DE69934779T2

DE69934779T2 - Regenschätzungstechnik für meteorologisches radar mit polarisationsdiversität

Info

Publication number: DE69934779T2
Application number: DE69934779T
Authority: DE
Inventors: Mustapha Ali-Mehenni; Estelle Obligis; Victor Jacques TESTUD
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: FR2774174B1; CA2318455A1; AU2062399A; US6473026B1; JP2002501205A; EP1049944B1; EP1049944A1; JP4183910B2; DE69934779D1; AU748399B2; WO1999038028A1; CA2318455C; FR2774174A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf meteorologische Techniken zur Schätzung einer Niederschlagsrate mittels eines Radars.
Aus Kostengründen arbeiten die Radare des europäischen Netzes im C-Band, einer Frequenz, die beim Durchqueren innerer Regen wesentlich abgeschwächt wird, was die Wiedergabe der Niederschlagsrate komplizierter als im S-Band macht, bei welchem die Abschwächungseffekte eingeschränkter sind.
In den Anwendungen auf die städtische Hydrologie fasst man sogar das X-Band ins Auge, dann aber spielt die Abschwächung durch den Regen eine sehr wichtige Rolle und ihre Berücksichtigung wird entscheidend.
Man kann sich diesbezüglich vorteilhaft auf ihre Veröffentlichung: HITSCHFELD — BORDAN, 1954, "Errors inherent in the radar measurement of rainfall at attenuating wavelengths", J. Meteor, 11, pp. 58–67, beziehen.
Leider erweist sich in einer realen Anwendung, bei der die Daten verrauscht sind und bei der ein (sogar nur ein schwacher) Kalibrierungsfehler vorliegen kann, diese Lösung als numerisch instabil.
Um diesen Nachteil zu beheben, wurde bereits vorgeschlagen, mit einer Polarisationsdiversifizierung zu arbeiten und die differentielle Reflektivität ZDR auszunuten, die das Verhältnis der Reflektivitäten unter Polarisation H und V ist.
Im Lauf seines Falls erfährt ein Regentropfen eine aerodynamische Abflachung, die zur Folge hat, dass sein Streuquerschnitt unter Polarisation H größer ist als unter Polarisation V. In einem Radar, das mit abgeschwächter Frequenz arbeitet, resultiert der Parameter ZDR aus zwei Effekten mit entgegengesetzten Tendenzen: einerseits dem Effekt der differentiellen Rückstreuung (der dazu neigt, ZDR mit der mittleren Größe der Tropfen zu vergrößern), und andrerseits dem Effekt der differentiellen Abschwächung (mit entgegengesetzter Tendenz).
Für ein aktuelles Beispiel der Bestimmung einer Niederschlagsrate mittels eines Radars mit Doppelpolarisation, kann man sich vorteilhafterweise auf die Patentanmeldung FR-2 742 876 beziehen sowie auf die Veröffentlichung: "Polarimetric Radar at Attenuated Wavelengths as a Hydrological Sensor" — M.SAUVAGEOT — Journal of etmosyheric and oceanic technology — Bd.13 — S. 630–637, 1996.
Die Messung des ZDR-Koeffizienten ist jedoch nicht einfach.
Die Änderungsdynamik des ZDR ist ungefähr 1 bis 2 und deckt allerhöchstens einige dB ab. Außerdem benötigt diese Messung eine Kreuzkalibrierung der Kanäle H und V auf ein Zehntel-dB; die Integration über mehrere unabhängige Samples, um die statistische Fluktuation des Signals zu mildern, und sehr gute Leistungen der Antenne (Nebenkeulen bei 30 dB — nach außen gehend — unterhalb der Hauptkeule).
Als Alternative wurde auch vorgeschlagen, insbesondere durch die Veröffentlichung: "Differential propagation Phase shift and rainfall rate estimation" — M. SACHINANDA, D.S. ZRNIC- Radio science — Bd. 21, No. 2, S. 235–247, März-April 1986, einen anderen Parameter auszunutzen, nämlich die differentielle Phase (als Φdp bezeichnet). Tatsächlich betrifft die Verflachung des Regentropfens nicht nur den Rückstreuquerschnitt, der die Asymmetrie σ_H > σ_V (wobei σ_H und σ_V die Wirkungsquerschnitte unter Polarisation H bzw. V darstellen) bewirkt, sondern auch die Propagierung der Radarwelle, deren Wellenvektor genauso in seinem Imaginärteil betroffen ist (die spezifische Abschwächung ist unter Polarisation H stärker als unter Polarisation V, der oben erwähnte Effekt differentieller Abschwächung) wie in seinem Realteil (wobei die Asymmetrie zwischen H und V sich durch eine differentielle Änderung der Phase entlang der Strecke ausdrückt. Nun ist die Ableitung von Φdp entlang des Radius (Änderungsrate von Φdp wird als Kdp bezeichnet) quasi-proportional zur Niederschlagsrate (und folglich Φdp, zur integrierten Niederschlagsrate), was das Interesse erklärt, sie zu messen.
