雷达故障和标校错误导致的异常回波分析

利用CINRAD/SA雷达与探空实况资料对2013年4月3日和7月3日石家庄雷达的异常回波进行了分析,发现由于雷达伺服系统故障,扫描线方位角出现错位,形成了2013年4月3日的"丝状"回波;2013年7月3日的异常回波中包含云的回波和超折射回波,出现1.5°回波面积大于0.5°的原因是由于维修人员在4月6日利用太阳法进行雷达波束指向标校时没有准确校时,使用了错误的计算结果对雷达系统进行标校所致。给出了利用太阳法标校雷达方位角和仰角的相关参数的算法,并对故障现象进行了模拟。指出雷达硬件故障和系统标校错误导致的异常回波直接影响预报员对天气系统发生、发展的分析和判断,提出了"丝状"回波的数据质量控制方法,建议为雷达站配备高精度的授时设备。为超折射回波的识别及雷达运行保障提供经验和科学依据。     

根据异常回波特征和报警信息判断雷达故障部位

对CINRAD/SA雷达发射机、接收机、伺服系统等不同部位硬件故障产生的异常回波、雷达数据和报警信息进行了分析。指出通过建立实时雷达状态信息库,对基数据进行雷达状态参数检查,形成包含基数据、状态参数、和报警信息在内的异常回波数据块,可实现实时雷达数据质量控制,提高新一代天气雷达数据质量。实际工作中业务人员可通过调用实时数据库获取数据质量信息,对雷达数据是否准确和可用进行判断。根据石家庄雷达站应用统计,可以对90%以上的异常回波数据进行剔除,为故障自动识别和探测技术方法的改善提供参考。     

台站级CINRAD/SA雷达数据质量检测技术及应用

新一代天气雷达产品均由雷达基数据直接或通过算法等生成的,可能会出现数据质量问题,因此,利用雷达基数据和雷达主要状态信息,开展数据质量检测,能及时发现雷达回波强度异常值、无回波、奇异回波图等问题。本文对CINRAD/SA雷达运行的性能参数、监控信息、报警信息进行梳理,形成判据及阈值,并对江苏省SA雷达异常回波、基数据进行统计、分析,以解决由于雷达本身原因造成的回波异常,构建台站级雷达数据质量检测的方法,重点对雷达基数据进行数据质量检测,及时发现异常回波、无回波等数据质量问题,通过短信预警,指导台站进行维护维修,从而限制由于雷达自身原因造成的异常回波资料进入预报领域。     

新一代天气雷达天馈系统故障分析诊断方法和技巧

故障分析诊断技术对保障气象大型装备可靠业务运行具有重要作用。依据CINRAD/SB型新一代天气雷达天馈系统信号流程,通过对新一代天气雷达天馈系统故障诊断方法进行研究,总结出天馈系统漏气、打火故障检测方法,天馈系统损耗大的故障诊断流程和故障定位6种方法。按照故障诊断流程和其中的外接信号源联合频谱仪法,分析诊断、定位并修复了天馈系统天线座内环流器故障导致的雷达观测回波强度偏弱、灵敏度降低故障的典型个例。结果表明,根据雷达现场配备仪表状况,通过故障诊断流程,采用合适方法和技巧,可达到快速定位天馈系统故障部位、在最短时间修复雷达故障目的。     

X波段相控阵气象雷达回波数据的对比分析

为探究、验证X波段相控阵气象雷达系统及其回波数据的可靠性,基于X波段相控阵气象雷达系统及地基外场试验,对比分析了X波段相控阵气象雷达系统与X波段机械式天线气象雷达系统的回波数据。在脉宽为6μs和1μs两种探测模式下,通过散点分布和概率分布方法对比分析了相控阵天气雷达的回波强度和径向速度数据的差异性。结果表明:(1)在脉宽为6μs和1μs的探测模式下,X波段相控阵气象雷达与常规天气雷达有比较接近的探测能力和可靠的数据质量;在远距离处,相控阵气象雷达的回波数据呈现层次结构清晰、轮廓显著的特性;(2)宽波束以及波束宽度展宽等特性平滑了相控阵气象雷达的回波强度,改变回波结构,弱回波区面积减小,强回波区增大;(3)天线增益不均匀影响相控阵雷达数据质量,理论上可以用1/(cosθcosφ)的增益修正因子对回波强度进行修订。     

