基于数字高程的波束遮挡订正及在雷达定量估测降水中应用

地形的起伏使雷达波束受到严重的遮挡,使回波数据质量受到很大干扰。本文使用SRTM任务的DEM数据和谷歌公司的DEM数据分别计算了位于北京南郊的S波段雷达低仰角的波束遮挡率,建立了部分遮挡区域的回波反射率订正关系,并在2018年5月19日北京一次大范围层状云降水过程中,对波束遮挡订正前后的雷达定量估测雨量与地面3个雨量计观测结果进行了定性与定量化对比分析。结果表明:①波束遮挡订正有助于改善反射率因子的空间连续性。波束遮挡订正后的仰角0.5°的反射率与1.5°的反射率之间的差值整体呈现缩小特征,符合层状云降水垂直廓线特点。②09:00—11:00,相比波束遮挡订正前的雷达定量估测雨量(QPE),波束订正后的QPE准确性得到改善,使用分级标准误差与归一化平均偏差评价波束遮挡订正前后QPE与雨量计实测值之间的误差,波束订正后的反射率估测雨量与雨量计实测雨量一致性更好。     

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。      

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。     

基于回波遮挡订正的西安对流天气雷达气候特征分析

基于2014—2019年4—9月西安多普勒雷达数据,在对因地形或高大建筑所造成的反射率遮挡区域进行修订的基础上,研究西安地区对流天气的雷达气候学特征。结果表明：（1）西安雷达在低仰角受到地形和高大建筑的严重遮挡,即在雷达05°仰角的西安东部、西南部及西北部方位与15°仰角的西安偏南部方位存在因地形因素遮挡造成的大范围反射率缺失现象,和因雷达站周边高大建筑等非地形因素导致的个别方位角上反射率因子缺失现象。本文通过交叉方位角插值法和高仰角反射率因子填补方法对遮挡区域进行修订并形成完整反射率因子数据,然后利用对流回波识别方法识别出对流回波。（2）西安雷达对流回波气候统计结果显示,2015年对流天气发生频次最多;2017年对流天气持续时间更长、强度更强,多发区主要为陕北南部至关中北部及关中南部至秦岭北麓;7—8月为对流天气高峰时段,其中7月下旬和8月上旬出现频次最多;日变化特征显示14—23时对流天气活动频繁,23时后活动频次迅速减少。     

基于优化模糊逻辑的双线偏振天气雷达地物杂波识别算法研究

针对双线偏振雷达偏振参量能在回波识别中提供更多特征的优势，在常规多普勒天气雷达模糊逻辑算法的基础上，引入偏振参量实现地物杂波识别，由此根据雷达数据中地物和降水回波各自的回波特性，选择6个区别最明显的特征参量，建立了特征参量的统计分布概率，并运用CSI评判标准给出了地物杂波识别的最优化隶属函数；利用2020年攀枝花市新架设的X波段全固态双线偏振雷达观测个例，对比了传统的与改进后的模糊逻辑算法识别效果，结果引入偏振参量的模糊逻辑算法能更好地识别降水和地物混合位置的地物回波，同时改善了径向速度为零区域被误判为地物回波的问题。      

基于高分辨率高程数据统计分析新一代天气雷达组网的地形遮挡影响

新一代天气雷达由于受到地形限制产生波束遮挡导致波束能量衰减,从而造成雷达探测回波强度偏弱、雷达定量估测降水结果失真,因此对于雷达波束遮挡情况的统计和分析是一项重要的基础研究工作。利用SRTM （Shuttle Radar Topography Mission）数字高程数据对中国目前业务运行的212部新一代天气雷达波束遮挡情况进行模拟计算分析。计算结果包括雷达单站遮蔽角、VCP21模式0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角波束遮挡率、混合扫描及分区混合扫描波束遮挡率、雷达单站探测范围覆盖情况;计算并绘制全国天气雷达组网遮挡率拼图,统计全国天气雷达组网遮挡情况;利用2019年8月广东省11部天气雷达基数据对比验证单站及组网遮挡计算结果。结果表明雷达组网探测面积覆盖率超过70%,整体覆盖效果较好,遮挡计算结果与实际数据对比验证结果高度一致,对雷达数据订正、降水估测等产品具有正贡献。      

