毫米波雷达与雨滴谱仪观测弱降水的对比分析

针对毫米波雷达测量的数据需要进行验证,提出利用雨滴谱反演雷达观测量:回波强度、径向速度、速度谱宽和归一化的功率谱密度数据对比毫米波雷达在最低有效观测高度处探测弱降水数据的方法及分析毫米波雷达观测量误差来源。结果表明:2种观测仪器得到的回波强度随时间变化趋势大致相同但变化幅度差异较大,误差主要源于雷达天线的积水;径向速度由于空气的上升速度、湍流等影响使两者数值有一定差异,但是变化趋势却十分接近。速度谱宽两者结果是演变趋势和变化范围都非常接近;两者归一化功率谱值曲线随速度变化趋势相似,然而由于空气的上升速度、湍流等影响导致两者曲线出现整体平移。     

适应多型毫米波雷达数据的通用读取程序设计

云是研究大气系统的重要要素,较厘米雷达而言毫米波测云雷达波长更短,可以探测到大气中的云并获得重要参数,在探测云方面毫米波雷达表现出了更大的优势。分析毫米波雷达原始数据格式对于分析云特征是十分必要的。论文主要介绍目前比较常用且成功运行获得了大量数据的3种型号的毫米波雷达。首先针对3种型号雷达基数据文件格式特征,提出5组判据作为识别方法,实现对文件二进制信息的自动分析,能够识别3种常用的毫米波雷达基数据文件的类型;其次为便于3种毫米波雷达产品的对比分析,还针对这3种毫米波雷达产品数据格式的不同,编写了同时兼容这3种雷达数据产品(反射率强度、速度、谱宽、退极化比)和4种雷达扫描方式(垂直定点扫描、平面扫描、俯仰扫描、体积扫描)产品的显示软件,并采用相同的显示规则,结果显示:方法简单、识别准确,使软件以较小代价兼容多种雷达基数据文件且对于分析对比该3种不同型号毫米雷达产品也是十分便利的。     

东北地区TRMM数据降尺度的GWR模型分析

利用东北地区2000-2010年93个气象站点观测数据作为“真实值”,对TRMM降水数据进行精度验证,发现研究区TRMM降水数据与观测数据之间具有明显的线性相关性,且TRMM降水数据数值偏大于观测值,表明TRMM降水数据在东北地区具有一定的可信度。对东北地区多年平均、2001、2010年的TRMM数据,进行GWR模型降尺度研究,得到1 km的新降水数据,并与全局OLS回归模型进行对比。结果表明：（1）相比全局OLS回归模型,GWR模型的降尺度结果可获得更好的R与RMSE,说明GWR模型更适用于东北地区TRMM数据的降尺度研究;（2）东北地区GWR模型的降尺度分析结果与观测数据之间的相关系数在0.44-0.97之间,且分布较分散;（3）经过降尺度的TRMM降水数据,在空间分辨率上有较大提高,能更真实地反映研究区的降水特征,为该数据小尺度的应用研究奠定基础。     

雷达风矢产品性能对比分析

在对比风廓线雷达和多普勒雷达风廓线产品两种雷达风矢产品的探测原理和产品性能的基础上,对两种雷达风矢产品在不同天气状况下的探测资料进行了对比,并寻找两者在不同天气状况下的异同点。结果表明:两种雷达风矢产品都可以获得时间分辨率较高的风矢变化过程资料,并且两者对确定低空急流、垂直风切变、涡度、冷暖平流等都有重要帮助。晴天和大降水情况下,两者差别较小,可信度较高。在小降水和系统过境时,两者差别较大,需要验证以后才可使用其所得数据。     

