改进的C波段天气雷达定量降水估计算法研究

针对我国新一代C波段天气雷达,提出了综合考虑雷达波束阻挡、信号衰减以及雷达波束随距离增加而抬高和展宽等因素影响的定量降水估计算法。该算法基于高分辨率地形高度数据计算极坐标中每个方位-斜距库上不受地形阻挡的最低观测仰角,依此从雷达体扫数据中提取用于降水估计的混合反射率因子;结合雷达和雨量计资料对雷达系统标定偏差进行估计后...     

雷达波束传播路径精确定位与地形对波束的阻挡计算

地基天气雷达低仰角观测时雷达波束就有可能碰到山体或地表,使波束传播路径上该观测点及其后的观测点数据失真,波束受地形阻挡计算时要考虑到入射阻挡和入射前阻挡两种情况。在探讨雷达波束传播路径精确定位方法的基础上,基于微积分原理,从数学上推导了地形对雷达波束阻挡率及其计算公式。根据武汉周围3秒分辨率的地理高程栅格数据计算了武汉天气雷达在球面分层大气近似下的波束阻挡率。     

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。     

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。     

基于天气雷达网三维拼图的混合反射率因子生成技术

首先基于1:25万的DEM(digital elevation model)数据、雷达站点信息、雷达波束高斯分布模式和标准大气情况下的波束传播路径计算了雷达的波束阻挡率,并把它与雷达实测的反射率因子分布情况进行比较,发现两者具有很好的定性一致性和很强的定量相关性;其次根据设置的波束阻挡率阈值和波束下限(波束底部越过地形的高度)阈值得到不受地形阻挡的最小扫描仰角在同一平面上的投影,即混合扫描仰角,这样计算出来的混合扫描仰角与雷达扫描方式无关,可用于不同扫描方式下的混合扫描反射率因子(没有波束阻挡的最低扫描仰角的反射率因子在同一平面上的投影)的获取;然后根据混合扫描仰角,利用标准大气情况下的雷达测高公式计算等射束高度,把来自雷达网中各雷达的等射束高度进行拼接得到等射束高度拼图,其中在各雷达重叠覆盖区,取最小的等射束高度;最后利用新一代天气雷达网三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到天气雷达网的混合反射率因子,以便用于大范围降水估算算法中的降水率的计算.     

天顶扫描模式在双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差订正中的应用

双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差是影响雷达数据质量的关键因素,本文利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达,对90°仰角天顶扫描数据在Z_(dr)系统偏差订正中的应用进行了分析,同时增加90°仰角定点观测模式,讨论并确认了方位旋转关节对Z_(dr)测量结果的影响,在双偏振天气雷达雷达Z_(dr)系统偏差订正中加入了方位旋转关节因素。研究结果表明:选择合适的90°仰角数据,不仅可以对接收双通道不一致造成的Z_(dr)固定系统偏差进行订正,还能够进一步检测由方位旋转关节衰减不同引起的误差;利用90°仰角数据对Z_(dr)的系统偏差进行订正,稳定性和精度较高,满足双偏振天气雷达Z_(dr)精度要求。     

基于气候统计特征的雷达回波质控方法

利用北京南郊S波段雷达2011—2016年的观测资料,从雷达气候统计的角度,利用不同强度回波发生频率的统计特征及其空间分布特征,对雷达地物杂波和波束遮挡的识别与订正方法进行研究。结果表明:①利用雷达回波出现频率特征,可以很好地识别雷达近中心地物杂波和受地形高度影响的地物杂波特征;同时还可以直观地识别出雷达波束遮挡区域以及遮挡程度。北京南郊雷达地物杂波主要分布在近雷达中心和北京西部、西北部的山前地区,地物杂波主要集中在0.5°仰角和1.5°仰角层上。雷达波束遮挡主要集中在由高大建筑引起遮挡的东南方位向和由于地形引起波束遮挡的西西北方位向,波束遮挡主要集中在0.5°仰角层。②采用局部可变区域平均垂直廓线方法利用高仰角回波订正低仰角回波,能有效订正地物杂波,并保留回波的局部特征。对于波束遮挡区域的回波填补,也能够较好地保持上下层仰角回波之间的连续性,同时兼顾了回波不均性分布等特性。③基于雷达气候特征进行地物杂波识别和波束遮挡识别,无需依照先验知识,相比于传统方法能更好地反映本地雷达回波真实情况,且具有方法简单、可快速复用、本地适用性强等优点。     