基于深度学习的天气雷达异常数据识别技术

天气雷达基数据中因观测设备故障或标定问题而产生的异常数据,直接影响天气雷达数据质量、定量估测降水及天气系统的分析和判断。目前在中国气象局气象探测中心实时业务中,通过人工勘误环节对异常数据进行处理。针对2020—2022年业务中勘误较多的、大面积故障异常和易与降水数据混合的局部电磁干扰或故障的两类异常数据,分别构建和训练R-ResNet和R-LinkNet两种模型,提取雷达硬件故障、电磁干扰等特征,实现异常数据的识别和处理。评估结果表明:两种模型在提取异常数据特征方面均具有很强的学习能力,R-ResNet在分类判识异常数据与正常数据的准确率超过99%,R-LinkNet在分离电磁干扰杂波和降水回波的准确率超过98%。两种模型可用于实时业务中监控和勘误电磁干扰、故障等异常数据,实现异常数据的自动勘误处理。     

新一代天气雷达均一性评估

为实现对全国天气雷达不同波段、不同型号、不同区域的回波差异进行检测和评估,确保雷达组网数据的均一性,利用经过严格数据质量控制后的单站雷达CAPPI格点数据,建立了可靠的相邻雷达回波强度均一性检测算法,并根据我国天气雷达回波差异实际状况制定了均一性评估标准,实现均一性算法的业务运行,使雷达观测同一区域回波反射率的实时均一性评估成为可能。从评估结果来看:①S波段雷达整体均一性强于C波段雷达,SA雷达均一性状况最好,CC、CD雷达均一性状况较差;②以SA型号雷达为主的华东、华南地区均一性较好;③雷达波段不一,型号繁多的偏远区域均一性较差。均一性评估系统对有回波但回波强度、回波位置不正确以及雷达数据时间错位的情况,能有效弥补其他质控算法的短板,及时发现雷达回波异常,缩短故障修复时间,提高雷达数据准确性。     

基于Supermap的雷达基本产品显示

随着对多普勒天气雷达获取的回波信息(包括回波强度、径向速度和谱宽信息)与有关天气现象之间关系认识的不断深入,人们需要对上述信息进一步加工、计算和处理,使之更加符合气象业务工作的要求,而计算机技术的迅猛发展使这种需求成为可能。应用多普勒雷达探测到的基本回波强度、径向速度和谱宽数据,经过加工处理、坐标变换和计算生成与气象有关的物理量后而产生的数据或图像称为产品。本文是基于Supermap的雷达基本产品显示,包括回波强度、径向速度和谱宽。设计中利用已经获得的雷达基数据,在了解基数据格式的条件下,通过Visual C++6.0平台将雷达站址段、性能参数段、观测参数段及数据段数据读出并配以坐标,根据反射率、径向速度和谱宽的特点,分别利用不同的颜色标识基本产品所反映的不同物理参数,利用Supermap软件实现雷达基本产品的显示,同时显示基本产品的相关参数和显示要素并实现产品图的放大、缩小以及漫游。通过Supermap软件处理的图像精确度高、图形逼真、成图时间短,实现了图形数据共享,方便图形数据存储、保管和使用,大大提高了产品的实用性和使用效率。     

新一代多普勒天气雷达强度定标研究

天气雷达回波强度的强弱直接影响预报员对降水强度的判断,在重大气象灾害天气过程中,回波强度偏差有可能导致漏报而产生无法挽回的损失,中国气象局提出“到2022年底全国新一代天气雷达反射率因子标准偏差平均值从4.5dB降低到3.5dB”的目标,就是为了提高雷达监测均一性,降低客观因子对预报质量的影响。本文对岳阳、长沙、湘潭、益阳雷达产品对比分析,利用数据平均偏差方法计算雷达回波强度的扩散特征,得出岳阳雷达回波强度较其他三部雷达均偏弱约4dB以上的结论,并采用“对点测量”方法对岳阳雷达进行重新标定,将平均偏差降低至2.5dB以内,降低了中尺度区域内不同雷达之间的平均偏差,有效增强了回波强度一致性,对提高雷达业务可用性具有十分现实的意义。     