CINRAD雷达数据质量控制方法初探

多普勒天气雷达数据质量控制是以提高短临预报产品质量和满足短临预报需要为目的。通过参考国内外雷达数据质量控制的研究成果,分析雷达数据杂波来源,对雷达数据质量控制处理方法进行了试验和探讨,结果表明:在雷达数据质量控制过程中,使用非雷达资料(云图、自记雨量和闪电数据)排除地物杂波,尤其是排除超折射杂波具有一定的优势和局限性。晴空区里使用云图特征来排除大范围超折射杂波效果较好;但有降水存在时,这种方法就受到限制或不适宜使用。较远距离孤立和离散噪声杂波采用统计"突变率"、两层仰角叠加分析和改进型中值滤波算法综合处理,逐步去除数据杂波;较近距离则采用多仰角变换方法(分段混扫)来去除数据杂波。通过分析,得出了地物回波与降水回波的识别特征,引进了包含利用"雷达对"资料、雷达相关产品资料和云图、自动雨量站等非雷达资料的数据互补理念。     

基于灰度共生矩阵的自适应雷达杂波抑制

多普勒天气雷达体扫过程中低仰角常出现强地物杂波,影响了雷达数据质量及其产品的业务应用。为了抑制地物杂波,提出了一种基于雷达基数据灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)的自适应地物杂波抑制方法。针对雷达站附近回波数据强度高、多普勒速度接近于零值的特性,首先设定阈值进行数据预处理,初步分离出杂波区域;其次,对强度信息进行分块,根据每一小块的灰度共生矩阵能量值和对比度分布自适应寻找阈值;最后利用确定的阈值识别和剔除地物杂波。实验表明该方法能有效剔除雷达站附近的强地物杂波,尤其对混杂在降水回波信号中的强地物杂波有很好的抑制作用。     

南昌双偏振天气雷达地物杂波抑制效果分析

为评估南昌CINRAD/SAD双偏振天气雷达对地物杂波的抑制效果,使用2019年6—10月南昌单偏振雷达基数据和2022年同期南昌双偏振雷达基数据,对比分析了不同仰角和晴、雨条件下单、双偏振天气雷达反射率频率。结果表明：单、双偏振雷达在0.5°仰角因周边山区地形、建筑物遮挡的影响,在西北方向和东南方向存在明显的数据缺失。升级为双偏振雷达后,在各个仰角上周围反射率高频区的范围明显减小,雷达能有效消除雷达站点周边杂波的影响。晴天时,双偏振雷达对晴空杂波的过滤效果极佳;雨天时,双偏振雷达对南昌周边及梅岭山区的回波进行了弱化处理,可以有效减少地形回波、非气象回波的干扰。双偏振天气雷达产品差分相移率和相关系数能较清楚地辨别出虚假回波,可更好地用于确定降水粒子的信息。     

新一代天气雷达布网设计的有效覆盖和地形遮挡分析

一般情况下,地形影响造成的雷达波束遮挡是长期保持不变的。研究雷达地形遮挡情况有助于提升雷达探测资料的有效性和可靠性。利用先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型地形数据,对我国已建成的208个新一代天气雷达站点进行地形遮挡分析,计算业务体扫模式(Volume Coverage Pattern modes, VCP)21的九个仰角下200 km范围内雷达反射率的波束阻挡系数,绘制观测仰角分别为0.5°、1. 45°、2. 4°和3. 35°时雷达有效观测区域的覆盖图,计算相应的有效覆盖面积。结果表明全国新一代天气雷达站200 km范围内0. 5°、1. 45°、2. 4°和3. 35°仰角平均遮挡比例分别为30. 7%、8. 5%、2. 5%和1.0%,平均有效覆盖面积分别为83210.5、109354.2、118170.9、121631.5 km~2,只有少数几个雷达站受邻近山脉地形遮挡影响严重,雷达站总体有效覆盖情况较好。     