Der Schätzer von Kdp weist zahlreiche Vorteile auf: er ist unempfindlich gegenüber der Abschwächung entlang der Strecke; er ist unempfindlich gegenüber einem Kalibrierungsfehler des Radars; er ist viel weniger als ZDR von den Nebenkeulen der Antenne betroffen; er ist überhaupt nicht von einer partiellen Maske des Antennenstrahlbündels betroffen (was systematisch geschieht, wenn bei geringer Höhe gearbeitet wird).
Er weist indessen den Hauptnachteil auf, dass er stark verrauscht ist, denn er resultiert aus der Ableitung entlang des Strahlungsbündels von Φdp. Die Messung von Kdp erfordert also eine Langzeitintegration, die inkompatibel mit der hydrologischen Anwendung ist, die ein schnelles Abtasten der Radarstrahlung verlangt.
Die Erfindung schlägt, was sie angeht, eine Technik vor, die erlaubt, die Nachteile vorheriger Techniken zu beheben, und die eine einfache, verlässliche und robuste Verarbeitung einsetzt, insbesondere gegenüber dem statistischen Messungsrauschen (was eine schnelle Abtastung erlaubt).
Noch genauer schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Schätzung einer Niederschlagsrate mittels eines bipolaren Radars gemäß Anspruch 1 vor.
Insbesondere wird eine Schätzung des Werts K(r₀) der Abschwächung in r₀ aus der Gleichung bestimmt:
wobei:
und b ist der Exponent der Potenzrelation K(r) = aZ(r)b und wobei γ der Proportionalitätsparameter zwischen der spezifischen Abschwächung und der differentiellen Änderungsrate der Phase ist.
Vorzugsweise wird eine Schätzung K(r) der spezifischen Abschwächung in Abhängigkeit von r aus der Gleichung bestimmt:
Vorteilhafterweise misst man die abgeschwächte Reflektivität Z für beide Polarisationen H und V, und für beide dieser Polarisationen wird die Niederschlagsrate R(r) für einen gegebenen Streckenradius r bestimmt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Schätzung einer Niederschlagsrate, welche ein bipolares Radar sowie Verarbeitungsmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Radar Mittel zum Messen der differentiellen Phase Φdp und der abgeschwächten Reflektivität Z gemäß wenigstens einer der Polarisationen H oder V umfasst und dadurch, dass die Verarbeitungsmittel die verschiedenen Verarbeitungsschritte des Verfahrens gemäß Anspruch 1 einsetzen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die rein veranschaulichend und nichteinschränkend ist und im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollte, in denen:
die 1a und 1b Graphen sind, auf denen Streudiagramme aufgetragen wurden, die die Relevanz einer Parameterdarstellung veranschaulicht, die in einem Ausführungsmodus der Erfindung verwendet wird;
die 2 eine Vorrichtung für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht;
die 3a bis 3c, 4a bis 4c, 5a bis 5c Graphen sind, in denen angenommen wurde, dass das Radarstrahlenbündel zwei Regenzellen in Gaussform schneidet, und auf denen die Parameter Z, K und R für unterschiedliche Parameterwerte des Parameters N₀ (näher in der Beschreibung definiert) der Ausdehnungsverteilung der Regentropfen aufgetragen wurden.
die 6 ein Graph ist, auf dem eine Simulation von Änderungen für den Koeffizienten N₀ in Abhängigkeit des Streckenradius r aufgetragen wurde.
die 7a bis 7c Graphen sind, auf denen für den Fall, dass N₀ variabel ist, die für die Parameter Z, K und R erhaltenen Parameter aufgetragen wurden;
die 8a bis 8c und die 9a bis 9c Graphen sind, auf denen die für absolute Blase von 2dB bzw. 5dB und für einen Wert von N₀ und einer Entnahme gleich 8000 erhaltenen Parameter Z, K und R aufgetragen wurden;
die 10a bis 10c und 11a bis 11c Figuren ähnlich zu denen der 8a bis 8c und 9a bis 9c sind im Fall relativer Biase, die zu 0.2 dB bzw. 0.5 dB genommen wurden;
die 12a bis 12c und 13a bis 13c Graphen sind, auf denen die für die Parameter Z, K und R erhaltenen Werte im Fall der Wiedergabe aus einer Anzahl an Samples von 60 und einer Anzahl von Samples gleich 10 aufgetragen wurden;
die 14a bis 14c Graphen sind, auf denen die für die Parameter Z, K und R im Fall einer maximalen Regenrate von 200 mm/Stunde und eines verrauschten Signals erhaltenen Werte aufgetragen wurden;
die 15a bis 15d Histogramme sind, die eine mögliche Kalibrierungstechnik veranschaulichen;
die 16a bis 16c Streudiagramme sind, die eine andere mögliche Kalibrierungstechnik veranschaulichen.
