利用太阳法提高新一代天气雷达探测精度

针对一些型号新一代天气雷达普遍存在太阳法天线波束指向检测成功率低、精度差,而且没有天线波束宽度、雷达接收系统全链路回波强度测量误差检测功能等问题,采取5个方面改进措施:(1)改进算法;(2)改进数据质控方法;(3)改进天线控制方式;(4)改进太阳位置搜索方式;(5)降低天线转速并提高采集分辨率。实际测试评估表明:改进后的太阳法天线波束指向检测明显提高了天线波束指向精度,解决了太阳法天线波束指向检测可靠性差、成功率低的问题;现场太阳法天线波束宽度测量可靠性高,测量精度可以满足回波强度定标要求;雷达接收系统全链路回波强度测量误差检测功能能够发现雷达回波强度定标中无法发现与天馈参数有关的回波强度测量误差偏大问题。     

X波段相控阵气象雷达回波数据的对比分析

为探究、验证X波段相控阵气象雷达系统及其回波数据的可靠性,基于X波段相控阵气象雷达系统及地基外场试验,对比分析了X波段相控阵气象雷达系统与X波段机械式天线气象雷达系统的回波数据。在脉宽为6μs和1μs两种探测模式下,通过散点分布和概率分布方法对比分析了相控阵天气雷达的回波强度和径向速度数据的差异性。结果表明:(1)在脉宽为6μs和1μs的探测模式下,X波段相控阵气象雷达与常规天气雷达有比较接近的探测能力和可靠的数据质量;在远距离处,相控阵气象雷达的回波数据呈现层次结构清晰、轮廓显著的特性;(2)宽波束以及波束宽度展宽等特性平滑了相控阵气象雷达的回波强度,改变回波结构,弱回波区面积减小,强回波区增大;(3)天线增益不均匀影响相控阵雷达数据质量,理论上可以用1/(cosθcosφ)的增益修正因子对回波强度进行修订。     

双偏振多普勒天气雷达差分反射率因子的测量误差

针对同时发射、同时接收体制双偏振多普勒天气雷达,论述了测量差分反射率因子时雷达应满足的基本要求,提出了测量差分反射率因子时能够引入误差的3类因素,即雷达测量基本要求不满足、接收机噪声和散射粒子相对运动引起的回波功率起伏、云雨目标对水平极化波和垂直极化波衰减的不同,并分别对影响差分反射率因子测量误差的各种因素及其影响程度,进行了深入研究和分析.     

非气象回波抑制的分析

对新一代天气雷达探测到的反射率因子进行分析可知,除了云、雨、雪等气象回波外,还包括一些非气象回波,它们之间的最大区别在于反射率因子场水平和垂直分布的相对离散性。引入水平结构参数H表征反射率因子在水平径向上的强度变化;引入垂直结构参数V来表征反射率因子在垂直方向上的强度变化,基于非气象回波和气象回波反射率因子在水平和垂直方向上连续性不同的特点来区别非气象回波,从而加以剔除。     

南京雷达数据的一致性分析和订正

运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。 以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6 a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6 a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在“3段特征”:时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75 dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。     

新一代多普勒天气雷达强度定标研究

天气雷达回波强度的强弱直接影响预报员对降水强度的判断,在重大气象灾害天气过程中,回波强度偏差有可能导致漏报而产生无法挽回的损失,中国气象局提出“到2022年底全国新一代天气雷达反射率因子标准偏差平均值从4.5dB降低到3.5dB”的目标,就是为了提高雷达监测均一性,降低客观因子对预报质量的影响。本文对岳阳、长沙、湘潭、益阳雷达产品对比分析,利用数据平均偏差方法计算雷达回波强度的扩散特征,得出岳阳雷达回波强度较其他三部雷达均偏弱约4dB以上的结论,并采用“对点测量”方法对岳阳雷达进行重新标定,将平均偏差降低至2.5dB以内,降低了中尺度区域内不同雷达之间的平均偏差,有效增强了回波强度一致性,对提高雷达业务可用性具有十分现实的意义。     