基于深度学习的高时空分辨率降水临近预报方法

降水临近预报在强对流天气监测预警中具有重要地位,对于防灾减灾至关重要。在气象业务中,主要采用雷达回波外推方法解决高时空分辨率的临近预报问题。针对传统雷达回波外推方法中普遍存在的资料信息利用率不足和预报准确率低的问题,利用上海地区多年的高时空分辨率天气雷达探测资料,基于数据驱动的深度学习方法进行雷达回波外推,提出了一种新的降水临近预报模型——SwinAt-UNet模型。该预报模型通过融合UNet模型和Swin Transformer结构捕捉历史天气雷达探测资料中的短期和长期动态变化特征,可以自适应地学习潜在的雷达回波生消演变规律。此外,为提高模型的泛化能力和预报准确率,引入深度可分离卷积和卷积块注意力模块。结果表明：在不同基本反射率阈值下,SwinAt-UNet模型的预报准确率均高于UNet、SmaAt-UNet、TransUNet和AA-TransUNet模型;在45 dBZ的基本反射率阈值下,SwinAt-UNet模型临界成功指数提高了13%,同时在预报时效上具有一定的优越性;SwinAt-UNet模型外推图像具有更加清晰的边缘和细节性纹理,对降水范围、移动方向和强度变化的预测更为准...     

风廓线雷达资料在一次强降水天气过程中的分析应用

针对风廓线雷达资料分辨率高但目前业务应用不广泛的问题,通过对2006年6月29日一次因飑线天气引发的强降水的观测,分析水平风场、垂直气流和大气虚温的变化,以及高低空急流出现的时机并结合地面观测实况,探讨风廓线雷达资料在此类天气过程中的应用.结果表明,水平风场可以清晰地显示高空急流和低空急流出现的时刻和高度,高空急流区和低空急流区不断发展并相互靠近可以预示阵风锋的到来;垂直速度正值突然增大(气流向上为正,向下为负)并迅速变成负值是判断阵风锋过境的一个依据,同时也预示降水即将开始;另外,高空温度递减率的突然加大对降雨的出现也有一定的预示作用.     

风廓线雷达资料在一次强降水天气过程中的分析应用

针对风廓线雷达资料分辨率高但目前业务应用不广泛的问题,通过对2006年6月29日一次因飑线天气引发的强降水的观测,分析水平风场、垂直气流和大气虚温的变化,以及高低空急流出现的时机并结合地面观测实况,探讨风廓线雷达资料在此类天气过程中的应用.结果表明,水平风场可以清晰地显示高空急流和低空急流出现的时刻和高度,高空急流区和低空急流区不断发展并相互靠近可以预示阵风锋的到来;垂直速度正值突然增大(气流向上为正,向下为负)并迅速变成负值是判断阵风锋过境的一个依据,同时也预示降水即将开始;另外,高空温度递减率的突然加大对降雨的出现也有一定的预示作用.     

最优插值校准法定量估测降水及效果分析

天气雷达可以监测大范围降水以及降水分布情况,但是由于雷达估测的是离地面某一高度处的降水,会造成降水估算的误差。地面雨量站测量的是地面上某个点累计的雨量,单点精度较高,但往往漏掉强降水,暴雨中心。结合两者的优点,研究了雷达和雨量计联合估测降水方法中的最优插值校准法,并和Z-I关系估测的降水结果进行了对比分析。在此基础上还比较了不同雷达初值场对降水精度的影响。结果表明,最优插值校准法定量估测降水可以提高雷达估算降水的精度,同时雷达初值场的代表性好坏直接关系到降水估测的效果。     

最优插值校准法定量估测降水及效果分析

天气雷达可以监测大范围降水以及降水分布情况,但是由于雷达估测的是离地面某一高度处的降水,会造成降水估算的误差。地面雨量站测量的是地面上某个点累计的雨量,单点精度较高,但往往漏掉强降水,暴雨中心。结合两者的优点,研究了雷达和雨量计联合估测降水方法中的最优插值校准法,并和Z—I关系估测的降水结果进行了对比分析。在此基础上还比较了不同雷达初值场对降水精度的影响。结果表明,最优插值校准法定量估测降水可以提高雷达估算降水的精度,同时雷达初值场的代表性好坏直接关系到降水估测的效果。     

成都地区双极化雷达的云雨观测

X波段双极化雷达的外场观测较少见 ,用成都市人工防雹降雨办公室 1999年 8、9两月双极化雷达的降水资料 ,对成都地区的对流云和层状云降水进行了水平剖面和垂直剖面的散射图分析 ,结果表明X波段Zh Zdr平面散射图与C波段和S波段的散射图类似 ;在 0度层上下的散射图变化清楚地反映了云中粒子的态相变化 ,这将为人工影响天气的科学作业和效果检验提供新的依据。     