Das nun beschriebene Verfahren setzt eine Verarbeitung der differentiellen Phase Φdp und der abgeschwächten Reflektivität Z_H (oder Z) gemäß einer Polarisation H (oder V) (Reflektivität Z im folgenden Text) um.
In einem ersten Schritt wird für den radialen Abstand r ausgehend von der Radarantenne ein Intervall [r₁,r₀] bestimmt, in dem die Daten Z und Φdp kontinuierlich verfügbar sind.
Man weiß, dass die Hitschfeld-Bordan Gleichung wie folgt geschrieben wird:
mit u = Z/Z₀, wobei Z₀ die nicht abgeschwächte Reflektivität ist und Z die ersichtliche Reflektivität, und wobei a und b die beiden Parameter des Potenzgesetzes K = aZ_o ^b sind, in dem K die spezifische Abschwächung ist. Es sei daran erinnert, dass a stark variabel ist, wohingegen b fest ist.
Die Lösung dieser Gleichung (1) ist, wenn man zwischen zwei Grenzen r₁ und r₂ integriert:
Indem man (2) zwischen r und r₀ ausdrückt, kommt man zu:
wobei
und wobei K = aZ₀ ^b
Die Gleichung (3) liefert einen Schätzer von K(r), den man durch die Information von Φdp versucht einzuschränken, indem K(r₀) angepasst wird. Hierfür wird (3) transformiert zu
Nun ist die Ableitung der Phase Φdp nach der Strecke r oder Änderungsrate der differentiellen Phase Kdp eine quasi-lineare Funktion der spezifischen Abschwächung K (d.h. K_H oder K_V, gemäß der Polarisation, auf der man arbeitet).
Daraus folgt,
wobei γ ein bekannter Proportionalitätsparameter ist d.h.:
d.h., nach der Integration:
wobei ΔΦ = Φdp(r₀) – Φdp(r₁).
Aus dieser Abschätzung von K(r₀) wird K(r) in jedem Punkt des Intervalls [r₁,r₀] aus der Gleichung (3) bestimmt.
Man findet somit:
Es sei angemerkt, dass das Interesse an dieser Formel darauf beruht, dass sie einerseits eine unabhängige Lösung K(r) des Parameters a liefert, der genau am fluktuierendsten ist, und andrerseits, dass sie sich eine differentiellen Messung der differentiellen Phase zu Nutze macht, die viel leichter als eine absolute Messung zu erreichen ist.
Dies erlaubt den Wert der Niederschlagsrate R(r) zu schätzen, indem zum Beispiel zu diesem Zweck Diagramme verwendet werden, die R(r) in Abhängigkeit von K(r) für mehrere Werte des Parameters a angeben, der selbst aus der folgenden Relation bestimmt werden kann: K(r0) = aZ0(r0)b
Indem man die Verarbeitung umsetzt, die gerade für beide der Polarisationen H und V beschrieben wurde, verfügt man am Ende über zwei Schätzungen von R, die gekreuzt werden können, um einen Endwert zu validieren.
In einer Ausführungsvariante, die eine noch größere Analysegenauigkeit erlaubt, wird die "universellen" Parameterrelationen zwischen der echten Reflektivität (nicht abgeschwächt) Z₀ (mm⁶m^–3), der spezifischen Abschwächung K(db·km^–1), der spezifischen differentiellen Phase K_DP (deg·km^–1) und der Niederschlagsrate R (mm·hr^–1) verwendet; so dass man schreibt: K = a[N0 *](1–b)·Za b R = c[N0 *](1–d)·Kd K = γ2 KDP wobei die Parameter a, b, c, d, γ (für eine gegebene Temperatur) bekannt sind, und wobei N₀ ein charakteristischer Parameter der Ausdehnungsverteilung N(D) [numerische Dichte der Regentropfen pro Durchmesserintervall in m^–4] der Regentropfen, die vorgeschlagen wird um den Algorithmus N₀ ^*(m^-4) zu bestimmen, wird in Abhängigkeit des Flüssigwassergehalts W(g/m^–3) und des mittleren Volumendurchmessers D₀ ausgedrückt als N0 * = [181/(πρw]W/D0 4 (wobei ρ_w die Dichte des Wassers in g/m³ ist)
Die Relevanz dieser Parameterdarstellung wird durch die 1a und 1b veranschaulicht, auf denen man einerseits das Streudiagramm der Relation R-Z, erhalten aus 11853 Spektren N(D), die durch Sonde an Ort und Stelle im Zentrum des Flugexperiments TOGA-COARE gemessen wurden und andrerseits das selbe Diagramm nach Normalisierung jedes der Parameter durch N₀ (das Flugexperiment TOGA-COARE fand im Westpazifik zwischen November 1992 und Februar 1993 statt, wobei der PMS-Sensor auf das Flugzeug Electra von NCAR montiert wurde. Die Primärverarbeitung der Daten wurde von R. BLACK von der NOAA (HRD Miami) gemacht. Die Daten sind über den Server von HRD Miami verfügbar).
Ein Schätzer von N₀ ist gegeben durch:
Man berechnet nun R(r) zwischen r₁ und r₀, indem man K(r) und den Wert von N₀ in die Relation substituiert: R = c[N0 *](1–d)·Kd (11)
Die gerade beschriebene Verarbeitung wurde mit einer Apparatur von dem in der 2 veranschaulichten Typ getestet, welche umfasst:

