基于风廓线雷达的沙尘暴沙尘质量浓度定量反演估算方法

摘要

本发明公开了一种基于风廓线雷达的沙尘暴沙尘质量浓度定量反演估算方法。该方法包括：第一步，计算沙尘暴过程雷达反射率因子Z；第二步，计算不同高度沙尘粒子的概率p(D_j)；第三步，计算沙尘数浓度N₀和沙尘谱N(D_j)；第四步，计算沙尘质量浓度M；第五步，由于反射率因子Z和沙尘质量浓度M都与沙尘谱N(D_j)存在关系，建立雷达反射率因子Z与沙尘质量浓度M之间的关系式，得到Z＝AM^b。本发明有效的解决了卫星遥感和微脉冲激光雷达定量探测沙尘暴的不足，实现了对沙尘暴过程高空沙尘质量浓度的定量反演估算。

主权项

一种基于风廓线雷达的沙尘暴沙尘质量浓度定量反演估算方法，其特征在于，所述方法包括：第一步，按照公式(1)计算沙尘暴过程雷达反射率因子Z；$P_r=\frac{{\pi }^3}{1024*ln2}*\frac{P_t{\mathrm{h\tau cG}}^2\theta \psi }{2{\lambda }^2{R}^{2}L}*|\frac{m^2-1}{m^2+1}{|}^2*Z---\left(1\right);$在式(1)中，P_r是接收回波功率，P_t是发射功率，c为电磁波传输速度，τ是脉冲宽度，h是雷达的有效探测高度，G是天线增益，L是双程损耗，θ是水平波束宽度，Ψ是垂直波束宽度，λ是发射的电磁波波长，R是雷达到探测目标物的距离，m是沙尘的复折射指数；第二步，利用公式(2)估算不同高度沙尘粒子的概率p(D_j)；$p\left(D_j\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{a}{\sqrt{2\pi }{\mathrm{\sigma D}}_j}\exp (-\frac{{({\mathrm{lnD}}_j-E)}^2}{2{\sigma }^2})\Delta D---\left(2\right);$在式(2)中，p(D_j)表示直径为D_j的粒子的概率值，N表示离散化的总个数，a是调整因子，σ表示标准方差，D_j表示第j个沙尘粒子的直径，j表示积累变量，E表示期望值，ΔD表示离散化粒子间距。第三步，根据公式(3)计算沙尘数浓度N₀和沙尘谱N(D_j)；$Z=\underset{j=0}{\overset{Max}{\Sigma }}N\left(D_j\right)D_j^6\Delta D=\underset{D_j=0}{\overset{D_{max}}{\Sigma }}{N}_{0}p\left(D_j\right){D_j}^6\Delta D---\left(3\right);$在式(3)中，Z表示雷达反射率因子，N(D_j)表示直径为D_j的沙尘粒子的沙尘粒子谱，j表示积累变量，D_j表示第j个沙尘粒子的直径，p(D_j)表示直径为D_j的沙尘粒子的概率值，Max表示变量j的最大值；第四步，根据公式(4)计算沙尘质量浓度M；$M=\frac{1}{6}\pi \rho \underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}N\left(D_j\right){D_j}^3\Delta D---\left(4\right);$在式(4)中，ρ表示沙尘的密度，N表示粒子总个数，N(D_j)表示直径为D_j的沙尘粒子的沙尘粒子谱，ΔD表示表示离散化粒子间距；第五步，由于反射率因子Z和沙尘质量浓度M都与沙尘谱N(D_j)存在关系，采用最小二乘法方法建立雷达反射率因子Z与沙尘质量浓度M的关系，得到公式(5)；Z＝AM^b   (5)；式(5)中，A和b都是常数系数，完成基于风廓线雷达的沙尘暴沙尘质量浓度定量反演估算。