面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95％,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40～-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4～5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。     

W波段毫米波云雷达技术的研究进展

毫米波雷达相比于厘米波雷达对非降水云的观测具有更高的灵敏度,因此世界发达国家已经广泛利用毫米波雷达进行云的观测实验。国内的毫米波云雷达受器件及加工工艺的限制仍处于发展阶段,在此背景下本文从地基、机载以及星载3个方面对国内外W波段毫米波云雷达进行总结,根据毫米波雷达的天线、发射电路、接收电路以及信号处理4个方面分析其原理框图及性能参数,最后利用英国Chilbolton观测场的94GHz Galileo雷达对2008年4月4日的非降水云进行回波数据的分析,结果表明Galileo毫米波雷达能够很好地对云以及雾进行探测,其结论为国内W波段毫米波云雷达的设计提供借鉴。     

Ka波段云雷达非云回波质量控制及效果评估

针对Ka波段毫米波云雷达观测中出现的非云回波,提出改进的质量控制方法,并利用2018年9月—2020年8月福建平和观测资料,定量评估质量控制效果及其对云-降水探测的影响。结果表明:提出的改进方法能较好改善雷达探测结果,可有效滤除非云回波。非云回波对3 km高度以下的弱云探测有重要影响,且非云回波的探测率与雷达灵敏度密切相关,整体随高度上升而下降;同时非云回波存在明显的日变化特征,午后—前半夜因湍流活动较强,非云回波的探测率也较高;后半夜—日出前因湍流活动减弱,非云回波的探测率逐渐下降。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

毫米波云雷达与激光云高仪观测数据对比分析

2013年5月1日至6月8日,中国气象局气象探测中心在中国气象局大气探测综合试验基地进行了云高观测试验,试验仪器包括:(1)毫米波云雷达(35 GHz),观测数据为回波功率值,时间分辨率1 min;(2)激光云高仪,观测数据为后向散射光强度,时间分辨率为1 min;本工作对39天试验数据进行对比分析,结果表明:毫米波云雷达数据获取率要比激光云高仪的数据获取率高26%;在雾霾天气时激光云高仪的数据获取率比毫米波云雷达低51%;降水天气对激光云高仪测量云底高度的结果影响较大,对云雷达的测量的结果影响较小;毫米波云雷达和激光云高仪测得云底高度平均相差不超过300 m,比较接近。     

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高（包括云底高和云顶高）以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。     

毫米波雷达云回波的自动分类技术研究

毫米波雷达在云探测方面比厘米波天气雷达和激光雷达具有显著优势,可获得更多的云粒子信息,是研究云特性的主要遥感探测设备。为了开展对毫米波雷达探测的云回波进行自动分类的研究,利用161次云回波的个例数据,统计得到了卷云、高层云、高积云、层云、层积云和积云6类云型的特征量和其他参量的数值范围,利用分级的多参数阈值判别方法,达到了自动分类的目标,通过与人工分类的初步验证,两种分类结果的一致性达到84%,其中,层云和积云的识别一致较低的原因在于样本数据有限,仅有6次层云和8次积云的个例样本数据。通过更多样本的处理,提取的特征参量更可靠,自动分类的准确率会得到提高,以便将基于毫米波雷达的云分类技术应用于将来的云观测自动化业务。      

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

毫米波测云雷达系统及其外场试验结果初步分析

观测云宏观信息及其辐射特性的工具一直都很缺乏。利用毫米波测云雷达连续观测大气中的云能够获得有重要意义的参数,这些参数包括宏观上的云厚、云高、云层数,微观上云粒子的大小、滴谱分布、冰与液态水的含量等,它们不仅决定了云的上行、下行辐射的影响效果,也是研究自然降水过程的重要参数。文章介绍了2007年中国气象科学研究院研发的应用于探测云、雾和沙尘暴垂直结构的机动式8.6 mm毫米波雷达系统(HMBQ),重点介绍测云雷达在2008~2009年主要参加的外场试验情况,最后给出了探测得到的各种类型云(包括非降水云、弱降水云以及降雪云等)的雷达回波图,并作了初步分析。     

河北冬季一次冷锋降雪云系微物理演变特征综合观测分析研究

利用河北省中南部地区皇寺国家观测站布设的毫米波云雷达、微雨雷达结合飞机等联合观测数据，对2019年2 月14日河北中南部地区一次冷锋降雪云系微物理演变特征进行分析，探讨雷达回波与冰雪晶粒子微结构的关系，以便更好地认识该地区自然降雪的宏微观结构特征。研究结果表明：降雪初生阶段表现为双层云结构，中云云顶高约4100 m，云底高约3600 m，低云云顶高约3100 m，云底高约200 m，中间存在一干层，3000 m以下高度粒子增长以凇附过程为主。降雪发展阶段上下两层云相接，雷达回波强度较强的时段地面降水量也较大，该时段降雪过程主要以凝华〖CD*2〗聚并增长为主。降雪后期回波强度最大值减小，云顶高降低，3000 m以下高度范围内回波强度、多普勒速度、谱宽随高度降低呈增大趋势；飞机观测结果显示，降雪消散阶段逆温层底部由于水云云层较薄，催化潜力较小,冰雪晶粒子主要位于云的中上部，随着高度降低，冰雪晶粒子在下落过程中增大，与雷达观测结果一致，毫米波云雷达和微雨雷达反射率因子随高度变化与降水粒子有效粒径之间相关系数分别为0.89和0.83, 雷达反射率因子主要受冰雪晶等大尺度粒子主导。     

