基于WRF与天气雷达数据的非均匀大气波导监测反演研究

摘要

在对流层波导环境下，电磁波会发生反常传播，电磁波的反常传播特性严重影响雷达和无线通信设备的性能，因此大气折射环境的监测对于电磁波传播特性的研究意义重大。大气折射率决定于气象参数，气象参数的多变性导致了大气折射率的复杂性。直接测量大气折射率成本高并且耗时较多，因此需要一种低成本实时的大气折射率监测方法。目前，利用雷达海杂波数据反演大气折射率方法(RFC)得到了广泛的应用，同时反演优化算法也得到了快速发展。中尺度模式能够快速获取大气环境参量，同化常规观测资料，成为大气折射率监测的有效工具。因此本文将中尺度模式和雷达海杂波数据反演大气折射率方法相结合，有效的得到了比较准确的大气折射率。主要研究结果如下：
　　1.介绍了新一代多普勒天气雷达，并根据青岛气象局多普勒天气雷达回波图分析了电波传播随时间和空间的变化特性，并分析了不同仰角情况下多普勒天气雷达回波的分布特征，进一步验证了大气波导环境对电波传播的影响。
　　2.利用中尺度WRF模式对大气修正折射率和蒸发波导高度进行了模拟，阐述了蒸发波导四参数模型比单参数PJ模型的优势。然后将模拟的大气修正折射率作为输入，根据电波传播抛物方程模型、雷达气象方程和多普勒天气雷达参数模拟了海上区域多普勒天气雷达回波，并将回波功率和反射率因子与实测数据进行比较，结果表明，模拟多普勒天气雷达回波与实测数据比较一致。验证了中尺度WRF模式模拟气象参量的有效性，同时大气修正折射率模拟结果为后面的大气折射率剖面建模和反演建立了基础。
　　3.基于RFC方法反演大气修正折射率，实测数据采用多普勒天气雷达回波功率数据，利用主分量分析方法构建水平非均匀大气波导修正折射率剖面参数模型，然后使用粒子群优化算法对剖面参数进行采样，最后根据反演模型获得大气修正折射率剖面。
　　4.利用马尔科夫链蒙特卡洛采样算法对剖面参数快速采样，基于贝叶斯后验概率估计理论计算得到反演剖面参数的后验概率密度分布，在得到了反演剖面的情况下分析反演结果的不确定性。最后将中尺度WRF模式模拟的大气修正折射率作为先验信息对反演结果进行修正，结果表明贝叶斯反演方法反演结果比较准确，含先验信息时反演结果的确定性增强，体现了中尺度WRF模式在大气折射环境监测和反演方面的可靠性。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文结构及内容安排

第二章 非均匀大气波导结构及电磁波传播基本理论

2.1非均匀大气波导

2.2电波传播抛物方程算法

2.3多普勒天气雷达介绍

2.4非均匀大气波导雷达波传播特性

2.5本章小结

第三章 中尺度WRF数值模式

3.1中尺度WRF模式简介

3.2三维变分同化

3.3中尺度WRF模式数值模拟

3.4多普勒天气雷达回波模拟

3.5本章小结

第四章 区域非均匀大气波导PSO反演

4.1水平非均匀大气波导修正折射率剖面参数建模

4.2区域非均匀表面波导PSO反演

4.3本章小结

第五章 区域非均匀大气波导贝叶斯反演

5.1马尔科夫链-蒙特卡洛采样

5.2贝叶斯后验概率估计理论

5.3单方位向非均匀大气波导贝叶斯反演

5.4区域非均匀大气波导贝叶斯反演

5.5本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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