基于模糊逻辑的分步式超折射地物回波识别方法的建立和效果分析

超折射地物是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素,文中使用合肥、广州、温州、天津的SA多普勒雷达和上海的WSR-88D资料分析了混合性暴雨降水、对流性降水、地物回波的回波强度、径向速度、速度谱宽的取值范围、水平垂直变化及其地物回波与地形海拔高度的关系等特征,并确定了模糊逻辑识别超折射地物的隶属函数。在Kessinger方法基础上,考虑到雷达径向速度的距离模糊问题和地物回波与方位的关系,提出了基于模糊逻辑的分步式地物回波识别方法,通过调整已被严格标准识别为地物和非地物的邻近区域回波点的判据,来减小地物的漏判和降水回波的误判。利用降水回波、地物回波的个例资料分析了回波强度、径向速度和速度谱宽资料在识别地物回波中的贡献,分析了分步方法对地物回波识别效果的改善。结果表明:该方法能较好识别地物回波和降水回波,径向速度和速度谱宽资料在地物识别中作用明显,利用分步方法明显改善了在速度模糊区暴雨过程对流云团被误判为地物的概率。     

多普勒天气雷达组网拼图有效数据区域分析

在正常情况下, 由于天线仰角和地球曲率原因, 雷达波束位置在远距离处要比近距离处高。当雷达电磁波能量被部分阻挡时, 回波强度观测值低估; 被完全挡住时, 探测不到地物后的目标。该文利用高分辨率地形高程数据计算波束阻挡率, 确定组网拼图有效数据区域以及波束部分阻挡时的回波强度订正方法。根据业务观测模式VCP11及VCP12的14个仰角值, 在标准大气假定下, 对湖南、江西、浙江、福建、广东、广西和海南已建多普勒天气雷达组网的数据有效区域进行计算, 绘制出海拔1500 m, 3000 m和6000 m高度上有效区域图。分析结果表明:CAPPI数据有效范围比等射束高度图更能反映出多普勒天气雷达业务观测范围; 若采用VCP12模式观测, 与采用VCP11或VCP21模式观测相比, 不仅增加低层探测密度, 而且可扩大雷达实际探测距离, 其回波数据更适合于组网拼图。     

区域膨胀法在剔除Doppler雷达径向速度中地物杂波的应用

由于地物杂波不可避免地出现在雷达回波资料中，因此剔除地物杂波对于提高雷达观测资料质量的控制，充分发挥其在实际业务中的作用及其潜力具有重要意义。笔者利用区域膨胀法设计了一种新的剔除地物杂波方法。该方法首先利用区域膨胀法将雷达速度回波分成具有不同性质的几个区域，然后对每一个区域进行统计分析，设定阀值并识别出地物，同时将地物剔除。区域膨胀法的目标是将输     

超低仰角扫描改进雷达观测台风的探讨

利用长乐雷达超低仰角探测资料,对比分析了台风"海棠"和"蔷薇"的超低仰角和0.5°仰角PPI回波资料的差别。结果表明,在不受或尽量少受地物影响的情况下,雷达合理选用超低仰角探测是可行的,且在低层降水回波探测方面效果较0.5°仰角好,特别在远距离探测能力方面有明显改进,一般在距离>100km后探测能力较0.5°仰角有明显优势。雷达超低仰角反映出的台风云块的分布比较清晰,雷达加入超低仰角探测对台风低层探测和预警有一定程度的改进。降低0.12°后的超低仰角探测可提前台风预警时间和提早约2～6个体扫;提高台风探测范围约1.09倍,其他几次体扫的对比情况也反映出降低仰角,0.31°仰角比0.48°仰角提高台风"蔷薇"探测范围约为2.1%～9.6%。雷达超低仰角提高探测台风云体低层结构的同时,更易受近距离海浪杂波的影响,海浪杂波有时可能干扰对台风结构的判断,应引起注意。在选取多大的超低仰角时,应兼顾二者关系。     

利用空间相关性进行天气雷达波束阻挡数据的识别和订正

波束阻挡影响了天气雷达数据的质量,使雷达的导出产品存在误差。根据雷达观测数据的空间相关性,提出了不依赖于高精度数字高程模型的波束阻挡识别和订正算法,可以方便地用于天气雷达反射率因子的阻挡订正。对于部分阻挡或小范围完全阻挡造成的回波数据不准确情况,先进行阻挡识别,再进行线性插值处理,实现对阻挡数据的订正。论文建立了阻挡识别算法和阻挡订正算法,并利用雷达数据进行了对比验证。结果表明:利用本文的算法,可以有效地对阻挡数据进行订正,提高了雷达数据质量。     