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。      

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。      

双偏振天气雷达旋转关节对差分反射率因子测量结果的影响

旋转关节的质量在很大程度上影响了双偏振天气雷达双通道信号的一致性,由于现实生产工艺中旋转关节在结构上的不对称,造成双偏振天气雷达差分反射率因子(Z_(dr))的系统偏差随方位角和俯仰角发生变化,极大地影响了利用雷达数据进行定量估测降水及相态识别的精度。文章利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达机内信号源的连续波输出对该雷达的方位旋转关节和俯仰旋转关节造成的Z_(dr)测量误差进行了检测,结果表明旋转关节对双偏振天气雷达Z_(dr)的测量结果有一定的影响,综合VCP扫描模式及RHI扫描模式的结果得出旋转关节造成的影响较为稳定,为进一步利用雷达数据进行旋转关节误差订正提供了一定理论支撑。     

A Reflectivity Climatology Algorithm for Hybrid Scans and Its Application to Radar Coverage over the Tibetan Plateau

The traditional algorithm for hybrid radar scans uses standard terrain digital elevation model (DEM) data and the latitudes, longitudes and altitudes of contributing radar stations. While radar station location information is often inaccurate, signal blockages due to trees, buildings, and other surface objects are not included in the DEM data. Accordingly, hybrid scan elevations derived using this traditional algorithm are prone to errors. Here, reflectivity climatology data (the frequency of occurrence of reflectivity) are used to improve the algorithm for hybrid scans. Three parameters are introduced, then applied to evaluation of signal blockage for every radar bin using a fuzzy logic technique. This new algorithm provides an improved determination of the lowest unblocked elevation for hybrid scans. The new algorithm is validated by examining the scope and continuity of the calculated hybrid scan reflectivity in a case study, and the performance of this climatology-based algorithm is evaluated relative to the traditional terrain-based algorithm. The climatology-based hybrid scans are then used to examine the spatial coverage provided by the operational weather radar network over the Tibetan Plateau. The results indicate that the terrain-based hybrid scan algorithm introduced errors that caused obvious V-shaped gaps in hybrid scan reflectivity. By contrast, the climatology-based hybrid scan algorithm more accurately determined the lowest unblocked elevation and reduced the impacts of blockage. The coverage map illustrates the limitations of the weather radar network over the Tibetan Plateau. These limitations inhibit the usefulness of the radar data. Additional radar or observational data are needed to fill these gaps and minimize the impacts of signal blockage.     

S波段相控阵天气雷达与新一代多普勒天气雷达定量对比方法及其初步应用

受外场试验条件的限制,相控阵天气雷达在测试过程中难以与用于对比的多普勒天气雷达保持相同位置,造成不同雷达之间的观测资料无法直接对比。为了较全面地分析该情况下相控阵天气雷达的探测能力,提出了针对不同地理位置不同分辨率的雷达反射率因子匹配方法和观测资料的定量对比方法。初步使用该方法对2010年5月21日的S波段相控阵天气雷达（S-PAR）与相距54 km的南京新一代多普勒天气雷达（CINRAD/SA）观测资料进行了结构的对比及数值的分析。结果表明：（1）S-PAR的回波结构与位置均较为合理,与CINRAD/SA相比反射率因子测量偏差很小,未受地物影响的径向速度较为接近,同时单波束发射4波束同时接收的扫描方式大大节约了扫描时间;（2）S-PAR受宽波束的影响,100 km外的回波出现了明显的平滑现象,难以探测到细微结构;（3）S-PAR的灵敏度比CINRAD/SA差,100 km处的最小可测反射率因子偏高16 dBz,通过相同灵敏度的模拟后发现S-PAR较差的灵敏度是造成回波结构差异的主要原因;（4）提出的经纬度匹配方法较好地将不同位置下的雷达资料对应起来,经纬度匹配后在垂直方向的不同处理方式得到的结果存在细微差异,基于采样体积的平均方法取得的效果最佳。     