基于干涉点目标分析方法的大光包滑坡形变监测

为研究干涉点目标分析(IPTA)方法应用于超大型滑坡形变监测的有效性,采用IPTA方法处理大光包滑坡65景Sentinel-1A影像,获得大光包滑坡的总体形变趋势及时间序列,并与StaMPS-SBAS方法的处理结果进行交叉验证,同时结合全球降水数据进一步分析形变与降雨之间的关系。结果表明,IPTA方法在超大型滑坡形变监测方面具有较好的应用效果;大光包滑坡在观测期间一直处于形变状态,雷达视线向形变速率最高达-50.590 mm/a;滑坡特征点形变速率在雨季明显加快,存在再次发生滑坡的风险。     

使用模糊逻辑法区分层状云和对流云降水

多普勒天气雷达已广泛应用于定量降水的估测,为了提高雷达降水估计的精度,要求能够识别层状云和对流云降水.使用模糊逻辑法区分区域中的层状云和对流云降水.根据层状云和对流云降水的反射率分布特征,建立了最大反射率因子、回波顶高、垂直反射率梯度和水平反射率梯度4个识别参数,读取雷达资料并计算出这些识别参数,使用梯形隶属函数对识别参数进行模糊化,对得到的数据进行加权平均处理,选择一个合适的阈值区分层状云和对流云降水.结合实际的天气实例,对该方法的识别效果进行检验,结果表明：模糊逻辑法能够有效的区分降水区域中的层状云和对流云降水,为改善降水估测提供了方法和依据.     

C、X波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

双线偏振多普勒雷达是探测和研究降水粒子相态结构的一种有效手段并且已经取得了较多的研究成果.但是对于一部特定雷达来说,要进行资料分析和预处理以及评价其探测性能仍然比较困难.以国家灾害天气重点实验室的C波段双线偏振雷达及北京市气象局的X波段双线偏振雷达观测的一次降水过程资料为例,在保证资料的可信度的基础上统计分析双线偏振资料中的差分反射率因子ZDR、水平和垂直信号相关系数ρHV与信噪比SNR的关系.研究发现:差分反射率因子ZDR在信噪比小于20dB时受系统误差影响较大,水平和垂直信号相关系数ρHV.在信噪比小于20dB时资料变得不可信,并根据系统误差订正方法对原始资料ZDR进行订正,通过订正后的ZDR资料能够较好地反映实际情况,同时通过拟合得到的KDP与实际情况也相吻合,结果达到定量估测降水、相态识别精度的要求.     

基于TRMM降水数据的空间降尺度模拟

本研究以黑河流域为例,通过在不同空间尺度上建立降水与影响因素的关系并选择最优尺度以此进行降尺度,建立了基于地理加权回归（GWR）与高精度曲面建模方法（HASM）相结合的跨尺度统计降尺度方法,对TRMM降水数据进行了降尺度模拟。最后,结合站点观测数据采用交叉验证法对降尺度结果进行了验证。结果表明,与传统的降尺度方法相比,考虑最优尺度的降尺度方法在一定程度上提高了降尺度结果的精度,同时表明对跨尺度过程中产生的误差进行修正可进一步提高结果精度。本研究所提出的方法可用于粗分辨率降水数据的降尺度模拟,可为站点稀疏地区或地形复杂地区高分辨率高精度降水数据的获取提供方法上的支持。     

风云静止卫星双星立体观测云顶高度反演初步研究

推导出利用风云静止卫星双星视云坐标计算云下点坐标和云顶高度的理论算法，对静止双星865E/104.5E和86.5E/112E两种组合观测条件下视云位移分布特征以及视云位移与云高关系进行分析计算，在此基础上，提出一种可以实现全区域高精度立体云高反演的非线性视云位移云高反演模型。结果显示，观测数据空间分辨率0.01°条件下，两种双星组合云高分辨率平均值分别为1.28 km和0.93 km，表明86.5E/112E组合反演精度优于86.5E/104.5E组合。最后，利用FY2D和FY2F双星数据在西北太平洋进行立体云高反演实验，并将反演结果与Cloudsat卫星微波雷达云高测量数据进行对比分析。     

