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非球形冰晶的毫米波k-Z_e关系研究

遥感学报 2013年第6期17卷 1377-1395页

作者：吴举秀魏鸣周杰南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学电子与信息工程学院江苏南京210044

针对毫米波雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法DDA,获得了非球形冰晶的后向散射及衰减截面并进行了参数化,并主要基于细化的冰云模型,假设冰晶粒子谱为Γ分布,通过模拟取样各1330次(代表1330种粒子分布),分别计算得到了W波段(... 详细信息

针对毫米波雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法DDA,获得了非球形冰晶的后向散射及衰减截面并进行了参数化,并主要基于细化的冰云模型,假设冰晶粒子谱为Γ分布,通过模拟取样各1330次(代表1330种粒子分布),分别计算得到了W波段(94 GHz)与Ka波段(35 GHz)毫米波雷达探测的冰云衰减系数k及雷达反射率因子Z e,而且利用数值模拟的方法,建立了k-Z e关系的具体表达式。计算表明,非球形和非瑞利散射对W波段毫米波雷达衰减的影响较大,而且在同样滴谱分布条件下,W波段毫米波雷达的衰减比Ka波段毫米波雷达的大几倍,此外细化的冰云模型对k-Z e关系具有影响。本研究对中纬度非降水性冰云的毫米波雷达的衰减订正具有参考价值,并对中国的毫米波雷达应用具有借鉴作用。

关键词：非球形冰晶毫米波雷达 k-Ze关系离散偶极子近似法(DDA)

94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析

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气象学报 2019年第3期77卷 529-540页

作者：吴举秀窦芳丽安大伟顾瑜周青刘伟山东省气象局大气探测技术保障中心济南250031 国家卫星气象中心北京100081 青岛市气象局山东青岛266003 中国气象局气象探测中心北京100081

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:(1)双波长比可以反映小到0.1... 详细信息

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:(1)双波长比可以反映小到0.1 mm中值尺度的冰粒子,对粒子总数、谱的形状参数不敏感,对粒子大小、形状、云衰减较敏感。(2)雷达灵敏度一定时,星载雷达可测云厚与雷达波长、冰含水量(IWC)的垂直分布、云厚及衰减有关;没有进行衰减订正时,双波长比和衰减有关,冰含水量越大,波长越短,衰减越大,双波长比最大值与可探测云厚有关。两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m^3、厚2 km的冰云;当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m^3时,云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。(3)如果两部雷达气象方程中用水的介电因子,测量回波强度应进行介电因子的订正后再计算双波长比。

关键词：非球形冰晶星载94/220GHz云雷达双波长(反射率)比冰晶谱参数

对非球形冰晶94GHz云雷达后向散射和衰减的研究

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气象科学 2016年第1期36卷 63-70页

作者：吴举秀魏鸣黄磊涂爱琴刘彬山东省气象局大气探测技术保障中心济南250031 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044

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... 详细信息

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。

关键词： 94 GHz云雷达非球形冰晶散射特性衰减系数

基于非球形冰晶的星载94/220GHz双频云雷达云微物理参数反演研究

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红外与毫米波学报 2021年第5期40卷 605-615页

作者：吴琼仰美霖尹红刚商建国家卫星气象中心北京100081 北京城市气象研究院北京100089

利用94/220GHz双频云雷达的探测优势,结合短柱、三瓣子弹花和星状雪花三种非球形冰晶粒子的散射特性,对双频云雷达云微物理参数反演算法进行了研究。通过建立双频比和中值直径的关系,再通过后向迭代的双频反演算法计算出谱参数的最优解... 详细信息

利用94/220GHz双频云雷达的探测优势,结合短柱、三瓣子弹花和星状雪花三种非球形冰晶粒子的散射特性,对双频云雷达云微物理参数反演算法进行了研究。通过建立双频比和中值直径的关系,再通过后向迭代的双频反演算法计算出谱参数的最优解,进而反演云微物理参数并分析反演误差。最后,通过数值试验,对考虑系统噪声和随机噪声后的反演误差进行了比较分析,并提出了仪器信噪比的指标需求。结果表明:双频联合可以较好地反演非球形冰晶的云微物理参数,为了保证0.2 g/m^(3)以下冰水含量的反演误差小于30%,仪器的信噪比不能低于11.39dB,为国内开展星载云雷达指标设计和云微物理参数反演研究提供参考。

