CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别技术

双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上,对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进,利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估,并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明:总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%,降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%,有待尝试利用深度学习方法改进。     

S波段WSR-88D双偏振雷达观测非降水回波识别方法研究

与新一代天气雷达相比,双偏振雷达能发射水平和垂直极化偏振波,具有更多的测量信息,利于区分降水和非降水回波,在雷达定量估测降水中发挥着重要作用。本文根据双偏振雷达的测量变量(水平反射率、差分反射率和相关系数)及降水与非降水回波的结构特征,发展了一套S波段双偏振雷达数据质量控制算法,重点研究晴空回波和生物回波的识别。利用上海南汇WSR-88D偏振雷达的观测数据做测试和评估,评估结果表明该算法对南汇偏振雷达非降水回波识别准确率达93%以上,且对降水回波的误判率仅为3.82%。     

雷达体扫反射率场的自动质量控制

研究探讨了从雷达反射率三维结构(回波的垂直伸展、水平纹理、垂直梯度等)特征识别降水和非降水回波以及对非降水回波自动剔除和降水损失补偿的实时质量控制方法;同时利用武汉CINRAD/SA雷达364次体扫资料研究分析了降水和非降水的水平纹理(T)和垂直梯度(V)的分布特征及其判据指标。统计分析表明,99%的降水和3%的杂波落入8 dBz/km之内的区域,在150 km范围可以仅用V判据参数;另外,降水和杂波虽然分别倾向于T的低值和高值区,但没有V值表现明显,在150 km外采用T参数结合平均强度计算的方法来识别降水与非降水。     

山西省多普勒雷达非降水回波应用研究

本文研究了多普勒天气雷达速度图上非降水回波（不包括地物回波）的空间结构，并对太原雷达站业务运行以来多普勒天气雷达观测到的“非降水回波”的速度特征进行了深入、系统的分析。发现由大气湍流和云滴后向散射所致的非降水回波，虽然强度很弱，但其速度回波却代表了环境风的三维结构，对临近预报有5h～7h的提前量，为临近预报提供了一种新的有效手段。     

遵义多普勒天气雷达反射率资料的杂波抑制算法研究

基于遵义新一代多普勒天气雷达降水回波和非降水回波特征,选取反射率水平纹理（T）和有高度限制的反射率垂直梯度（V）等参数予以区分,进而剔除非降水回波。选择几个典型的回波个例进行效果检验,结果表明该方法能剔除绝大部分非降水回波,同时对降水回波的强度场没有影响。     

基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

辽宁一次暴雨天气过程的多普勒雷达层状云降水回波特征分析

利用500 hPa、850 hPa等常规天气图资料和多普勒组合反射率、回波顶高、垂直累积液态含水量、径向速度、风廓线等天气雷达回波资料,对2011年7月29-31日辽宁省一次暴雨天气过程的多普勒雷达层状云降水回波特征进行分析,并分析了此次暴雨天气过程的多种雷达产品特征,探讨多种雷达产品对客观反映暴雨天气特征的可参考性,结果表明:此次暴雨降水地点主要发生在暖区、850 hPa切变附近,降水强度大、持续时间长;从雷达组合反射率图分析,地面大洼-辽中-法库-线有一个自西南向东北移动的降雨带存在,降雨带移动过程中,逐渐生成对流性云团产生暴雨,凤城-宽甸-线的降雨中心是由东南部发展的对流云团产生的;回波顶高近似均匀分布,空中液态含水量较小则表明这次过程的层状云降水特征明显;径向速度图表明7月30日20时降水产生时,径向速度出现相对大值区,其内有水汽辐合、质量辐合或较强的上升运动,强回波区域有弱的辐合气流;风廓线图可以看出在主要降雨时段,低层急流特征明显,最大风速可达27.3 m/s。     

