一种天气雷达定量降雪的估测方法技术

本发明专利技术公开了一种天气雷达定量降雪的估测方法，先建立不同降雪粒子类型的散射截面数据库；利用地面雨滴谱仪收集粒子谱数据，计算采样时间段内的降雪率和等效雷达反射率，拟合出每种粒子类型的Z

【技术实现步骤摘要】
一种天气雷达定量降雪的估测方法


[0001]本专利技术涉及一种估测方法，尤其涉及一种天气雷达定量降雪的估测方法。

技术介绍

[0002]雪在气候和天气中起着至关重要的作用，一方面影响着地球系统的水循环和能量收支，另一方面，一旦出现大雪或者暴雪天气，会对农牧业生产、社会基础设施(如电力系统、城市交通)和人类活动带来巨大威胁。为了提高对降雪天气的监测预警和预报准确性，利用高时空分辨率的遥感仪器对降雪天气进行实时监测具有不可替代的作用。其中，天气雷达在探测降水系统上具有其独特能力，不仅可以获取降水系统沿垂直方向的分辨率测量，还可以反演地面降雪率随时间的变化。
[0003]雷达降雪定量估计方法最常采用的是雷达等效反射率(Z
e
)与降雪率(S)之间的幂律关系(Z
e
＝aS
b
)。Z
e
‑
S关系中的系数a和系数b通常用两种方式获得：1)直接使用雷达观测的反射率因子与地面雪量计记录的降雪量拟合得到。2)先使用雨滴谱仪(如2DVD、Parsivel、PIP等)获取雪花的大小、下落速度、密度等信息，得到降雪粒子谱(Particle size distribution，PSD),然后对PSD积分得到雷达反射率和降雪率，通过数学拟合获取系数a和指数b。
[0004]然而，由于雪的微物理特征(粒子的大小、相态、下落速度、密度等)在不同地区、不同降雪过程以及同一降雪过程的不同时段变化很大，这导致Z
e
‑
S关系的系数和指数具有很大变异性，如果对任意一个降雪过程采用固定的Z
e
‑
S关系进行降雪率估计，其结果存在很大误差，进而使天气雷达无法对降雪率进行准确的预估。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种天气雷达定量降雪的估测方法。
[0006]为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种天气雷达定量降雪的估测方法，包括以下估测步骤：
[0007]一，建立不同降雪粒子类型的散射截面数据库；
[0008]二，利用地面雨滴谱仪收集粒子谱数据，计算采样时间段内的出降雪率和等效雷达反射率，拟合出每种粒子类型的的Z
e
‑
S关系；
[0009]三，使用雨滴谱仪和雷达同步观测，将雷达观测的反射率和雨滴谱仪的等效雷达反射率对比，确定该采样时间内的降雪粒子类型；
[0010]四，根据所确定的降雪粒子类型，使用对应的Z
e
‑
S关系来估算地面降雪率。
[0011]进一步地，步骤一中，基于降雪粒子类型，构建不同降雪粒子的几何特征模型，确定好降雪粒子的几何特征模型之后，使用DDSCAT 7.3软件计算出各个降雪粒子的后向散射截面σ，得到一个包含多种类型的散射数据库。
[0012]进一步地，描述粒子特征几何特征的参数包括：粒子的最大维度、内含冰晶个数、
粒子下落中的取向以及粒子的质量
‑
尺寸关系；其中，粒子下落中的取向为粒子长轴与水平面的夹角：90
°‑
垂直，0
°‑
水平。
[0013]进一步地，降雪粒子类型共包含有9种，其中，4种单冰晶类型：针状冰晶、圆柱体冰晶、六角形板状冰晶、常见的枝状冰晶，4种不同冰晶组成的雪花：辐枝状冰晶聚合体、子弹状/柱状冰晶聚合体、板状冰晶聚合体，以及扁椭球体。
[0014]进一步地，步骤二中，不同粒子类型的Z
e
‑
S关系建立过程为：根据地面雨滴谱仪观测获取的粒子谱数据，计算出采样时间Δt内的降雪率S，单位mm h
‑1，以及雷达等效反射率因子Z
e
，单位mm6m
‑3，计算得到S和Z
e
之后，利用非线性最小二乘法拟合得到等效雷达反射率与降雪率的幂律函数关系中的待定系数a和指数b。
[0015]进一步地，降雪率S、雷达等效反射率因子Z
e
的计算过程如下式所示：
[0016][0017][0018]其中，λ为雷达波长，单位mm；|Kw|2为水的介电因子，取值0.92；σ是步骤S1中得到的粒子的后向散射截面，单位为m2；N(D)为雨滴谱仪测量的PSD，单位为mm
‑3m
‑1，v(D)为雨滴谱仪测量的粒子下落速度，单位ms
‑1，D
min