CINRAD/SA雷达伺服系统稳定性对数据质量的影响

本文分析CINRAD/SA雷达伺服系统运行不稳定,主要有雷达方位俯仰定位超限、跳变、伺服故障等原因,造成雷达回波异常,并将回波异常分为3类。研究从雷达基数据中检测出雷达伺服系统方位俯仰的定位超限、跳变、故障等质控判别方法,及时发现雷达存在的异常回波问题,推送预警短信,指导台站及时进行维护维修,从而在源头上控制由于雷达伺服系统原因造成的异常回波资料生成,提升雷达数据和产品质量。     

Improved Algorithms for Removing Isolated Non-Meteorological Echoes and Ground Clutters in CINRAD

Using China New Generation Weather Radar (CINRAD) level-II data, the original algorithms for removing isolated non-meteorological echoes and ground clutters in radar data, which have been applied to Weather Surveillance Radar-1988 Doppler (WSR-88D) in the USA and Severe Weather Automatic Nowcast (SWAN) system in China, are modified and improved. To remove isolated non-meteorological echoes, the new algorithm introduces a constraint parameter (P_o) to distinguish whether a window of 5 × 5 points is isolated as external echoes. A statistical analysis of 150 radar scans (5 cases, with each case comprising 30 scans) under three different echo types (small-scale convection, typhoon, and large-scale synoptic system) shows that the constraint parameter P_o ? 0.167 is suitable for removing isolated non-meteorological echoes while preserving the edge of meteorological echoes. A new parameter, NDZ, which promotes the ability of the algorithm to identify the ground clutters appearing at two adjacent elevation angles, is constructed based on the vertical continuity of reflectivity. These improved algorithms are tested for four cases (three cases of isolated non-meteorological echoes and one case of ground clutters). Based on the statistics of 232 volume scans of radar data (on a temporal resolution of 1 h) measured at Nanchang station from 0000 UTC 5 to 1600 UTC 14 March 2015, it is found that the improved algorithms not only eliminate most (over 95% under clear-sky conditions) of the isolated non-meteorological echoes and ground clutters (including those appearing at two adjacent elevation angles), but also well preserve the structure of meteorological echoes (storms). Key words: radar, isolated non-meteorological echoes, ground clutter, quality control     

Identification and removal of non-meteorological echoes in dual-polarization radar data based on a fuzzy logic algorithm

A major issue in radar quantitative precipitation estimation is the contamination of radar echoes by non-meteorological targets such as ground clutter, chaff, clear air echoes etc. In this study, a fuzzy logic algorithm for the identification of non-meteorological echoes is developed using optimized membership functions and weights for the dual-polarization radar located at Mount Sobaek. For selected precipitation and non-meteorological events, the characteristics of the precipitation and non-meteorological echo are derived by the probability density functions of five fuzzy parameters as functions of reflectivity values. The membership functions and weights are then determined by these density functions. Finally, the non-meteorological echoes are identified by combining the membership functions and weights. The performance is qualitatively evaluated by long-term rain accumulation. The detection accuracy of the fuzzy logic algorithm is calculated using the probability of detection (POD), false alarm rate (FAR), and clutter-signal ratio (CSR). In addition, the issues in using filtered dual-polarization data are alleviated.     

Recent Progress in Dual-Polarization Radar Research and Applications in China

Dual-polarization(dual-pol)radar can measure additional parameters that provide more microphysical information of precipitation systems than those provided by conventional Doppler radar.The dual-pol parameters have been successfully utilized to investigate precipitation microphysics and improve radar quantitative precipitation estimation(QPE).The recent progress in dual-pol radar research and applications in China is summarized in four aspects.Firstly,the characteristics of several representative dual-pol radars are reviewed.Various approaches have been developed for radar data quality control,including calibration,attenuation correction,calculation of specific differential phase shift,and identification and removal of non-meteorological echoes.Using dual-pol radar measurements,the microphysical characteristics derived from raindrop size distribution retrieval,hydrometeor classification,and QPE is better understood in China.The limited number of studies in China that have sought to use dual-pol radar data to validate the microphysical parameterization and initialization of numerical models and assimilate dual-pol data into numerical models are summarized.The challenges of applying dual-pol data in numerical models and emerging technologies that may make significant impacts on the field of radar meteorology are discussed.     