一种基于FCM算法的雷达反射率基数据的质量控制方案

根据FCM（fuzzy C-means,模糊C均值）算法初步建立了一种适用于我国多普勒天气雷达反射率资料的质量控制方案,对2009年6月3—5日蚌埠、阜阳雷达站部分雷达体扫资料进行统计分析。结果表明,降水和非降水回波水平反射率结构（T）和垂直反射率差（V）均有不同的参数分布特征,并可有效区分。在此基础上以这两个参数作为FCM算法的输入特征向量,自动识别出降水回波和地物杂波。质量控制结果表明,恰当选取降水回波和地物回波的特征参数,作为FCM算法中的输入特征向量,能够有效识别这两类回波,从而剔除非降水回波,以提高质量控制的效果。     

使用雷达回波三维信息自动识别降水类型的方法

提出了一种使用雷达回波三维信息（反射率因子的水平梯度、垂直递减率、垂直廓线变化特征以及回波顶高等）自动识别降水类型的方法,该方法可将雷达回波划分为热带降水类型、大陆强对流云降水类型和层状云降水类型。基于广州雷达于2008年5—8月观测到的7次强降水过程,在使用本方法识别降水类型的基础上,对不同降水类型使用不同的Z-R关系来测量降水量,即对热带降水类型使用Z=230R^1.25,对大陆强对流云降水使用Z=300R^1.4。以及对层状云降水使用Z=230R^1.6,并以雨量计观测的降水量为真值,与仅区分对流云降水和层状云降水类型并使用双Z-R关系测量降水量的方法进行了比较。结果表明,本方法可以有效地自动识别降水类型的分布区域,并且可以提高雷达定量测量降水的精度。     

梅雨锋云系内对流回波与层状回波的研究

本文利用1998年“淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX）”所获得的大量雷达资料及遥测雨量计计资料，细致分析了淮河流域梅雨锋云系的结构，根据层状云和对流云在雷达回波图中的不同特征，本文提出用松散系数D（反映云系结构疏松程度）来区分大范围云带中的降水云类型，同529张PPI资料统计表明，若D＞0．17则说明该区结构松散，降水属于层状云降水，D≤0．17时，云区是对流性降水，由于梅雨锋水具有明显的不均匀结构特征，其中锋面对流云带和强下挂回波带是造成强降水的主要原因，在用地面雨量资料和雷达资料对地面降水进行短时（3小时以内）校正时，针对不同的降水类型采用不同的Z－R关系比用同一种Z－R关系的校正精度大约提高4％。     

S波段多普勒天气雷达非降水气象回波识别

在气象条件为晴空或有云但无降水的情况下,在雷达站附近经常可观测到大面积的非降水气象回波,这些回波对定量估测降水和雷达资料同化效果产生重要影响。为了有效识别这些非降水回波,该文发展了基于模糊逻辑识别和回波分块的非降水气象回波识别算法 (NPMDA)。该文首先利用地面和卫星资料为标准,提出了非降水回波的确定标准,并利用北京SA雷达,对非降水气象回波特性进行了统计分析,得到了隶属函数。在非降水回波识别时首先采用SCIT算法将回波组合成片,然后对整个PPI进行初步的判断。对不能初步判断为降水的PPI,采用模糊逻辑的方法计算成片回波的属性值,依据成片回波的属性值得到片内回波逐点识别时的阈值,从而实现了回波的动态阈值识别。结果表明:对大部分非降水气象回波识别效果较好,对较强降水回波误判较少,弱降水回波有时会出现一定的误判。与NCAR使用的ICADA方法相比,NPMDA方法能明显提高非降水回波的识别率,减少降水回波的误判率。     

利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究

新一代天气雷达很多位于地形复杂的山区,地形遮挡形成观测盲区,严重影响了新一代天气雷达数据的应用效果。利用基于高分辨率地形数据计算的波束遮挡信息,依据反射率因子垂直廓线,由高仰角无遮挡的反射率因子观测数据得到低仰角完全遮挡区的数据。以杭州雷达为例,通过直接对比反射率因子值和对比填补前后雷达估算降水效果两种途径检验了填补效果,结果表明：填补与观测“真值”有很好的一致性,填补后降水估算效果优于填补前。本文提出一种填补低仰角完全遮挡区的方法,适用于均匀性降水系统。     