关键词：双频反演云雷达粒子谱参数非球形冰晶

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双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究

气象科学 2022年第1期42卷 12-23页

作者：杨敏黄兴友赵泉钦张正杨恒祥周红根江苏省气象探测中心南京210019 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演... 详细信息

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。

关键词：双频比多普勒速度差反演非球形冰晶离散偶极子近似

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冰云粒子后向散射相矩阵数值仿真研究

冰云粒子后向散射相矩阵数值仿真研究

作者：韩暅西安理工大学

学位级别：硕士

卷云冰晶粒子的微观物理特性对地球辐射平衡及气候变化扮演着极其重要的作用,不同形态特征的冰晶粒子有不同的散射特性,研究这些散射特性有助于实现云层光学厚度、粒子有效半径等云物理参量的精确反演,本文研究了冰云粒子散射特性的物... 详细信息

卷云冰晶粒子的微观物理特性对地球辐射平衡及气候变化扮演着极其重要的作用,不同形态特征的冰晶粒子有不同的散射特性,研究这些散射特性有助于实现云层光学厚度、粒子有效半径等云物理参量的精确反演,本文研究了冰云粒子散射特性的物理光学近似算法,并利用该算法实现了典型冰云粒子的光散射求解。首先,详细介绍了计算冰云粒子散射特征的物理光学近似算法。该算法是在几何光学近似算法的框架下发展来了,主要由近场的几何光学散射和远场的夫琅禾费衍射两部分组成。光线进入冰晶粒子经过折/反射后离开粒子表面形成近场散射,进一步传播进入后向散射的衍射接收视场;利用物理光学近似算法完成典型冰晶粒子的分析,计算了典型冰晶粒子的散射相函数,并与经典文献结果进行了比对,验证了算法的正确性和可靠性。其次,完成了典型冰晶粒子后向散射Mueller矩阵及后向散射光学参数的计算。计算了六角平板、六棱柱、子弹和过冷冰等典型冰晶粒子在规则取向及随机分布情况下的后向散射Mueller矩阵,同时进行了矩阵分解计算,结果表明矩阵分解结果可以实现六角平板、六棱柱和过冷冰粒子的识别和分类。根据计算的Mueller矩阵得出了典型冰晶粒子的退偏比、雷达比和色比等光学参数,并且研究了它们的变化规律,概率密度函数结果表明六角平板粒子是准水平分布的,当天顶角β<10°时,可以利用退偏比识别六角平板粒子,且六棱柱粒子在22°处光晕现象明显。最后,计算了典型冰云云层的后向散射Mueller矩阵。通过研究不同混合比例模型对退偏比、雷达比和q函数的影响,结果表明可以利用单个六棱柱粒子表示“板+柱+子弹”混合模型的散射特性;对于“板+柱+过冷冰”混合模型的计算可以通过三种粒子叠加后平均的结果表示,以上研究可以为云物理探测提供理论参考和数据资料。

关键词：光散射物理光学近似算法非球形冰晶后向散射矩阵

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冰云毫米波散射特性研究进展

山东气象 2016年第3期36卷 1-7页

作者：吴举秀魏鸣刘彬陈庆亮山东省气象局大气探测技术保障中心济南250031 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044

重点介绍了和散射特性有关的冰晶形状模型、冰晶粒子谱分布及冰晶复折射指数的研究进展,总结了非球形冰晶散射特性的计算方法以及冰晶毫米波散射特性在国内外的研究进展情况,对目前研究中存在的一些问题及发展趋势进行了初步探讨。

关键词：非球形冰晶毫米波散射特性冰晶谱后向散射截面