W波段和Ka波段云雷达探测回波对比分析

通过分析W波段和Ka波段云雷达同时探测回波的差异,验证了W波段云雷达初样机的探测性能。结果表明：1）W波段云雷达初样机工作稳定,两个波段雷达都可以探测云层、云的边界、云厚等宏观参数,也可以反映出云的精细结构及云内微物理参数的变化,回波强、速度小、谱宽大的冰晶云含有上升气流及较多过冷水。2）增强模式的W波段云雷达在近地面探测雾、霾的能力比Ka波段云雷达强;两部云雷达对云层较薄的云探测能力基本相当,对多层云、云层较厚、含水量较多的云及降水的探测,由于强衰减的作用,W波段雷达所测云厚度小、云顶低、回波强度小,并且非瑞利散射也会造成W波段雷达的回波强度降低。     

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数k_c之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优k_c-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段k_c-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳k_c-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用“φ≤10%或20%”来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致“可订正厚度”减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。      

机载雷达探测数据仿真平台设计与实现

为了便于研究诸多因素对云降水雷达探测回波强度的影响,设计开发了雷达探测回波强度定量计算软件,即雷达探测数据仿真平台"SimRAD"(Simulating airborne Radar detection and Data processing),通过输入雷达发射频率,大气状态参数(高度、气压、气温、相对湿度)以及水成物相态、滴谱分布、含量等信息,使用云降水雷达观测和衰减订正理论进行计算,可以模拟出水成物的雷达回波强度以及水成物和大气衰减的垂直廓线,并且可以对雷达回波进行衰减订正。     

联合遥感技术对X波段雷达反射率的衰减订正

由于在使用X波段雷达时,必须要对雷达反射率进行衰减订正,本文发展了X波段雷达和微波辐射计联合遥感技术对雷达反射率进行衰减订正的方法。并选用两个不同降水系统个例(积层混合云降水和层状云降水),分析了联合遥感方法的订正效果,结果表明,联合遥感方法可对雷达反射率进行有效的衰减订正,订正后雷达回波的空间结构、回波强度和路径分布较为合理,订正后雷达反射率因子平均值在两个个例中分别增加1.71 dBZ和0.84 dBZ,略小于双偏振方法订正后的结果。     

上海浦东X波段双线偏振雷达衰减订正效果分析北大核心CSCD

降水对X波段雷达电磁波的显著衰减,造成了回波弱化现象,带来了定量应用不准确的问题。为了减轻降水衰减对雷达数据的影响,用Z-K_(DP)(反射率因子-差分传播相位常数)方法对上海浦东气象局的X波段雷达反射率因子进行订正试验,具体方案为:当K_(DP)≥0.3°·km^(-1)时,用K_(DP)的值进行订正;当K_(DP)<0.3°·km^(-1)时,使用雨滴谱拟合A(衰减系数)和Z间的经验公式做衰减订正。选取对流性降水个例(2020年9月17日)和稳定性降水个例(2021年2月26日)进行衰减订正试验,经过衰减订正和系统偏差订正后,X波段雷达反射率因子与S波段雷达的反射率因子大小相当,回波形态相似,验证了该订正方法适用于对流性降水和稳定性降水的X波段雷达反射率因子的衰减订正。     

网络化衰减订正方法在北京X波段网络化雷达中的应用

衰减是影响X波段雷达数据质量的主要因素之一,直接影响到X波段雷达在强对流监测预警中的应用效果。文中在分析中、外雷达衰减订正方法的基础上,选择并改进了一种利用雷达网中不同雷达相互订正的方法,该方法通过不断迭代运算,使订正误差达到最小,形成了适合于网络化X波段雷达的反射率因子衰减订正方法。订正结果与原始雷达数据以及差分相位（${\phi _{{}_{{\rm{DP}}}}}$）订正法结果进行对比,并且还同时与北京S波段雷达观测数据进行了对比。结果表明：衰减订正对X波段雷达穿透强降水后的回波以及探测距离较远的回波效果比较明显,订正后的回波与S波段雷达观测结果比较吻合。     

不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题,常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息,该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论,以期改进衰减订正方法。对2014—2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明:3部雷达功率谱谱型基本一致,具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降,当降水下落末速度达临界速度时,会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短,受衰减影响越大,衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移,最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水,单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大,此时需要考虑降水粒子谱分布,在功率谱层面上对订正进一步改善。     

长江流域多普勒雷达回波强度资料对比分析

利用2002年夏季长江中下游外场试验中几对双多普勒天气雷达资料，对比分析了同一时间、同一位置的S波段与C波段雷达的CAPPI和部分PPI回波强度资料。分析结果显示，宜昌和荆州雷达回波强度统计分布一致性较好，合肥、马鞍山、无为三部多普勒雷达回波强度统计分布一致性相对较差。回波强度资料的散点图表明，不同雷达回波强度资料之间的相关性较低。另外进一步证实C波段雷达在大范围降水区域需要进行降水的衰减订正。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

网络化多普勒天气雷达反射率因子的衰减订正

利用国内第一个网络化雷达试验平台的观测资料,基于网络化雷达反射率因子衰减订正算法,对观测数据进行衰减订正。并与单部雷达自适应约束算法和常州S波段雷达观测资料进行比较分析,结果显示订正方案合理。个例分析表明,经过雨区后单部雷达探测的回波强度较弱甚至探测不到,而网络化雷达可以利用多部雷达的共同观测,弥补单部雷达探测上的不足,体现出网络化雷达衰减订正的优势。