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。     

华南前汛期暴雨C波段雷达特征应用研究

运用广州白云机场C波段雷达回波强度及径向风资料对华南前汛期强降水过程进行雨带降水估计及其移动特征预测.C波段雷达在雨量充沛地区的强降水背景下,尽管回波强度被衰减,但是近距离范围内其探测云雨精细化结构的能力较强.所采取的雷达数据质量控制系列处理,能够保留雷达数据原有特征,有效滤去杂波和噪声并缓解雷达低仰角数据杂波多、体扫面上沿径向远近高度差较大的问题,并对降水估测提供了技术保障.最优化雷达Z-I强降水估测方法基于单次过程体扫信息,具有计算简洁快速的特点,但是同一体扫面上云状差异对最优化方法参数值比较敏感,混用相同参数,影响降水估测效果.对同一体扫面上雷达云状回波进行区域划分,并选择对应测雨站点,做最优化参数分别确定,有效改善最优化雷达降水估测,提高了C波段雷达在机场近距离范围的应用效果.运用雷达体扫时间分辨率高的特点,识别雷达径向风辐合线以及强回波中心位置,并分别应用外推法预测雨带走向、移速等,验证效果良好.     

Automatic Identification of Clear-Air Echoes Based on Millimeter-wave Cloud Radar Measurements

Millimeter-wave cloud radar(MMCR) provides the capability of detecting the features of micro particles inside clouds and describing the internal microphysical structure of the clouds. Therefore, MMCR has been widely applied in cloud observations. However, due to the influence of non-meteorological factors such as insects, the cloud observations are often contaminated by non-meteorological echoes in the clear air, known as clear-air echoes. It is of great significance to automatically identify the clear-air echoes in order to extract effective meteorological information from the complex weather background. The characteristics of clear-air echoes are studied here by combining data from four devices: an MMCR, a laser-ceilometer, an L-band radiosonde, and an all-sky camera. In addition, a new algorithm, which includes feature extraction, feature selection, and classification, is proposed to achieve the automatic identification of clear-air echoes. The results show that the recognition algorithm is fairly satisfied in both simple and complex weather conditions.The recognition accuracy can reach up to 95.86% for the simple cases when cloud echoes and clear-air echoes are separate,and 88.38% for the complicated cases when low cloud echoes and clear-air echoes are mixed.     

面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制

双偏振雷达是强对流天气分析和云微物理研究的重要探测设备,将多普勒天气雷达升级为双偏振雷达是我国未来几年强对流天气监测发展建设的重点计划,而双偏振雷达资料质量控制是其中的关键技术问题。针对国内首批业务布建的广东省S波段双偏振雷达网研发建立了一套完整的质量控制技术方案,除了重点解决非气象回波外,还考虑了非标准波束遮挡和径向高频脉动问题。在飑线、暴雨和台风3类华南季风区强天气个例的应用表明,基于模糊逻辑的水凝物分类、偏振量（零滞后互相关系数、信噪比和比差分相位）阈值检查和杂波剔除能有效剔除非气象回波,抑制异常传播波束导致的虚假回波;线性内插较好地弥补了非标准波束遮挡带来的观测缝隙;中值滤波和滑动平均既过滤了偏振观测量在雷达径向的高频脉动,又保留了主要的偏振雷达观测特征。质量控制后的气象回波约占有效观测（反射率因子大于-30 dBZ）的40%,其偏振量取值分别为反射率因子大于5 dBZ、零滞后互相关系数大于0.8和差分反射率为-0.2~4 dB。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除。为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7—8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别。通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用（降水估测等）具有正贡献。