– einen Sender 1;
– einen Leistungsteiler 2 bei 3dB, der das Signal am Ausgang von Sender 1 empfängt;
– einen Moden-(oder Orthomoden)-Extrahierer 3, der über zwei Kanäle H und V mit den Ausgängen eines Leistungsteilers 2 verbunden ist;
– eine Hornantenne 4, welche die beiden Polarisationen H und V sendet oder empfängt;
– zwischengeschaltete Zirkulatoren 5 (T-Filter), auf den Kanälen H und V, zwischen dem Modenextrahierer 3 und dem Leistungsteiler 2;
– einen Phasenschieber 6, der, auf dem V-Kanal, zwischen den Leistungsteiler 2 und den Modenextrahierer 3 geschaltet ist;
– Empfangsmittel 7, die für die Kanäle H und V mit den Zirkulatoren 5 verbunden sind;
– ein Oszillator 9, der den Sender 1 und die Empfangsmittel 9 synchronisiert;
– Mittel 8 zum Sampeln und dann zum Verarbeiten der Ausgänge I und Q dieser Empfangsmittel 7, wobei diese Verarbeitungsmittel 8 die Bestimmung ausgehend von den Parametern ZH, ZV und Φdp, die in komplexer Notation

ZH,V = [III, v 2 + QH, V 2]1/2 und ΦDP = 1 arg [(IH + iQH)·(IV – iQV)] genügen, wobei I H,V

_H,V

Diese Verarbeitungsmittel 8 setzen die Verarbeitung der oben beschriebenen Bestimmung um.
Die Betriebsparameter dieser Vorrichtung waren die folgenden:

– Detektionsschwellwert des Radars bei 0 dB SNR und bei 10 km: 0 dBZ;
– Anzal unabhängiger Samples N_i in der Auflösungszelle: 10 oder 60
– Radialauflösung: 75 Meter
– Messrauschen von Φdp: ±1 Grad (für N_i = 60), und ± 3 Grad (für N_i = 10)
– Exponentielle Ausdehnungsverteilung der Tropfen: N(D) = N₀ exp(–ΛD) [wobei D der mittlere Durchmesser der Tropfen ist, und wobei der Durchmesser A ein Parameter ist], wobei N₀ konstant entlang dem Radial ist (mit den folgenden Werten: 800, 8000 [Wert von Marshall und Palmer], 80000, oder kontinuierlich variabel proportional zu R.

