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文章来源 | 公众号投稿微信
做者 | shalimyy（中国地质大学在读博士）网络
交流 | shalimyy@163.com 、Catherine.lee@starinnov.comapp
Richard Ney & Erwan Bouar机器学习
(Novimet, France)编辑器
本文主要为X波段天气雷达在火灾范围探测中的应用提供参考，并讨论了双极化技术在火灾探测中的贡献。
函数
与火有关的三种现象：学习
火自己flex
烟羽（smoke plume）
碎片羽（debris plume）
烟羽是由烟雾气溶胶粒子 (直径~ 1 - 10µm)组成，天气雷达(S波段,C或X波段)没法检测到上述直径大小的气溶胶颗粒。碎片羽主要由燃烧残骸组成，灰烬微粒直径为100µm- 10mm,容易被天气雷达探测到。
换句话说，当说起用天气雷达探测火灾时，实际指的是探测碎片羽的信号。
图1为摘自Christopher和Jones (2010)的一系列反射率图（经纬度网格）。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)管理的四个单极S波段WSR-88D天气雷达网（黑色圆圈）观测到的，发生于不一样地点(标记为F1到F4)的草原火灾。经过加强的反射率，碎片羽流清晰可见，反射率从+5 dBZ延伸到+30 dBZ（见图2）。
图1：摘自Jones和Christopher (2010)图3. (a)–(f)为2009年4月9日19:00-23:30 UTC WSR-88D的反射率数据(dBZ)（来自KDYX，KFDR，KFWS和KTLX四个雷达站），各雷达站的位置已在（a）中用黑色圆点标注。雷达数据高度约1m，水平分辨率为1km。经反射率放大后，碎片羽结构清晰可见，部分碎片羽流长度可达100Km。在KFWS以及KTLX雷达站附近可探测到干线以及干线的东移。各图中叠加的红色菱形为图示时间±30分钟内，对每一个碎片羽进行 “风暴单元”（SCIT）检测。
图2：摘自Jones和Christopher (2010)图6，19:30 UTC在31°至34.5°N之间的KDYX、KFDR、KFWS和KTLX雷达反射率数据横截面图(从左至右)，分别对应来自F一、F2和F3的三个碎片羽。红点表示每次火灾从SCIT探测到的碎片羽流，做为每次探测的喷射高度的函数。
Roger和 Brown(1997)经过两个雷达观测资料研究了一个蒙特利尔郊区(加拿大)的工业火灾,这两个雷达分别为：X波段(λ~3 cm)垂直指向雷达（VPR）和超高频雷达（UHF）(λ~33厘米)。UHF波段羽流的反射率系数比X波段高20—30dB(见图3)，这多是由如下两个因素形成的:
羽流中存在直径约为10毫米的粒子，这些粒子太大，不知足X波段的瑞利散射近似;
火灾产生的加热和湍流混合致使了较高的折射率，并在超高频波段产生强烈的回波。
做者对第二点作出评价：若是上述湍流效应在X波段没法单独观测到，那么只要有灰烬示踪物存在，就有可能显示加强的多普勒谱宽值。
图3：摘自Roger和Brown(1997)图6. 1800 m高度，45min观测时间内测得的UHF反射率因子与X波段反射率因子的对比散点图。图中还绘制了两个雷达在10小时后的小雨中测量到的反射率。雨点位于一条斜率为1的直线附近，说明两个波长的反射率因子相同，与瑞利散射一致。烟点位于该线之上，代表UHF波段的反射率因子大于X波段。
图4：摘自Banta等(1992)图4。1988年9月10日，16：32 UTC雷达观测到 “Left Hand Canyon”（左手峡谷）火灾喷出的烟柱。观测来自2°仰角的水平扇形扫描。距离圈为10千米，方位间隔为30°。上图：多普勒风速图；接近雷达的速度为负。沿羽流中心线的风速较轻，而边缘的风速则较强。下图：雷达反射率(dBZ)。
Banta等人(1992)使用具备极化功能的X波段雷达数据研究了两次森林火灾的烟雾柱。雷达可追踪到30千米范围内的碎片羽流(见图4)。圆退极化比测量代表粒子具备很强的去极化性，表示从侧向观察到的针状或薄片状的颗粒。
在羽流源附近，由灰烬和部分燃烧碎片组成的颗粒被大火加热产生的巨大浮力抛到大气中。羽流源附近的信号强度比距离28km处的最小探测信号高约20dB。
在羽流内部，反射率值在+10到+20dBZ之间。Jones等人观察到一场公寓火灾产生的羽流，该火灾距离其C波段双偏振雷达ARMOR 5千米（见图5和图6）。在将近一小时内，雷达能够看到碎片羽结构。
