计反演出的亮温值与液态水路径呈线性关系的特点，利用历史探空资料，通过线性回归得到亮温和液态水路径的具体关系式，并通过求
得的关系式和亮温值反演得到液态水路径LWP；在该步中，也可以利用历史探空资料，通过神经网络的方法得到亮温和液态水路径的关系式；
[0013]最后，利用温度和微波辐射计云底高度资料，判断云体的温度，若云体全部位于0℃层以上，则表明存在过冷水，得到得到时间分辨率为152s的过冷水液态水路径(LWP)数据；若云体全部位于0℃层以下，则表明存在一般液态云滴；若0℃层位于云体之间，则表明存在一般液态云滴，但不能确定是否存在过冷水。
[0014]这类基于地基微波辐射计的方法存在以下缺点：
[0015]微波辐射计只能探测到垂直方向上过冷水的液态水路径，无法探测到过冷水的空间分布；
[0016]其无法定量反演得到过冷水粒子关键的物理参数如反射率因子、有效半径和液态水含量等；
[0017]当云底高度不完全位于0℃层以上时，无法确定过冷水的存在。并且在降雨天气下，无法探测云中的过冷水。

技术实现思路

[0018]本专利技术的目的在于提出一种可利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法、装置及应用。所述探测方法可结合毫米波云雷达的功率谱及探空温度资料，对云中特别是对流云中的过冷水进行自动识别和定量反演，得到精细的过冷水空间分布及其关键物理参数，如过冷水反射率因子、有效半径和液态水含量等。
[0019]本专利技术首先公开了如下的技术方案：
[0020]利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法，其包括：
[0021]获得探测区域的毫米波云雷达功率谱；
[0022]自所述功率谱中提取有效的云雨信号并获得其对应的雷达参数和动力参数；
[0023]基于所述功率谱的谱图特征和所得雷达参数，对其进行过冷水信号的识别和/或提取；
[0024]基于所得雷达参数、动力参数和所述过冷水信号，通过反演计算获得过冷水的微物理参数；
[0025]其中，
[0026]所述雷达参数包括雷达回波功率、反射率因子、平均多普勒速度和其功率谱谱宽中的一种或多种；
[0027]和/或，
[0028]所述动力参数包括大气垂直速度和/或粒子平均下落末速度；
[0029]和/或，
[0030]所述谱图特征包括谱图中连续信号段数量、谱峰数量、谱宽中的一种或多种；
[0031]和/或，
[0032]所述微物理参数包括过冷水有效粒子半径、其液态水含量和其液态水路径分布中一种或多种。
[0033]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述有效云雨信号的提取包括以下过程中的一步或多步：
[0034]自所述功率谱中获得噪声电平；
[0035]检索获得所述功率谱中所有功率高于所述噪声电平的连续信号段；
[0036]若检索得到的连续信号段的信噪比大于第一阈值，且所包含的谱点数超过第二阈值，则判定其为云雨信号段，其余部分为噪声信号段；
[0037]以所述噪声信号段中噪声功率最大值作为噪声与所述云雨信号段的分界线；
[0038]将所述云雨信号段与所述分界线两端交点之间的部分判定为有效云雨信号段。
[0039]更优选的，所述第一阈值为
‑
12dB和/或所述第二阈值为5个。
[0040]更优选的，所述噪声电平为将所述功率谱平均分为8段后，每段的平均功率值中的最低值。
[0041]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述提取还包括：将所述有效云雨信号段中存在谱速度模糊现象的谱段进行纠正，由纠正后的谱段与该有效云雨信号段中的其余信号段组成有效云雨信号谱。
[0042]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述过冷水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用毫米波云雷达进行过冷水探测的方法，其特征在于，包括：获得探测区域的毫米波云雷达功率谱；自所述功率谱中提取有效的云雨信号并获得其对应的雷达参数和动力参数；基于所述功率谱的谱图特征和所得雷达参数，对其进行过冷水信号的识别和/或提取；基于所得雷达参数、动力参数和所述过冷水信号，通过反演计算获得过冷水的微物理参数；其中，所述雷达参数包括雷达回波功率、反射率因子、平均多普勒速度和其功率谱谱宽中的一种或多种；和/或，所述动力参数包括大气垂直速度和/或粒子平均下落末速度；和/或，所述谱图特征包括谱图中连续信号段数量、谱峰数量、谱宽中的一种或多种；和/或，所述微物理参数包括过冷水有效粒子半径、其液态水含量和其液态水路径分布中一种或多种。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效云雨信号的提取包括以下过程中的一步或多步：自所述功率谱中获得噪声电平；检索获得所述功率谱中所有功率高于所述噪声电平的连续信号段；若检索得到的连续信号段的信噪比大于第一阈值，且所包含的谱点数超过第二阈值，则判定其为云雨信号段，其余部分为噪声信号段；以所述噪声信号段中噪声功率最大值作为噪声与所述云雨信号段的分界线；将所述云雨信号段与所述分界线两端交点之间的部分判定为有效云雨信号段；优选的，所述第一阈值为
‑
12dB和/或所述第二阈值为5个；优选的，所述噪声电平为将所述功率谱平均分为8段后，每段的平均功率值中的最低值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提取还包括：将所述有效云雨信号段中存在谱速度模糊现象的谱段进行纠正，由纠正后的谱段与该有效云雨信号段中的其余信号段组成有效云雨信号谱。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过冷水信号的识别和/或提取包括以下过程中的一步或多步：将所述功率谱中每个雷达距离库的最近时刻探空温度和/或所述探空温度的处理值与参照温度进行对比，将参照温度外的部分作为非过冷水雷达库筛除；基于筛除后的功率谱中所述有效的云雨信号的连续信号段数量即其模态，判定其为多模态谱或单模态谱；标记所述多模态谱为存在可分离冰水混合物距离库的谱，将该谱中第一段有效的云雨信号段判定为过冷水信号段，即其过冷水谱；基于所述单模态谱的谱峰数量，判定其为多谱峰谱或单谱峰谱；标记所述多谱峰谱为存在可分离冰水混合物距离库的谱，将该谱中第一个谱峰信号从鞍点处向下根据高斯对称
分布进行补充，得到其过冷水谱；将所述单谱峰谱中谱宽超过第三阈值的雷达距离库判定为冰水混合物距离库，将所述冰水混合物距离库的功率谱判定为过冷水谱；对所述过冷水谱的相关参数进行提取；优选的，所述参照温度为(
‑
40℃，0℃)，和/或，优选的，所述第三阈值为0.4m/s。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述识别和/或提取还包括：自所述冰水混合物距离库中筛除谱宽符合要求但存在突变的非冰水混合物距离库，得到调整后冰水混合物距离库，将所述调整后冰水混合物距离库的功率谱判定为过冷水谱。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非冰水混合物距离库的筛除条件为：若该雷达距离库与其临近的多个雷达距离库的大气垂直速度的速度差超过第四阈值，则将其判定为非冰水混合物距离库；优选的，所述第四阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑佳锋，任涛，曾正茂，陈德花，
申请(专利权)人：厦门市气象台厦门市海洋气象台，海峡气象开放实验室，
类型：发明
国别省市：