S波段相控阵天气雷达与新一代天气雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短雷达扫描周期,但是由于相控阵雷达其波束宽度的增加以及波束宽度与增益不再是定值而是随着仰角而发生变化,必然在一定程度上牺牲雷达探测分辨率,造成其回波细节的缺失。为了比较该S波段相控阵天气雷达与S波段多普勒天气雷达在探测云反射率因子大小和结构方面的差异,采用双线性插值方法,模拟出空间分辨率很高的降水云团,并模拟相控阵天气雷达和S波段新一代天气雷达的波束特性对其进行扫描,通过模拟扫描得到的反射率回波,分析了对同一降水云团、相同距离位置,相控阵天气雷达与S波段常规多普勒天气雷达回波在水平方向和垂直方向的差异,结果表明:相控阵雷达对回波水平方向上和垂直方向上的平滑作用在一定程度上改变了回波的结构,减弱了回波的中心强度,使一些小的强回波中心消失。相对于S波段多普勒天气雷达,减少了极弱回波与强回波的面积,增加了中间强度回波的面积。探索了模拟分析相控阵天气雷达与多普勒天气雷达数据的方法,为相控阵天气雷达的定标和定量测量提供了理论参考。     

区域雷达网同步观测对比分析

利用长江中游的合肥、宜昌、武汉、常德和长沙雷达周围的1:25万的地形高度数据得到各雷达的混合扫描仰角和等射束高度拼图。选用2004年7月17—19日5部雷达同步观测的雷达体扫资料,分析了各雷达的最低扫描仰角;在尽量排除地物杂波、波束阻挡、距离衰减和波束展宽等因素影响的情况下,对比分析了5部雷达构成的有重叠覆盖区的7个雷达对的反射率因子差异。结果表明:(1)对雷达最低扫描仰角进行分析可以检查雷达的仰角标定,武汉和合肥雷达平均最低观测仰角比VCP21扫描方式规定的要低;(2)用雷达对等距离线上的反射率垂直剖面可以分析雷达对同步观测的回波空间位置和强度差异,常德雷达和其周围雷达同步观测的回波高度明显偏低;(3)用雷达对等距离线上某高度的反射率因子曲线变化的一致程度可以分析雷达的方位标定,这5部雷达没有明显的方位定标偏差;(4)用雷达对等距离线上某高度的平均反射率因子差可以分析雷达对同步观测的系统观测差,宜昌雷达和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏强,而武汉和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏弱;(5)反射率因子差的时间平均值随着反射率因子的大小变化而变化,当观测的反射率因子越大时雷达对的反射率因子差的时间平均值也越大。     

Ka波段云雷达晴空回波垂直结构及变化特征

利用2017—2019年中国气象局大气探测试验基地Ka波段云雷达资料,结合地面自动气象站、激光云高仪资料,从强度、速度、线性退极化比以及晴空回波高度等方面,分析晴空回波垂直结构和变化特征。基于激光和微波对粒子半径和数密度散射的差异,区分云和晴空回波。结果表明:Ka波段云雷达探测到的晴空回波在边界层主要包含层状湍流回波和点状昆虫回波,且回波顶高在3000 m以内。晴空回波强度和高度具有明显的季节和日变化特征,冬季回波顶高较低,夏季回波顶高较高,与地面气温具有很好的相关性,每年的1,2,11,12月几乎没有晴空回波,而7月和8月回波顶平均高度最高。晴空回波反射率因子为-40~-15 dBZ,其中层状湍流回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-35 dBZ,点状昆虫回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-30 dBZ。晴空回波垂直移动速度为-1.5~+0.5 m·s-1,整体呈下沉运动。层状湍流回波线性退极化比较点状昆虫回波稍大,一般为-10~-5 dB,点状昆虫回波线性退极化比一般为-15~-8 dB。     

