基于最优化理论的双偏振雷达降雨参数反演研究
发布时间：2023-05-19 19:27
双偏振雷达可以观测天气系统内部降水粒子的大小、形状、浓度等信息,可用于定量降雨估测和微物理参数反演,是短时强降水监测和邻近预报的重要工具。我国天气系统降雨滴谱特性与其他国家地区存在显著差异,采用不适合的双偏振降雨估测算子会导致估测降雨的系统性偏差。本文利用长时间二维视频滴谱仪高精度观测,提高了华东和华南区域的雨滴谱特性认知;构建了适用于这两个区域的双偏振雷达衰减订正和降雨参数反演模型。利用该模型改进了双偏振数据质量控制、最优化比差分传播相移(KDP)估计及降雨参数反演方法,主要的研究如下:在双偏振观测数据质量控制方面,本文基于差分反射率(ZDR)系统偏差标定、雷达系统差分相位估计、衰减订正、非气象回波识别和剔除等,有效提高了C和s波段雷达数据精度。研究定量降雨估测时,从基于经验算子的反演和基于变分理论的优化反演两方面着手。在利用降雨率(R)和比差分传播相移(KDP)之间的经验关系估测降雨时,关键是KDP的估计精度。研究中利用水平反射率因子(ZH)和ZDR包含的雨滴谱特性及双偏振量的自洽性,构建了更合理的KDP物理约束,并提出了混合(Hybrid)KDP估计方法,并应用于C和S波段双偏振...
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
术语表
1 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 双偏振质量控制
1.2.2 定量降雨估测
1.2.3 微物理参数和雨滴谱反演
1.2.4 目前研究的局限
1.3 研究内容和意义
1.4 研究创新点
2 双偏振雷达数据及其质量控制
2.1 引言
2.2 数据
2.2.1 C波段双偏振雷达
2.2.2 S波段双偏振雷达
2.2.3 雨滴谱和雨量数据
2.3 双偏振雷达数据质量控制
2.3.1 差分反射率因子系统偏差标定
2.3.2 雷达系统初始差分相位的移除
2.3.3 衰减订正及其校验
2.3.4 非气象回波识别
2.4 小结和讨论
3 基于线性规划和物理约束的比差分传播相移和降雨的最优估计
3.1 引言
3.2 三种常规KDP估计算法
3.2.1 最小二乘拟合
3.2.2 基于常规线性规划的估计
3.2.3 双偏振量的自洽性
3.3 理想试验
3.3.1 试验设计
3.3.2 降雨统计关系
3.3.3 结果比较
3.4 理想试验中的混合KDP估计方法
3.5 实际个例的应用和验证
3.5.1 应用于C波段雷达
3.5.2 应用于S波段雷达
3.6 小结和讨论
4 基于变分分析的定量降雨估测
4.1 引言
4.2 变分定量降雨估测方案
4.2.1 变分分析基础
4.2.2 利用三次B样条距离平滑
4.2.3 降雨率先验估计及其误差协方差矩阵
4.3 理想试验验证变分降雨估测算法
4.3.1 试验设计
4.3.2 平滑滤波的影响
4.3.3 与线性规划方法的比较
4.3.4 先验估计的作用
4.4 基于S波段双偏振观测的验证
4.4.1 单个过程的降雨估测
4.4.2 2016年5-6月降雨估测
4.5 小结和讨论
5 基于最优化理论的雨滴谱反演和衰减订正
5.1 引言
5.2 变分分析反演框架
5.2.1 状态变量和观测算子
5.2.2 代价函数及其梯度
5.2.3 反演步骤
5.3 理想模拟试验
5.4 实际个例的应用
5.4.1 应用于C波段雷达的衰减订正和雨滴谱反演
5.4.2 应用于S波段雷达定量降雨估测
5.5 小结和讨论
6 总结与展望
6.1 总结
6.1.1 双偏振雷达数据质量控制
6.1.2 基于变分分析的定量降雨估测
6.1.3 基于变分分析的衰减订正和雨滴谱反演
6.2 讨论与展望
致谢
附录A 降雨微物理和雨滴谱
A.1 雨滴形状和取向
A.2 雨滴下落速度
A.3 雨滴谱
A.4 雨滴谱模型及应用
A.5 降雨参数
附录B 双偏振雷达参量
B.1 反射率因子
B.2 差分反射率因子
B.3 差分传播相移和比差分传播相移
B.4 协相关系数
B.5 电磁波衰减
参考文献
简历与科研成果
本文编号：3819962
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
术语表
1 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 双偏振质量控制
1.2.2 定量降雨估测
1.2.3 微物理参数和雨滴谱反演
1.2.4 目前研究的局限
1.3 研究内容和意义
1.4 研究创新点
2 双偏振雷达数据及其质量控制
2.1 引言
2.2 数据
2.2.1 C波段双偏振雷达
2.2.2 S波段双偏振雷达
2.2.3 雨滴谱和雨量数据
2.3 双偏振雷达数据质量控制
2.3.1 差分反射率因子系统偏差标定
2.3.2 雷达系统初始差分相位的移除
2.3.3 衰减订正及其校验
2.3.4 非气象回波识别
2.4 小结和讨论
3 基于线性规划和物理约束的比差分传播相移和降雨的最优估计
3.1 引言
3.2 三种常规KDP估计算法
3.2.1 最小二乘拟合
3.2.2 基于常规线性规划的估计
3.2.3 双偏振量的自洽性
3.3 理想试验
3.3.1 试验设计
3.3.2 降雨统计关系
3.3.3 结果比较
3.4 理想试验中的混合KDP估计方法
3.5 实际个例的应用和验证
3.5.1 应用于C波段雷达
3.5.2 应用于S波段雷达
3.6 小结和讨论
4 基于变分分析的定量降雨估测
4.1 引言
4.2 变分定量降雨估测方案
4.2.1 变分分析基础
4.2.2 利用三次B样条距离平滑
4.2.3 降雨率先验估计及其误差协方差矩阵
4.3 理想试验验证变分降雨估测算法
4.3.1 试验设计
4.3.2 平滑滤波的影响
4.3.3 与线性规划方法的比较
4.3.4 先验估计的作用
4.4 基于S波段双偏振观测的验证
4.4.1 单个过程的降雨估测
4.4.2 2016年5-6月降雨估测
4.5 小结和讨论
5 基于最优化理论的雨滴谱反演和衰减订正
5.1 引言
5.2 变分分析反演框架
5.2.1 状态变量和观测算子
5.2.2 代价函数及其梯度
5.2.3 反演步骤
5.3 理想模拟试验
5.4 实际个例的应用
5.4.1 应用于C波段雷达的衰减订正和雨滴谱反演
5.4.2 应用于S波段雷达定量降雨估测
5.5 小结和讨论
6 总结与展望
6.1 总结
6.1.1 双偏振雷达数据质量控制
6.1.2 基于变分分析的定量降雨估测
6.1.3 基于变分分析的衰减订正和雨滴谱反演
6.2 讨论与展望
致谢
附录A 降雨微物理和雨滴谱
A.1 雨滴形状和取向
A.2 雨滴下落速度
A.3 雨滴谱
A.4 雨滴谱模型及应用
A.5 降雨参数
附录B 双偏振雷达参量
B.1 反射率因子
B.2 差分反射率因子
B.3 差分传播相移和比差分传播相移
B.4 协相关系数
B.5 电磁波衰减
参考文献
简历与科研成果
本文编号：3819962
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/3819962.html