和D
max
分别为粒子最小直径和最大直径，单位mm；m(D)为粒子的质量，单位g，通过表1中的m
‑
D关系获取。
[0019]进一步地，步骤三中，降雪粒子类型识别过程为：将步骤二中得到的雨滴谱仪的等效反射率因子Z
e
与同时段内雷达观测的位于雨滴谱仪上方最近位置处的反射率因子对比，其中，雨滴谱仪的等效反射率因子Z
e
记作Z
e,disd
，雷达观测的反射率因子记作Z
e,radar
，求出Z
e,disd
与Z
e,radar
之间的均方根误差RMSE：
[0020][0021]其中，N为该时间段内雨滴谱仪计算出的雷达反射率Vs.雷达的反射率的总数据对个数；通过比较每种降雪粒子类型的RMSE值，RMSE值最小的粒子类型代表该降雪时段内的主导粒子类型，从而确定出降雪粒子类型。
[0022]本专利技术公开了一种天气雷达定量降雪的估测方法，采用雨滴谱仪同雷达联合观测的方式来提高雷达定量降雪估测的精度，考虑了降雪过程粒子谱和雪花类型的变化，根据雪花类型建立不同粒子类型的Z
e
‑
S关系，再根据所确定的降雪粒子类型选择对应的Z
e
‑
S关系进行估测，所得到的地面降雪率结果更为精准和可靠，进一步提高对降雪天气的监测预报的准确性。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的估测方法流程示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0025]本专利技术针对雷达降雪估测过程中的影响因素，提出了一种新的雷达定量降雪估测方法，该估测方式包括以下四个步骤：
[0026]第一，基于降雪粒子类型，建立不同降雪粒子类型的散射截面数据库；如表1所示，将降雪粒子几何特征建模成9种类型，使用DDSCAT 7.3软件技术计算每种类型降雪粒子的后向散射截面；
[0027]第二，利用雨滴谱仪收集的粒子谱数据，计算出降雪率和雨滴谱仪的等效雷达反射率Z
e,disd
,并拟合出每种粒子类型的的Z
e
‑
S关系；
[0028]第三，使用雨滴谱仪和雷达同步观测，将雷达观测的反射率Z
e,radar
和雨滴谱仪的等效雷达反射率Z
e,disd
对比，确定该采样时间内的降雪粒子类型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天气雷达定量降雪的估测方法，其特征在于：包括以下估测步骤：S1，建立不同降雪粒子类型的散射截面数据库；S2，利用地面雨滴谱仪收集粒子谱数据，计算采样时间段内的出降雪率和等效雷达反射率，拟合出每种粒子类型的Z
e
‑
S关系；S3，使用雨滴谱仪和雷达同步观测，将雷达观测的反射率和雨滴谱仪的等效雷达反射率对比，确定该采样时间内的降雪粒子类型；S4，根据所确定的降雪粒子类型，使用对应的Z
e
‑
S关系来估算地面降雪率。2.根据权利要求1所述的天气雷达定量降雪的估测方法，其特征在于：步骤S1中，基于降雪粒子类型，构建不同降雪粒子的几何特征模型，确定好降雪粒子的几何特征模型之后，使用DDSCAT 7.3软件计算出各个降雪粒子的后向散射截面σ，得到一个包含多种类型的散射数据库。3.根据权利要求2所述的天气雷达定量降雪的估测方法，其特征在于：描述粒子特征几何特征的参数包括：粒子的最大维度、内含冰晶个数、粒子下落中的取向以及粒子的质量
‑
尺寸关系；其中，粒子下落中的取向为粒子长轴与水平面的夹角：90
°‑
垂直，0
°‑
水平。4.根据权利要求3所述的天气雷达定量降雪的估测方法，其特征在于：降雪粒子类型共包含有9种，其中，4种单冰晶类型：针状冰晶、圆柱体冰晶、六角形板状冰晶、常见的枝状冰晶，4种不同冰晶组成的雪花：辐枝状冰晶聚合体、子弹状/柱状冰晶聚合体、板状冰晶聚合体，以及扁椭球体。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的天气雷达定量降雪的估测方法，其特征在于：步骤S2中，不同粒子类型的Z
e
‑
S关系建立过程为：根据地面雨滴谱仪观测获取的粒子谱数据，计算出采样时间Δt内的降雪率S，单位mm h
‑1，以及雷...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丽，仰美霖，陈明轩，马建立，陈羿辰，
申请(专利权)人：北京城市气象研究院，
类型：发明
国别省市：