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。     

基于注意力反向投影网络的天气雷达回波超分辨率重建算法

高分辨率的天气雷达数据能揭示探测天气目标的精细结构,对灾害性天气分析和预报预警至关重要。提高天气雷达反射率数据分辨率可以提升现有业务天气雷达对中小尺度强对流灾害性天气的监测和预警能力。本文在不改变雷达硬件的情况下,提出了基于注意力反向投影网络(Attention Back-Projection Network,ABPN)的天气雷达回波超分辨率重建算法用于提高雷达反射率数据分辨率。ABPN通过在深度反向投影网络(Deep Back-Projection Network,DBPN)中加入长短跳跃连接和通道注意力机制,对关键区域精细化重建结构特征。通过对实际天气过程超分辨率重建测试,结果表明,ABPN算法在雷达回波重建质量和主观视觉评估上有明显的优势,特别是在回波细节和天气雷达的边缘结构特征方面。     

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。     

C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

天气雷达可为中尺度对流系统研究提供高时空分辨率资料, 但降雨衰减和地形遮挡等因子会对雷达信号产生严重影响。针对广东省韶关市新丰县C波段双偏振天气雷达, 选取了2018年6月8日台风“艾云尼”、8月30日华南季风降水和9月16日台风“山竹”三次降雨过程, 采用基于差分相位(Φ_DP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(Z_H)数据进行了降雨衰减和部分地形遮挡衰减订正研究, 并将订正结果与广州S波段双偏振天气雷达探测结果进行了直接对比检验, 与中国气象局龙门云物理野外科学试验基地的4台二维视频雨滴谱仪(2D Video Distrometer, 2DVD)实测雨滴谱数据反演的雷达仿真探测量及国内外Z_H-K_DP经验统计公式进行了间接对比检验, 获得较好结果。最后选择具体降雨个例, 订正结果清晰展现了台风螺旋雨带中对流单体雷达回波强度从地面到高空的垂直结构特征, 提高了复杂地形区域雷达对极端天气的近地面探测能力。      

Experimental results on rainfall estimation in complex terrain with a mobile X-band polarimetric weather radar

In this work the capability of reliable rainfall measurements with small weather radars in complex terrain for flood forecasting purposes is examined. Rain measurements were carried out during winter–spring 2007 with a mobile X-band dual-polarization radar in the northwestern mountainous part of the island of Crete in Greece. In this area a 2D-video disdrometer and a network of raingauges was installed for radar calibration and evaluation of rainfall measurements, respectively. The complex terrain of the experimental site may significantly reduce the performance of rain measurements due to ground clutter and partial or total beam blockage. A beam blockage algorithm using high resolution terrain data was applied in order to find areas with significant terrain effects and estimate correction of the radar measurements. Rain attenuation correction was based on modern sophisticated algorithms using differential phase measurements. The accuracy of rainfall estimation from standard or polarimetric algorithms at plan position indicator (PPI) scans was examined for high-temporal resolution (1 min) rainfall rates and accumulated rainfall values for winter and spring time rain events. For high elevation measurements, which were required in order to avoid terrain effects in large areas of interest, a correction for the vertical-profile-of-reflectivity (VPR) was also applied to the radar data. An average VPR model used in the corresponding correction of reflectivity was constructed based on range–height indicator (RHI) scans. It was concluded that quantitative high resolution X-band radar observations of rainfall in complex terrain is possible after careful application of all the above processing steps.     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。