旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式研究及其应用初探

摘要

雨滴在下落的过程中呈旋转扁椭球形状,在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑扁椭球形状的散射特性。Gans理论、T矩阵和DDA法是常用的计算非球形粒子散射特性的算法。Gans理论是适用于小旋转椭球的散射理论,可以得到其精确的解析解,计算速度比T矩阵法和DDA法快。DDA法是一种计算任意形状和结构粒子散射特性的有效工具,但由于计算耗时和复杂的计算程序使之在雷达资料定量处理的过程中受到限制。本文根据这两种算法的不同特性先后研究了雨滴后向散射特性的Gans适用范围,建立了计算大椭球雨滴散射特性的等效DDA快速算式,并将其应用到雷达常数C的研究中。
　　主要结果如下:(1)通过对比分析T矩阵法和Gans理论分别计算的常用雷达波段(S、C、X、Ka)下的雨滴后向散射截面的结果,以相对差别首次大于10％作为Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数的标准,并具体分析了在各常用雷达波段处受波长变化影响的等效半径和尺度参数适用区间。结果表明:在S、X、C波段,尺度参数x=2l/λ可以在0.10-0.15,水平偏振波时x还可以大一点。在Ka波段,尺度参数x可以达到0.38。(2)对于“大”的雨滴,使用DDA计算的基数据进行多项式拟合得到用于计算扁椭球雨滴散射特性的分段线性表达式,即等效DDA快速算式。在常用雷达波长(S、C、X、Ka和W)处,拟合了等效DDA快速算式计算雨滴衰减和后向散射特性的快速算式,统计表明与DDA相比快速算式能够达到95％以上的精度,而计算耗时与DDA算法产生这些数据所用时间相比可忽略,大大提高了扁椭球雨滴散射特性的计算速度和程序的可移植性。(3)利用已经得到的3.2cm快速算式对比了三种算法下雨滴椭球性对雷达常数C的影响,进而模拟了雷达反射率因子误差受雨滴形状和滴谱参数影响产生的变化,用于雷达反射率因子Z的订正,也为偏振雷达方程组的建立和Zhh,、Zvv、Zhv等参数的重新定义提供了理论依据。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 引言

1.1 非球形粒子散射的研究意义及其应用

1.2 粒子散射理论与计算研究的现状

1.3 本文研究的目的和内容

第二章 Gans理论在雨滴后向散射特征计算中的适用范围研究

2.1 小旋转椭球粒子的后向散射截面

2.2 T矩阵算法介绍

2.3 雨滴后向散射特征计算中的Gans理论适用范围研究

2.3.1 Gans适用范围评价方法及参数设置

2.3.2 常用雷达波长处的后向散射特性对比

2.3.3 常用雷达波段内两种算法相对差别的对比

2.4 本章小结

第三章 旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式建立

3.1 DDA算法介绍

3.2 等效DDA快速算式的提出与建立

3.2.1 快速算式的概念

3.2.2 快速算式的建立

3.2.3 快速算式的效果评价

3.3 常用雷达波长处的快速算式

3.3.1 常用雷达波长处的快速算式的建立

3.3.2 常用雷达波长处的快速算式效果评价

3.4 本章小结

第四章 粒子椭球性对雷达常数C影响的初步探究

4.1 雷达气象方程组

4.2 粒子椭球性对雷达常数C的影响

4.3 粒子椭球性对雷达反射率因子的探测影响

4.4 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 主要研究结论

5.2 本文特色和创新之处

5.3 存在问题和工作展望

参考文献

附录

作者简介

致谢