雷达波束部分遮挡识别应用及效果评估

雷达波束部分遮挡是雷达定量降水估测(QPE)算法的重要误差源。利用4次大范围的天气过程,联合上饶、黄山、杭州、金华、宁波、衢州、温州和台州8部天气雷达和浙江省2047个雨量计观测资料,应用金华、衢州和上饶雷达的部分遮挡区域识别结果,从定性和定量分析两个角度,将雷达组网拼图数据划分为部分遮挡区域、无遮挡区域和总数据区域,验证分析了部分遮挡回波订正方案在提高雷达组网拼图质量和提高雷达QPE精度方面的作用。结果表明:剔除部分遮挡回波的回波订正方案,在不同天气过程中均可以(1)有效地增强部分遮挡区域内雷达组网拼图和雷达QPE数据场的连续性;(2)显著提高了部分遮挡区域内雷达QPE数据场的精度,降低了因部分遮挡导致的雷达QPE误差,并间接提高了无遮挡区域以及总的数据区域内的雷达QPE的精度;(3)改善了Z-R关系拟合方案和最优插值校准方案的有效性,这是剔除部分遮挡回波后,雷达QPE数据场精度提高的重要原因。     

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。     

佛山市X波段双偏振雷达地形遮挡与覆盖面积分析

利用SRTM3高分辨率的数字高程模型(DEM)对佛山市已建成的4部X波段双偏振雷达进行地形遮挡分析。结果表明:南海、三水、顺德雷达在0.5°低仰角遮挡严重,而高明雷达在0.5°低仰角基本没有遮挡。在1.5°仰角除三水还有少量遮挡外,其他雷达基本没有遮挡。另外,南海、三水雷达仰角1.8°、2.8°,顺德雷达仰角1.5°、2.5°,高明雷达仰角0.5°、1.5°低层2层仰角组网的扫描数据比较可靠。X波段双偏振雷达总的覆盖面积约为30005km^2,2部雷达共同观测面积为22569km^2,占总覆盖面积的75%,3部雷达共同观测面积为12503km^2,占总覆盖面积的42%,4部雷达共同观测面积为5608km^2,占总覆盖面积的19%。佛山市X波段雷达整体的遮挡率比较低、覆盖面积大、布网情况好。     

利用低仰角扫描改进高山雷达低层回波探测能力浅析

应用昆明高山新一代天气雷达探测大范围暴雨个例的0.仰角资料,与我国高山雷达目前采用最低仰角为0.5°扫描模式(VCP11或VCP21)的回波分布情况进行了对比分析.结果表明:在雷达警戒区域,0°较0.5°仰角能更早地发现过程的降水云系;0°或负仰角能明显提高高山雷达远距离回波探测效果;低仰角(文中指低于0.5°仰角)可弥补常规业务扫描模式下高山雷达探测低层回波能力不足的问题.对另一次文山雷达对冰雹过程的探测分析,可见低仰角扫描模式对强对流天气也能获得较好的低层探测效果.又通过实验获得云南另外4部高山雷达的0°仰角及负仰角睛空资料,分析了高山雷达晴空资料的0°及负仰角低层回波资料质量.发现受周围山脉影响,不同高山雷达最佳探测低仰角是不同的,实际业务工作中应根据当地地形的具体情况选取恰当的低仰角.     

多普勒天气雷达地物回波特征及其识别方法改进

非气象因子会在雷达探测时对雷达资料造成污染,并导致雷达数据的质量问题,在雷达数据应用之前必须对被污染的距离库进行识别和处理。该文在现有基于模糊逻辑识别地物回波工作的基础上,发展适合于我国CINRAD/SA的地物回波识别方法,采用北京和天津雷达2005,2006年夏季部分时段体扫资料,同时对反射率因子和径向速度以及速度谱宽进行处理,得到不同回波的各种特征, 并对各种回波特征进行分析; 考虑到隶属函数的确定是地物识别准确率的关键, 运用CSI (critical success index)评判标准确定了模糊逻辑超折射地物回波识别的最佳线性梯形隶属函数;通过识别效果分析说明该方法在识别超折射地物回波中的作用。结果表明:运用改进后的模糊逻辑法可以更好地识别地物回波, 特别是那些超折射地物回波; 与原方法相比, 改进后的方法有效减少了对降水回波的误判。