图7总结了观测到的碎片羽流特征与晴空边界层涡旋特征的区别。注意，因为信号太弱（反射率很弱）接近噪声水平，所以认为提升了图5和图7中晴空的ZDR值是。事实上，干净的空气对偏振不敏感，ZDR应该在0dB左右。
据做者讲诉，公寓火灾的偏振特性与观察到的草地火灾很是类似。碎片羽流和其余大气现象之间的区别显而易见。在这两种状况下(公寓火灾和草地火灾)，碎片羽流的特征以下：
反射率适中（10至20dBZ）；
低同极相关性（<0.5）；
ZDR始终为正；
差分相域，不一样于其余大气现象。
碎片羽还有以下特征：
加强的ZDR纹理
加强的差分相位纹理
其余火灾案例显示，偏振雷达一样可观测到上述特征（图8为佛罗里达S波段WSR-88D雷达）。
图5：摘自 Jones等人（2009）图1。2008年3月3日19：30 UTC位于HSV的ARMOR雷达在0.7八、1.38和2.08的仰角扫描，(a)–(c)为反射率Z(dBZ)，(d)–(f)为差分反射率ZDR(dB)。背景图中的距离圈间隔为5千米，红点表示公寓的位置。火、对流卷以及云的特征在图上标注。
图6：摘自Jones等(2009)图4。同图5，但(a)-(c)为rhv，(d)-(f)为ΦDP。需注意，与烟羽数据相关的rhv远低于西北部的云特征
图7：摘自Jones等（2009）图2。（a）Z，（b）ZDR，（c）rhv以及（d）ΦDP直方图，用于与火灾和碎片羽相关的ARMOR数据（黑色）以及与边界层对流涡旋相关的数据（灰色）。
图8：摘自Luchs和Pendergrast（2013）图1。KJAX于2012年4月6日19:46 UTC的观测图.从左上方起顺时针分别为:反射率,差分反射率,回波顶部以及相关系数。
结论与总结
天气雷达(S波段,C或X波段)没法探测到烟羽流中的粒子,但能够探测到火灾中的碎片羽(由100µm和10mm的粒子组成)。碎片羽中的颗粒表现出很强的去极化特征，表示侧向观测时呈针状或薄片状颗粒。X波段雷达对碎片羽流的探测至少能够达30千米。与之相关的反射率值为10到20 dBZ。
在火源附近，碎片羽流湍急特征明显。所以，谱宽极可能比周围的大气现象要大。粒子受到湍流的随机扰动，产生强的去极化后向散射信号。从本汇编中能够推导出识别火灾的五种隶属特征:
反射率因子0-20dBz (x波段);
多普勒谱宽;
ZDR纹理;
ΦDP纹理;
ΦDP均值，与周围环境造成对比。
参考文献
Banta R. M., L. D. Olivier, E. T. Holloway, R. A. Kropfli, B. W. Bartram, R. E. Cupp, andM. J. Post (1992): Smoke-column observations from two forest fires using Doppler Lidar and Doppler radar. J. Appl. Meteor., 31, 1328-1349.
Jones T. A. and S. A. Christopher (2010): Satellite and radar remote sensing of southern plains grass fires: A case study. J. Appl. Meteor. Climatol., 49, 2133-2146.
Jones T. A., S. A. Christopher, and W. Petersen (2009): Dual-Polarization Radar Characteristics of an Apartment Fire.J. Atmos. Oceanic Technol.,26, 2257–2269.
Luchs S. and J. Pendergrast (2013): Using dual polarimetric radar to assess prescribed and wildland fire intensity in Florida. Extended abstract of the 17th Conf. on IOAS-AOLS, Poster 233. Austin (TX), USA, Jan 05-10 2013.
Rogers R. R. and W. O. J. Brown (1997): Radar observations of a major industrial fire. Bull. Amer. Meteror. Soc., 78, 803-814.
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