基于无人飞行平台的小型Ka波段合成孔径 雷达系统研制

无人飞行平台具有滞空时间长、使用维护方便等优点,在军事侦查打击、国土资源普查、灾害监测等领域的应用日益广泛。合成孔径雷达是一种二维成像雷达,能够得到类似光学图片的雷达图像,具有全天候、高分辨率、宽检测范围等优点,是无人飞行平台的重要载荷之一。然而,受限于无人飞行平台相对较小的空间与负载能力,雷达载荷必须向小型、轻量以及低功耗等方面发展。Ka波段电磁波信号具有波长短、带宽大、关键微波器件的体积小等特点,适合应用于高分辨率微小型雷达载荷。2015年中国科学院电子学研究所面向中小型无人飞行平台,开展了研制的小型高分辨率Ka波段合成孔径雷达工作,并通过试飞验证了雷达性能。本文研究了Ka波段SAR雷达系统各项关键技术,介绍了雷达系统及关键模块设计方案、雷达各工作模式的参数设计和实时成像算法,展示了该雷达在轻型飞行平台上获得的高分辨率飞行图像,并对图像进行了指标分析。试验结果表明：该Ka波段雷达系统成像清晰,图像分辨率优于0.2 m,满足设计指标要求;实测雷达重量低于10 Kg,峰值功耗小于100 W,适用于轻小型无人飞行平台。     

Evaluating Spatial Heterogeneity of Land Surface Hydrothermal Conditions in the Heihe River Basin

Land surface hydrothermal conditions(LSHCs) reflect land surface moisture and heat conditions, and play an important role in energy and water cycles in soil-plant-atmosphere continuum. Based on comparison of four evaluation methods(namely, the classic statistical method, geostatistical method, information theory method, and fractal method), this study proposed a new scheme for evaluating the spatial heterogeneity of LSHCs. This scheme incorporates diverse remotely sensed surface parameters, e.g., leaf area index-LAI, the normalized difference vegetation index-NDVI, net radiation-Rn, and land surface temperature-LST. The LSHCs can be classified into three categories, namely homogeneous, moderately heterogeneous and highly heterogeneous based on the remotely sensed LAI data with a 30 m spatial resolution and the combination of normalized information entropy(S') and coefficient of variation(CV). Based on the evaluation scheme, the spatial heterogeneity of land surface hydrothermal conditions at six typical flux observation stations in the Heihe River Basin during the vegetation growing season were evaluated. The evaluation results were consistent with the land surface type characteristics exhibited by Google Earth imagery and spatial heterogeneity assessed by high resolution remote sensing evapotranspiration data. Impact factors such as precipitation and irrigation events, spatial resolutions of remote sensing data, heterogeneity in the vertical direction, topography and sparse vegetation could also affect the evaluation results. For instance, short-term changes(precipitation and irrigation events) in the spatial heterogeneity of LSHCs can be diagnosed by energy factors, while long-term changes can be indicated by vegetation factors. The spatial heterogeneity of LSHCs decreases when decreasing the spatial resolution of remote sensing data. The proposed evaluation scheme would be useful for the quantification of spatial heterogeneity of LSHCs over flux observation stations toward the global scale, and also contribute to the improvement of the accuracy of estimation and validation for remotely sensed(or model simulated) evapotranspiration.     

基于双线偏振多普勒雷达识别地物回波

地物回波的存在严重影响雷达数据质量,从而影响定量降水估测精度。双线偏振多普勒天气雷达在识别地物回波方面具有明显优势。分析了北京市气象局C波段双线偏振多普勒天气雷达探测到的降水回波和地物回波的特征,在刘黎平的模糊逻辑算法基础上选择容易区分降水回波和地物回波的特征量,加入偏振参数构成偏振模糊逻辑算法。利用2012年的"7.21特大暴雨"个例对识别效果进行分析,并与常规模糊逻辑算法识别效果对比。结果表明,加入偏振参数的模糊逻辑算法能有效识别地物回波,对地物回波识别效果有明显改善,并有效解决了过度识别零速度降水区的问题。