Unter diesen Bedingungen wurden die folgenden verschiedenen Ergebnisse erreicht:
1) N₀ ^* konstant
Die 3a bis 3c, 4a bis 4c, 5a bis 5c stellen wiedergegebene Regenraten für ein No dar, das konstant auf dem Radial und vom Wert 800, 8000 bzw. 80000 ist. In diesen drei Fällen sieht man, dass die wiedergegebenen Regenraten sehr nahe an den simulierten Regenraten liegen, und dass der wiedergegebene Wert des Parameters N₀ ^* jedes Mal relativ nahe an dem für die Simulationen verwendeten liegt.
2) N₀ ^* variierend mit der Regenrate
Die Erfinder haben die Verarbeitung auch auf Simulationen getestet, die immer realistisch sind, aber mit einem von der Regenrate abhängigen N₀ ^* durchgeführt werden, das mit der Realität ausreichend übereinstimmt, was aber die Wiedergabe der Niederschlagsrate "ziemlich gefährlich" macht. Die zwischen N₀ ^* und der Niederschlagsrate verwendete Relation ist die folgende:
Für Regenraten, die von 0 bis 80 mm/h variieren, sieht man, dass der Parameter N₀ ^* einen sehr großen Bereich durchläuft, der mehr als eine Dekade abdeckt. Zur Orientierung wurden in der 6 die Änderungen von N₀ ^* auf dem simulierten Radial dargestellt. Die mit der vorhin beschriebenen Verarbeitung erhaltenen Wiedergaben werden in den 6a bis 6c dargestellt. Die maximal beobachtete Abweichung ist in der Größenordnung von 20%, was im Fall "solch ungünstiger" Simulationen vernünftig erscheint.
Effekte relativer und absoluter Biase
Die 8a bis 8c und 9 bis 9c stellen die mit einem absoluten Bias von 2dB bzw. 5dB erhaltenen Ergebnisse dar. Ein Wert eines absoluten Bias von 2dB bewirkt einen nicht vernachlässigbaren Fehler auf der Schätzung des Parameters N₀, beeinträchtigt aber nicht die Wiedergabe, da sich ja die wiedergegebenen Regenraten nur um ein paar Prozent von denen unterscheiden, die simuliert wurden. Dagegen scheint ein absoluter Bias von 5dB schwerwiegend zu sein. Die im Fall relativer Biase von 0.2 dB und von 0.5 dB erhaltenen Ergebnisse, die in den 10a bis 10c und 11 bis 11c dargestellt sind, zeigen die geringe Empfindlichkeit dieses Algorithmus gegenüber einem relativen Kalibrierungsfehler zwischen den beiden Polarisationen.
4) Auswirkungen von Rauschen
Die Erfinder haben die Auswirkung von Rauschen auf den Wiedergaben im Fall einer Anzahl an Samples von 60 (12a bis 12c) und im ungünstigeren Fall von 10 Samples (13a bis 13c) getestet. In diesen beiden Fällen weist das Messen der integrierten Phase ein Rauschen von 3 Grad auf. Die Wiedergabe wird durchgeführt, solange das Signal-Rausch-Verhältnis ausreichend ist. Für eine maximale Regenrate von 80 mm/h ist das bis zu einer radialen Entfernung von ungefähr 19 km der Fall. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen das sehr stabile Verhalten des KDP-Algorithmus. Unter diesen Bedingungen sind Korrelationskoeffizienten oberhalb 0.95 und Biase unterhalb 4 mm/h vollkommen zufriedenstellend.
5) Fall sehr starker Regenraten
Die Erfinder haben die Robustheit des Algorithmus im Fall starker Regenraten bis zu 200 mm/h und einem verrauschten Signal verifiziert. In diesem Fall geht das Signal ziemlich schnell im Rauschen unter, und offensichtlich wird es unmöglich, die zweite Zelle von Niederschlägen wegen der sehr starken Abschwächung des Radarsignals durch die erste wiederzugeben. Jedoch sind die bis zu ungefähr 10 km erhaltenen Regenraten kohärent, und die Gesamtheit der ersten Niederschlagszelle wird sehr angemessen wiedergegeben (14a bis 14c).
