多普勒雷达降水反演及其与改进的区域气候模式RIEMS的同化研究

本博士论文在前人构建的陆面水文过程模型TOPX和区域气候模式RIEMS的耦合模式的框架基础上,针对耦合模式中RIEMS对降水和蒸散发的模拟精度较低,RIEMS和TOPX模式之间尺度不匹配等几个核心问题进行了深入细致的研究:对天气雷达资料的定量估测降水方面的研究获得了对沂沭河流域最佳的Z-R关系,并通过雷达雨量计联合校正法得到较高精度的面降雨量;采用集合卡尔曼滤波同化算法对雷达反演的面雨量及区域气候模式RIEMS的降水输出进行了数据同化方案研究,获得了更好的降水模拟效果;在RIEMS和水文模型TOPX构成的耦合模型中加入同化方案,实现了流域降水的实例模拟研究,结果表明使用同化方案明显改善了水文模拟效果。     

基于GIS的X波段面雨量雷达数据提取研究

为了在水文中实现区域面雨量的监测及应用,研究面雨量的快速提取方法。首先对雨量雷达的数据格式进行说明,设计了雷达极坐标数据向面雨量栅格数据转换的方法,能够将面雨量数据无缝融合到水文GIS地图中,并采用基于Arc GIS Engine二次开发的面雨量提取软件,为测雨雷达进一步在水文中应用提供方法支撑。     

反射率因子和径向速度共同约束反演多普勒雷达风场

多普勒雷达可以提供降水回波区的风场信息。为了充分运用雷达资料分析中小尺度天气过程,本文假设反射率因子在短时间内的运动满足拉格朗日守恒,提出了采用连续两次的反射率因子回波和径向速度数据共同约束的方法来反演风场,在反演过程中避免了对径向速度的分布进行假设。针对连续两个时次之间反射率回波运动中产生的不同程度的误差做了模拟风场试验,结果表明,当回波运动随机误差不超过40%时,反演结果较为可靠。另外,本文还利用此风场反演方法进行两次中尺度天气过程的实例分析。结果表明,该方法反演的风场与实际风场结构相符,具有一定的应用价值。     

基于预测树的天气雷达回波数据无损压缩

利用了各层回波图像间的相关系数建立预测排序树,采用了自适应算术编码实现天气雷达回波数据的无损压缩,实现了天气雷达回波数据的有效压缩。     

一种反演雷达波束内不均匀反射率场的方法

本文从原始雷达方程出发,提出了一种雷达加密观测方案和退卷积的数据反演方法,以实现雷达天线波束内的反射率不均匀结构信息的提取。反演方法的数值试验表明,此反演方法比常规测量方法在角分辨率方面提高约３倍,对波束内尺度为０．５８－２．０ＨＷ（ＨＷ是天线３ｄＢ波束宽度）的反射率变化有明显的反演能力。观测数据的测量误差对反演质量的影响也进行了计算和分析。本文还讨论了反演方法对雷达观测中的一些技术参数的要求。这些结果对于提高雷达尤其是星载微波主被动遥感器在测量降水量和云中含水量等参数中的精度有重要作用和现实意义。     

秋冬季节珠三角典型区域气溶胶浓度垂直分布的激光雷达反演

气溶胶与全球热辐射平衡、水循环、人类健康密不可分,其观测精度直接影响天气预测、气候建模以及对人类健康影响评估的精度,激光雷达能监测气溶胶的垂直分布,对污染气溶胶的扩散趋势、污染源反演、气候预测等均有重要意义。本文基于激光在大气中的辐射传输过程,根据米散射激光雷达的工作原理,使用雷达的多个系统参数计算雷达常数,建立激光雷达气溶胶质量浓度反演模型,从地面向上在晴空条件下进行了珠三角地区典型区域的秋冬季节气溶胶垂直观测的实验,计算气溶胶质量浓度的垂直廓线,反演气溶胶的垂直分布情况。验证与分析结果表明:(1)激光雷达反演结果显示,白天的反演结果中噪声大大减少,表明反演算法能够有效减弱太阳光的影响。(2)相比于传统方法,使用雷达常数而非边界值的反演结果波动较小,更符合实际,能够有效避免高空噪声的影响。(3)高层大气在晴朗静稳天气状况下较为干净,气溶胶基本分布在低空区域,质量浓度随高度基本呈负指数分布。     