江淮流域长生命史飑线的特征分析与临近预警

利用常规气象资料、自动站资料、NCEP再分析资料,对江淮流域4次长生命史的飑线的形成原因、发展演变过程进行天气学分析。结果表明:飑线的发生需要强位势不稳定层结,且高层有冷空气的不断补充是飑线长生命史维持的主要原因之一;江苏东部的沿海地形为其发生发展提供了良好的水汽输送条件;强的环境风垂直切变,中高空急流和高空辐散场能使飑线维持较长的生命史。4次过程从雷达反射率因子图中,均可分析出典型的弓形回波结构。成熟的弓形回波结构严谨,宽度很窄,前沿有阵风锋存在。垂直结构上,在弓形回波的前侧入流一侧,存在较大的回波反射率因子梯度,回波顶位于强反射率因子梯度区之上;伴随着飑线的发展,在多普勒雷达径向速度图上有中层径向辐合和低空大范围的大风速区;中气旋和MARC可作为预报灾害性大风的可靠判据。     

多普勒天气雷达径向速度产品在预报中的应用

对江苏南京雷达站四年内降水前多普勒天气雷达径向速度回波及其VWP产品的特征进行了具体的研究。速度回波图的统计结果表明,非降水回波的辐合特征和降水的发生是相关的,对降水过程的发生具有一定的提前量,该预报提前量存在地域差异和季节差异。对VWP产品的统计分析表明,风向随高度顺转且风速随高度增大时,有利于降水系统的维持和发展;同时“ND”厚度和相对湿度在大面积层状云或混合云降水过程中呈反相关,在一定程度上反映了相对湿度的变化,且“ND”厚度的变化对降水的产生也有一定的提前量,对短时预报有指导意义。     

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。     

Geodesics算法在雷达投影转换中的应用检验

基于上海市气象局布设于临港的X波段移动式双线偏振雷达观测资料,利用反射率因子、差分反射率和相关系数等变量识别出东海大桥固定地物回波位置,进而采用Geodesics和HRAP(Hydrologic Rainfall Analysis Project)投影转换算法将雷达回波的极坐标位置转换至地理坐标。以国家测绘局利用GPS技术测量的沪芦高速(东海大桥段)地理坐标作为真值,将环境大气分为晴空回波-低湿度情况和降水回波-高湿度情况分类检验两种算法的效果。检验算法包含经投影转换后地物回波样本位于桥面主体内部的数目(多边形检验)和样本偏离桥体中心线的距离(中心线检验)。其结果表明:Geodesics算法在多边形和中心线检验方面表现均优于HRAP算法,其在雷达投影转换的实际业务中具备一定的应用价值。     

“7.28” 渭河区域性大暴雨天气过程分析

应用常规气象观测资料、FY-2D气象卫星资料、雷达资料,对2011年7月28—29日发生在陕西渭河流域的强降水天气进行分析,结果表明：副热带高压加强北抬,高原低槽东移,副热带高压外围暖湿气流与高原槽前西南气流合并,为暴雨形成提供了有利的条件;低层切变线、低涡、低空急流是暴雨产生的主要影响系统;卫星云图上在低槽云系中有暴雨云团特征;雷达反射率因子强回波与液态含水量大值区总是与大降水对应。     

“7.28” 渭河区域性大暴雨天气过程分析

应用常规气象观测资料、FY-2D气象卫星资料、雷达资料,对2011年7月28—29日发生在陕西渭河流域的强降水天气进行分析,结果表明：副热带高压加强北抬,高原低槽东移,副热带高压外围暖湿气流与高原槽前西南气流合并,为暴雨形成提供了有利的条件;低层切变线、低涡、低空急流是暴雨产生的主要影响系统;卫星云图上在低槽云系中有暴雨云团特征;雷达反射率因子强回波与液态含水量大值区总是与大降水对应,