相控阵雷达扫描方式对回波强度测量的影响

有源数字阵列雷达的波束设计非常灵活,可变的波束宽度和多波束模式不仅可以满足不同任务的观测需求,还可有效节约扫描时间,但阵列天线参数随波位改变的特性对相控阵天气雷达回波强度的精确定标提出了挑战。2013年4—6月,中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司联合研发的X波段一维有源相控阵天气雷达 (X-PAR) 进行了装配后的首次测试观测。对比该雷达与相同位置的C波段双线偏振雷达 (C-POL) 观测资料发现,X-PAR不同宽度的扫描波束均能取得较合理的观测资料。但由于各模式的雷达方程及其标定方法不尽相同,并受到阵列天线照射体积、展宽波束和发射增益的影响,造成X-PAR回波强度存在一定的测量偏差。结合天线参数分析和实际数据统计将测量偏差订正至±1 dB内,为雷达的进一步调试和改进提供了依据。     

CINRAD/SB雷达回波强度定标调校方法

回波强度定标和调校方法是保障CINRAD/SB回波强度测量精度的关键技术,方法不当会导致回波强度测量误差增大,直接影响雷达定量估测降水产品的可靠性。为了满足回波强度测量误差在±1 dBZ范围内的技术要求,根据雷达气象方程,通过对CINRAD/SB接收机测试通道、主通道、天馈系统相关影响回波强度测量误差的因素进行分析,提出了从接收机动态范围和雷达参数调整、线性通道增益定标目标常数定标,到测试通道参数调整的回波强度定标工作流程。总结出以线性通道增益定标目标常数定标为基准,采用测试通道参数测量法或基准法调校,以保证发射功率和接收机动态范围变化导致的回波强度测量误差得到在线实时校正,提高了CINRAD/SB回波强度测量精度。从接收机测试通道、主通道、天馈系统及发射功率4个方面,给出了回波异常的分析和诊断流程。并提出在接收机保护器前端增加机外信号注入口和定标信号功率检测功能,以利于机内外回波强度定标对比校准和消除测试通道参数变化导致回波强度测量误差的建议。     

CTL-713C天气雷达参数测量中的问题及处理方法

简述了CTL-713C数字化天气雷达定量测量原理,分析了雷达发射机峰值功率、工作频率、发射波长、接收机灵敏度及天线增益等天气雷达主要参数的测量可能出现的问题和参数测量点对测量发射功率和回波功率的影响,以及测量仪器的操作及维护等对参数测量精度的影响,并对在雷达参数测量中可能出现的误差进行分类,介绍了计算误差和减小误差的方法。     

双基地多普勒天气雷达探测能力分析

双基地多普勒天气雷达系统是由一个常规多普勒天气雷达和一个或多个远程被动低增益接收机共同组成,是大气风场探测领域的新技术之一。文中首先在瑞利散射假设的前提下,考虑了雷达波的偏振方向、散射体的空间位置等条件,推导了小球形粒子散射函数在双基地雷达系统中的表达形式,建立了双基地雷达气象方程,并将该方程应用于双基地雷达的探测能力、有效探测范围等方面分析,模拟计算了侧向散射能力和被动雷达回波功率在空间的分布变化,为探讨去除旁瓣影响提供了依据。通过分析证明了双基地雷达系统工作状态垂直偏振优于水平偏振的结论。在入射波为水平偏振情况下,高空探测好于低空,而垂直偏振情况则是低空的散射能力强。如果采用双线偏振发射体制,根据需要采用不同的偏振波组合,能够有效扩大双基地探测的范围和信息量。在水平偏振情况下较强回波区域在基线附近和被动雷达一侧的基线延长线周围。由于侧向散射强度低于后向散射强度,双基地雷达对于弱天气回波不太敏感,它的探测范围小于单基地雷达的探测范围。在双基地雷达探测中旁瓣污染是一个不容忽视的问题。文中对双基地雷达参数进行了模拟回波强度计算,并与实测回波资料进行了比较,两者较一致,存在差别的重要原因可能是被动接收天线的垂直变化影响。     