天气雷达站址选择的有效地理视距分析

本文在详细介绍了雷达遮蔽角图和雷达等射束高度图的制作原理和方法的基础上,分析了天气雷达的有效地理视距,开发了天气雷达有效地理视距分析系统。该系统能自动绘制雷达遮蔽角图和等射束高度图,并能对天气雷达候选站址的有效地理视距进行分析,这能为寻求天气雷达最佳候选站址带来方便。     

基于三维GIS的天气雷达组网信息平台的构建

采用基于三维GIS的全球展示模型,结合雷达站点建设信息,全方位立体化的展示了全国天气雷达的总体布局;采用气象行业专用的以雷达站点为中心的极坐标参考系,建立起单个雷达站点的局部三维探测模型;采用雷达组网拼图技术,实现了全球模型下指定高度的雷达探测范围自动制图。     

水稻微波后向散射系数的模拟分析

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ 散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４ 年４ 月航天飞机成像雷达（ＳＩＲＣ／ＸＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ） 图像进行了分析研究。利用ＳＩＲＣ 数据,从ＳＡＲ 图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４ 模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结果表明,从ＳＩＲＣ雷达数据可以反演海面风矢量,星载ＳＡＲ是提取海面风场信息的有效技术手段之一。     

利用半经验模型的土壤水分反演方法

针对土壤水分反演经验模型使用范围受限、而理论模型相对复杂的问题,该文利用积分方程模型及经验相关长度定标模型,分析均方根高度、地表相关长度、土壤体积含水量对雷达后向散射系数组合的影响;结合RADARSAT-2全极化C波段雷达数据和野外实测数据,构建研究区均方根高度反演模型;将该模型与Dubois模型、介电模型进行结合以反演表层土壤含水量,并对反演值进行线性校正,最终实现裸土区表层土壤水分反演。实验结果表明,HH、VV极化下土壤水分实测值与反演值绝对误差在0.06内的点数分别达到总点数的78%和68%,证明该方法具有一定的可靠性和实用性,可为地表均方根高度、土壤水分反演提供方法和借鉴。     

X波段高分辨率SAR数据土石坝表面相干性时序变化分析

本文以深圳公明水库6个中小型土石坝为试验区，利用10景1 m分辨率升降轨X波段TerraSAR影像和坝体附近连续气象站的降雨量数据，研究了坝体表面相干性的时序变化与雷达本地入射角及降雨的关系。试验结果表明，混凝土面板和草坡平均相干性均会随本地入射角增加而减小，同时，草坡表面平均相干性在有微小降雨的情况下就会快速下降0.1~0.2，差分干涉图的噪声增大；混凝土面板对微小的降雨敏感度小，但是在暴雨情况下将导致其表面完全失相干。上述结果表明，针对中小土石坝坡体变形监测应当顾及坝体的坡度及入射角选择合适的雷达成像参数，同时应充分利用降雨资料评估干涉图失相干情况，剔除噪声数据。     