决策树算法在雷达反射率因子质控中的应用

基于决策树算法，利用2020年武汉多普勒天气雷达探测资料，分析决策树算法对反射率因子的质控效果，得到以下主要结论：（1）决策树算法能有效滤除湖北东部地区由于山脉和城市建筑所导致的固定地物回波和超折射地物回波。（2）对于降水回波而言，决策树算法不改变雷达近距离范围内回波的位置、形状和强度，而远距离处（≥160 km）回波则存在一定程度的过度质控，主要是由于雷达波束随距离增加而抬高以及回波垂直梯度较大导致。（3）决策树算法对辐射状和弧状杂波的质控能力较好，其滤除率达到95%以上。     

基于毫米波雷达观测及探空反演的云垂直 结构对比分析

针对北京南郊观象台的Ka波段毫米波雷达以及L波段探空设备的观测原理和特点,提出了适用于各设备的云垂直结构判定方法,并基于二者2016年12月13日至2017年3月13日长达91 d的时空同步观测数据,结合激光云高仪、葵花8卫星、全天空成像仪等多源辅助数据,对探空与毫米波雷达观测结果(包括云底高、云顶高、云层数等)进行了...     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

毫米波云雷达观测和反演云降水微物理及动力参数方法研究进展

云雷达是探测和反演云降水微物理及动力参数精细结构的重要手段。回顾了世界和我国云雷达观测模式、数据质量控制和数据融合方法,特别是脉冲压缩、相干积累和非相干积累技术在提高云雷达灵敏度的应用,分析了基于回波强度与粒子下落速度关系、单波段云雷达小粒子跟踪方法、双波段云雷达回波强度谱密度比值方法等空气垂直运动速度反演和雨滴谱反演方法,并讨论了这些方法的特色,为今后云雷达观测方法设定和数据分析提供参考。     

Ka波段毫米波云雷达对青藏高原东南缘降水回波的分析

利用丽江站新建的Ka波段毫米波云雷达获得的高时间分辨率的垂直观测资料,结合同址的地面自动气象站和雨滴谱的分钟数据、常规探空数据和附近C波段天气雷达的强度回波,分析了两次降水过程前后云雷达反射率因子Z、径向速度V_r、速度谱宽S_w的垂直变化规律。分析表明:在发生弱降水时,云雷达Z在垂直方向的变化不明显;但V_r、S_w值在0℃层稍低位置有一个明显的分界层(融化层),粒子通过融化层后V_r、S_w都是快速变大,这个变化主要是粒子的相态由固态变成液态引发的,可以通过V_r、S_w突变值的位置来识别0℃层亮带的高度。从C波段天气雷达回波强度、剖面图及云雷达位置的时间-高度图看,对毛毛雨和小雨的回波,强度和高度差异比较明显,毛毛雨比小雨回波高度低、强度弱,与云雷达相比C波段雷达对高一些的云观测不到,对距离较远的弱降水回波无法观测到;由于相同粒子对不同波长电磁波的散射不一样,造成两种雷达垂直方向观测到的Z变化不同。对比弱降水回波,云雷达在...     

基于雷达反射率因子的降水性层状云中雨滴谱参数的反演方法与检验研究

对基于雷达反射率因子观测数据的层状云降水粒子谱参数反演算法进行研究。（1）给出层状云降水粒子谱参数的反演理论和反演算法流程;（2）选取吉林省伊通县的一次降水层状云过程进行反演试验和验证分析,利用雷达反射率因子观测数据反演得到雨滴平均直径和数浓度参数,并用放置在伊通县气象局观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测数据与近地层反演结果进行对比。结果发现,通过反演算法计算得到的滴谱与实测滴谱的变化趋势基本相同,而且反演的雨滴平均直径和数浓度在量级和数值上的大小与实测数据具有良好的一致性,说明该反演方法用于从现有天气雷达回波强度数据中挖掘出降水性层状云的微物理参数是可行的。      

X波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究

第二次青藏高原综合科学考察研究项目在墨脱布设了一部X波段相控阵偏振雷达（X-PAR）,实现了首次对河谷地区云降水的雷达连续观测。为了揭示高原东南河谷地区云降水的宏观特征,本文利用墨脱X-PAR2019年11月至2020年10月的观测数据定量分析了墨脱地区云降水回波强度、回波顶高等参数的月变化、日变化和高度变化,并与那曲地区夏季季风时期多普勒雷达观测数据进行了比较。研究发现：（1）墨脱地区回波顶高、面积、强回波所占比例以及回波分布范围在4～10月大于11～3月,4～10月降水频次高、对流性降水多,其中以6月最为显著。而进入4月后弱回波数量的大幅度增加导致了4～10月回波强度小于11～3月。降水回波月变化特征结合高原季风指数,将一年分为旱季（11～3月）与雨季（4～10月）。（2）雨季降水回波频次、顶高、面积均大于旱季,说明雨季降水频次更高、对流性活动更旺盛。降水回波频次、顶高、面积的日变化表明,旱季日降水主要发生在下午与上半夜,雨季主要发生在下半夜。（3）墨脱降水回波强度大部分小于30 dBZ,旱季在海拔高度3 km以上回波发生频次高,雨季在3 km以下高。（4）夏季季风期间墨脱回波顶高...     

渭南市冰雹云雷达回波特征分析

通过对渭南市1996—2005年10 a 711雷达观测资料和地面实况资料的统计,针对其中166个冰雹云雷达回波样本进行对比分析,主要从回波强度、回波顶高和RH I回波宽度3个参数特征着手,找出了渭南市冰雹云雷达回波参数特征及回波的外形特征。渭南市冰雹云回波中心强度主要集中在55.0~59.9 dB z,回波顶高多集中在10~13 km之间;冰雹云回波高度和回波强度之间没有正比关系;冰雹云RH I回波宽度与冰雹灾害程度成反比;降雹回波多以孤立的块状和带状回波出现。     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。