影响CTL 713C天气雷达回波强度标定误差的因素

通过对CTL713C数字化天气雷达回波标定原理和方法的阐述,从雷达参数的测量、A/D变换及视频积分处理、测试仪器的稳定性及精确度等几方面因素对造成雷达回波强度标定误差进行了分析,分别得出几种情况下可能出现的误差值,对测试环境与人为可能造成的回波强度标定误差进行了说明。给出雷达回波强度标定结果准确性的检验方法,并对雷达回波强度标定工作中的关键问题进行了总结。     

风廓线雷达回波信号强度定标方法

风廓线雷达返回信号功率定标通常通过返回信号信噪比和系统噪声功率的估算得到。该方法存在着噪声电平的确定、外部噪声等不确定性因素,影响了定标的精度。采用信号源分别对接收机和信号处理器进行定量测试,进而对雷达系统进行定标,是另一种可行的办法,该文利用这种方法对CFL-03风廓线雷达进行了定标,并利用该雷达在东莞2009年7月和8月探测资料与广州S波段天气雷达和地面雨量计资料进行比较。结果表明:用该定标方法得到的回波强度与天气雷达回波强度和地面雨量计资料估算的回波强度基本一致,平均标准差在1 dB左右,表明这种定标方法是可行的。     

兰州新一代天气雷达数据误差来源分析

新一代天气雷达目前已经成为对兰州市及周边地区短时强烈天气进行监测的主要手段之一。为了方便资料的处理和分析,提高观测资料准确度,为预报员和科研人员分析资料提供方便,通过对雷达数据前端生成和后端处理传输2个过程的分析,找出兰州新一代多普勒天气雷达数据误差的来源,并进行分析,发现地物回波、雷达天线增益、测量距离等因素和数据插值、坐标转换、远距离多终端传输等因素分别是前端数据产生过程中和后端数据处理传输过程中数据误差的主要来源。     

基于SRTM数据的波束遮挡能量耗损率计算方法和效果分析

地形对波束遮挡是影响雷达观测资料质量的重要误差源之一。基于SRTM数据的雷达波束遮挡能量耗损率方法是根据雷达站地理位置及其周围一定范围内的地形信息,计算出探测目标时波束能量的耗损百分比。可以用于对雷达波束能量遮挡进行定量订正,提高雷达基数据质量控制精度。本文详细介绍了波束遮挡能量耗损率计算原理和方法,并利用晴空回波特点分析了波束遮挡对雷达回波强度的影响;提出雷达回波概率特征方法,通过建立北京CINRAD/SA雷达样本数据集,统计得到不同仰角层的概率空间分布,并与波束遮挡能量耗损率进行对比分析。结果表明:雷达波束遮挡能量耗损率与实际雷达回波资料统计的概率空间分布有很好的一致性。      

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,T_VR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析T_VR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明:加入T_VR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

基于单站CAPPI格点数据的相邻天气雷达均一性评估系统研究

基于经过严格质量控制后的单站CAPPI格点数据,对相邻天气雷达观测重叠区域内等距离线上的回波强度一致性状况进行研究,根据雷达不同探测距离、不同海拔高度、不同降水强度等因素编制相邻雷达自动配对程序和等高面自动选择程序,建立了相邻天气雷达均一性算法。制定了适合我国天气雷达回波观测差异特征的均一性评估的3类标准(可信、可疑和疑误),并给出了评估标准的满足条件,从而建立了全国天气雷达均一性实时评估系统。从评估效果来看,均一性评估系统能够实时高效检测出全国不同波段、不同型号以及不同省份相邻雷达之间的回波一致性状况,并给出评估结果;对浙江、福建、广东3省雷达一次降水过程的均一性评估,发现参与评估的27部S波段雷达整体可信率为85.19%,可疑率为11.11%,疑误率为3.7%,成功检测出雷达回波强度偏低、波束阻挡以及电磁干扰等问题;对临沂站雷达回波均一性分析,评估系统能及时报警,检测出该站雷达回波位置指向存在偏差,天线方位顺时针偏移16.88°,缩短了故障发现时间。