气象卫星遥感资料在我国1994年汛期气候灾害监测中的应用

简述我国1994年汛期气象卫星遥感资料在暴雨、台风、洪水监测以及天气分析和预报中的应用。     

Operational feasibility of neural-network-based radar rainfall estimation

An operational radar rainfall estimation system based on the adaptive radial basis function (RBF) neural network is developed. During the process of training and cross validation, the rainfall estimation was computed only at the gauge locations. Once the training is done, the radar rainfall estimation based on neural networks is applied to the full coverage area of the radar. Such large-scale application of the rainfall estimate poses several questions in the context of operational applications. This letter addresses two of those questions, namely: 1) the feasibility of adaptively updating RBF neural network models on a daily basis and 2) the ability of neural network radar rainfall estimation at high spatial resolution within reasonable and practical time frame for operational applications. Using the datasets collected by WSR-88D radar located in Melbourne, FL, it is demonstrated that radar-based rainfall estimation using an adaptive RBF neural network is feasible. The results show that 73% of overnight updating for the RBF neural network can be completed within 2 h, and the estimation over an area of 100 km/spl times/100 km can be generated within the time frame (a few tens of seconds-150 s), which is much smaller than the average radar volume scan time.     

Web‐based real‐time visualization of large‐scale weather radar data using 3D tiles

Weather radar data play an important role in meteorological analysis and forecasting. In particular, web‐based real‐time 3D visualization will enable and enhance various meteorological applications by avoiding the dissemination of a large amount of data over the internet. Despite that, most existing studies are either limited to 2D or small‐scale data analytics due to methodological limitations. This article proposes a new framework to enable web‐based real‐time 3D visualization of large‐scale weather radar data using 3D tiles and WebGIS technology. The 3D tiles technology is an open specification for online streaming massive heterogeneous 3D geospatial datasets, which is designed to improve rendering performance and reduce memory consumption. First, the weather radar data from multiple single‐radar sites across a large coverage area are organized into a spliced grid data (i.e., weather radar composing data, WRCD). Next, the WRCD is converted into a widely used 3D tile data structure in four steps: data preprocessing, data indexing, data transformation, and 3D tile generation. Last, to validate the feasibility of the proposed strategy, a prototype, namely Meteo3D at https://202.195.237.252:82 , is implemented to accommodate the WRCD collected from all the weather radar sites over the whole of China. The results show that near real‐time and accurate visualization for the monitoring and early warning of strong convective weather can be achieved.     

Suppression of Clutter Residue in Weather Radar Reveals Birds' Corridors Over Urban Area

An adaptive spectral technique for ground clutter and noise suppression in weather radar echoes is presented. This technique detects weak echoes that are masked by the residuals from ground clutter. The technique is demonstrated on two clear air cases observed with Doppler weather radar. After adaptive suppression of ground clutter and its residue, features appear over the Oklahoma City urban area where otherwise none could be seen. These are interpreted as birds' corridors between two lakes and along a river.     

Comparison of Raindrop Size Distribution Estimates From X-Band and S-Band Polarimetric Observations

This letter evaluates the consistency of rainfall drop size distribution (DSD) parameters that were estimated from attenuation-corrected X-band dual-polarization (XPOL) radar measurements with estimates from a colocated S-band dual-polarization radar (S-Pol). The DSD retrieval technique uses reflectivity and differential reflectivity, and a constrained relationship to estimate the three parameters of a ldquonormalizedrdquo gamma distribution model. The more definitive S-Pol DSD parameter estimates are used as a reference to assess the performance of the corresponding XPOL estimates for different rain-path attenuation values. Results show that XPOL attenuation-corrected profiles can provide rainfall DSD estimations that are consistent to an S-band dual-polarization radar, even in cases of moderate to high rain-path attenuation.     

小旋转椭球粒子群降水区雷达回波衰减订正模拟实验

计算了降水区雨滴形状和雨滴群旋轴相对于雷达波偏振方向不同取向情况下的Z－I关系和k-I关系，并用5种衰减订正算法进行雷达回波衰减订正效果研究，结果表明，在已知小旋转椭球粒子群取向的情况下，雨强越大，降水区回波衰减的可订正厚度越小；雨强80mm/h均匀分布时，使用R2或R3订正法，5．6cm雷达回波可订正厚度在120km以上，3．2cm雷达可订正厚度为50km左右；雷达遥感降水时，有必要正确估计小旋转椭球粒子群的取向，以便选用正确的k-Z关系，提高衰减订正效果。