Die Verarbeitung wurde auch in anderen Bändern als dem X-Band und insbesondere im C-Band und im S-Band getestet. Die erhaltenen Ergebnisse sind ganz genauso zufriedenstellend wie im X-Band.
Somit verfügt man mit der gerade beschriebenen Verarbeitung über einen Schätzer der Niederschlagsrate, der besonders stabil gegenüber Rauschen und/oder dem Bias auf den Reflektivitäten und auf der Phase ist. Diese Verarbeitung schafft es, einschließlich in den schwierigen Fällen (große Regenrate, N₀ ^* schnell variierend mit der Regenrate) die Niederschlagsrate auf sehr ermutigendende Weise wiederzugeben.
Die Verarbeitung der Daten ist genau so lange möglich, wie das Signal-Rausch-Verhältnis größer als 1 ist. Unter diesen Bedingungen übersteigt der Bias auf dem Schätzer von R 5% und dessen Standardabweichung 10% nicht. Die Leistung des Schätzers ist unabhängig von N₀ ^* (wenn er entlang dem Radial als konstant angenommen wird), und wird nur leicht verschlechtert unter den Bedingungen, wo N₀ ^* variabel ist. Eine absolute Kalibrierung des Radars auf ±2 oder 3 dBZ genügt, um diese Leistungen sicherzustellen. Diese Kalibrierung wird nur benötigt, um die Relation R-K zu verfeinern, ausgehend von der man den Schätzwert von R vornimmt. Keine Spezifikation ist erforderlich, was die relative Kalibrierung der Kanäle H und V angeht.
Es können mehrere Kalibrierungstechniken ins Auge gefasst werden.
Gemäß einer von ihnen vergleicht man das Histogramm der durch das Pluviospektrometer am Boden beobachteten N₀ ^* dem Histogramm der N₀ ^*, die durch das Radar auf einer großen Anzahl an Radien erlangt wurden. In Anwesenheit eines Kalibrierungsfehlers der Reflektivität δC misst man nun δC.Z im Glauben Z) zu messen, der Schätzer von N₀ gegeben durch (10) wird dann mit dem Faktor (δC)^–b/(1–b) multipliziert.
Indem man das am Boden gemessene Histogramm und das durch das Radar gemessene korreliert, wird δC bestimmt. Wenn man Ober kein Pluviospektrometer am Boden verfügt, kann eine ziemlich präzise Kalibrierung erhalten werden, indem man bewirkt, dass das Histogramm der N₀ ^*, das am Boden gemessen wurde, auf den Wert von Marshall und Palmer (N₀ = 0.8·10⁷ m^–4) nach Rekalibrierung zentriert wird. Eine Veranschaulichung dieser Kalibrierungstechnik ist in den 15a bis 15c gezeigt, die das Histogramm von N₀ ^* darstellen, die aus einem Volumen-Abtasten des Radars von Darwin (C-Radarband polarimetrisch) wiedergegeben werden, (a) indem man die gemessenen Reflektivitäten so beläßt wie sie sind, (b) indem man sie um 1 dB heraufsetzt, (c) indem man sie um 1 dB wieder herabsetzt.
Indem man diese Histogramme mit dem "realen" Histogramm von No vergleicht, d.h. wie es im gleichen Gebiet aus Daten aus dem Flugzeug von TOGA-COARE (siehe 15d) bestimmt wurde, sieht man, dass das Herabsetzen um 1 dB es ermöglicht, das mit der durch die Erfindung vorgeschlagenen Verarbeitung erhaltene Histogramm und das reale Histogramm in Übereinstimmung zu bringen.
Gemäß einer anderen Kalibrierungstechnik, die vorteilhaft die gerade beschriebenen Techniken vervollständigt, verwendet man die folgenden anderen "universellen" Relationen:

