基于微物理特性的机载气象雷达极化数据仿真

作     者：刘夏 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴仁彪;韩雁飞

授予年度：2016年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：机载气象雷达 降水目标建模 中尺度天气预报模式 微物理特性 极化特性 

摘      要：机载气象雷达技术的应用极大地提高了气象预报的实效性,为民航飞机的安全运行提供了可靠的保障。现有的机载气象雷达仍采用单极化机械扫描天线,仅能通过雷达反射率来判断气象目标的含水量,尚不具备降水目标分类的功能。双极化技术的引入,可以有效地提升气象雷达对降水类型的区分能力,是下一代机载气象雷达的发展趋势。机载双极化技术目前正处于研究阶段,尚无实际数据支撑,为了开展新体制机载气象雷达的研究,提供带有极化数据的气象目标仿真,是开展相关技术研究的前提条件。首先,论文介绍了中尺度天气预报模式,详细分析了该模式运行的动力学框架、初始场生成方式和边界条件设置等,并从微物理方案和积云对流参数化方案等两个方面,分析了不同模式方案对气象场景建模的影响。其次,论文介绍了气象目标的极化理论,在对不同气象目标的散射特性进行归纳总结的基础上,分析了单一粒子的散射特性和群粒子的散射特性,从而建立宏观气象目标的电磁散射特征模型。再次,考虑真实的降水场景,参考地理信息、对流及相态变化等多种因素,论文利用中尺度天气预报模式对一次真实的气象场景进行建模仿真,从而获得温度,粒子数浓度,混合比等降水目标的气象参数,并对云滴、雨滴、冰晶、雪晶、霰和冰雹等六种降水类型进行动态演变过程仿真。实验结果表明,该方法可实现高保真的气象目标建模。最后,在分析气象目标微物理特性的基础上,论文研究了一种基于微物理特性的机载气象雷达降水目标极化数据仿真方法。该方法利用T矩阵法计算各类降水类型的电磁散射矩阵,通过相干叠加的方式实现混合气象目标的极化数据仿真。仿真实验与实测数据的验证与分析证实了上述所提方法的有效性和可靠性。