(i) zwischen R, K und ZDR (wobei ZDR = ZH/ZV) R = K·(ZDR)f (12)
(ii) zwischen der differentiellen Abschwächung K_H – K_V und der Abschwächung unter Polarisation H, K_H: KH – KV = α[N0 *]1–βKH β (13)wobei α, β und f bekannte Parameter sind.

Man berechnet ZDR durch:
Dann berechnet man R durch (12).
Man vergleicht nun statistisch (in einem Streudiagramm) zwei unabhängige Schätzer der Niederschlagsrate (der Schätzer (12) und der durch (11) gegebene).
Man gleicht nun δC an, um die optimale Kohärenz zu erhalten. Für dieselbe Gesamtheit an Daten veranschaulichen die Streudiagramme in den 16a bis 16c diese Technik.
In der 16a hat man ein Streudiagramm zwischen dem Schätzer (11) [nur aus K hergeleitet] und dem Schätzer (12) [aus K und ZDR hergeleitet] aufgetragen. Hier werden die gemessenen Reflektivitäten im Originalzustand verwendet, und es wird darauf hingewiesen, dass (12) um 12% in Bezug auf (11) überschätzt.
In der 16b hat man ein Streudiagramm zwischen dem Schätzer (11) [nur aus K hergeleitet] und dem Schätzer (12) [aus K und ZDR hergeleitet] aufgetragen. Hier werden die gemessenen Reflektivitäten um 1 dB heraufgesetzt, und es wird darauf hingewiesen, dass (12) um 21 % in Bezug auf (11) überschätzt.
In der 16c hat man ein Streudiagramm zwischen dem Schätzer (11) [nur aus K hergeleitet] und dem Schätzer (12) [aus K und ZDR hergeleitet] aufgetragen. Hier werden die gemessenen Reflektivitäten um 1 dB herabgesetzt, und es wird auf die perfekte Übereinstimmung (auf 2% genau) zwischen (11) und (12) hingewiesen.
Somit wird der beste Zusammenhang erneut erreicht, indem ein Absenken der Reflektivitäten um 1 dB berücksichtigt wird.
Der gerade beschriebene Regenratenschätzer ist besonders vorteilhaft im Fall der Schätzung des Regens auf Niederschlagsgebiete zur Überwachung der Hochwasser und der Verwaltung der Wasserressourcen. Diese Überwachung und diese Verwaltung beruhen heute auf Oberflächenwasser-/Einsickerungsmodellen deren Haupteinschränkung, was die Vorhersageleistung angeht, an einer schlechten Kenntnis des in das System eingehenden Wasserstreifens liegt.

Claims

Verfahren zur Schätzung einer Niederschlagsrate mittels eines bipolaren Radars, bei dem mittels des bipolaren Radars die abgeschwächte Reflektivität Z gemäß wenigstens einer der Polarisationen H oder V gemessen wird, und das durch die verschiedenen folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Messen der differentiellen Phase Φdp sowie der abgeschwächten Reflektivität Z mittels des bipolaren Radars, auf einem gegebenen Intervall [r₁, r₀] des Streckenradius r bezüglich des Radars, gemäß wenigstens einer der Polarisationen H oder V, – Bestimmen einer Schätzung des Werts K(r₀) der Abschwächung in r₀ aus der Gleichung:
wobei:
und b der Exponent der Potenzrelation K(r) = a[Z0(r)]b ist (Z₀: nichtabgeschwächte Reflektivität) und wobei γ der Proportionalitätsparameter zwischen der spezifischen Abschwächung und der differentiellen Änderungsrate der Phase ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Abschätzung K(r) der spezifischen Abschwächung in Abhängigkeit von r aus der Gleichung
bestimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Niederschlagsrate R(r) aus der Relation R = c[N0 *](1–d)·Kd.bestimmt, wobei c und d Parameter sind und wobei N₀ ^* gegeben ist durch:
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die abgeschwächte Reflektivität Z für beide der Polarisationen H und V misst, und dadurch, dass man für beide dieser Polarisationen die Niederschlagsrate R(r) für einen gegebenen Streckenradius r bestimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Eichung durch Vergleich geschätzter Histogramme mit einem realen Histogramm einsetzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Eichung durch Zentrieren eines Histogramms auf den Wert von Marshall und Palmer einsetzt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Eichung durch statistischen Vergleich von zwei unabhängigen Schätzern der Niederschlagsrate verwendet.
Vorrichtung zur Schätzung einer Niederschlagsrate, welche ein bipolares Radar sowie Behandlungsmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Radar Mittel zum Messen der differentiellen Phase Φdp und der abgeschwächten Reflektivität Z gemäß wenigstens der einen der Polarisationen H oder V umfasst und dadurch, dass die Behandlungsmittel die verschiedenen Behandlungsschritte des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche einsetzen.