新一代天气雷达负仰角探测能力分析

由于地球曲率的影响,当CINRAD.SA新一代天气雷达使用目前最低仰角同定为0.5°的模式探测时,探测肓区较大,对低层降水回波的探测能力严重不足.在实地展开试验的基础上,推导了负仰角探测时雷达最低探测高度计算公式,计算出仰角为0.5°、0°、-0.3°、-0.5°时不同探测距离上的雷达最低探测高度,对比分析不同仰角观测模式的主要雷达产品特点,探讨新一代天气雷达使用负仰角观测模式的局限性,提出了新一代天气雷达使用负仰角观测的建议.     

改进新一代天气雷达低层探测能力研究

为进一步改进新一代天气雷达低层探测性能和提高风暴顶高的准确性,利用SRTM(Shuttle Radar TopographyMission)地理信息数据,研究和设计新一代天气雷达的体扫模式,主要是增加中低层仰角数和负仰角,以提高我国新一代天气雷达的低层探测能力。选取福州、龙岩两部雷达为例来计算降水模式的仰角,得出两部雷达新的观测模式VCP12。通过观测试验表明,增加低仰角或负仰角后,能够提高雷达的低层探测性能。     

高山上新一代天气雷达的探测分析与效能发挥

以泰山新一代天气雷达CINRAD/CD为例,结合泰山原713天气雷达多年的使用经验,计算并分析了天气雷达的最佳探测仰角和最低探测高度,根据泰山新一代天气雷达(简称泰山CD雷达)与济南新一代天气雷达(简称济南SA雷达)回波的DBZM、C-VIL对比分析,揭示不同海拔高度雷达在相同仰角下观测的回波的差异,指出泰山CD雷达由于使用了与平原雷达统一的0.5°以上仰角的观测模式,造成了对降水回波的探测能力不足,并指出泰山CD雷达要发挥最大效能应如何改进的建议。     

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。     

江苏北部龙卷雷达组网探测策略

为了探测、分析和研究尺度小、生命史短、致灾重的龙卷等强对流天气三维精细化垂直结构及演变规律,江苏正在龙卷易发区苏北平原建设高时空分辨率的双偏振雷达网。本文为支撑苏北龙卷雷达网建设,从龙卷雷达组网的必要性出发,重点分析苏北龙卷雷达组网策略。研究表明:(1)苏北龙卷雷达网拟采用大天线、全固态、高性能技术指标的X波段双偏振雷达组网,采用不同的观测模式,可获得空间一致性好、时空分辨率高且丰富的探测数据,满足龙卷等强对流天气的快速、精细化探测要求。此外,采用较高的脉冲重复频率等扩展测速范围,解决X波段雷达速度模糊问题。(2)经理论计算与比较,苏北龙卷雷达网可采用正三角形组网拓扑结构,取累计空间密度值90%,雷达间距为60km时,波束直径b_s特征值为282.0m,最低波束高度b_h特征值为52.6m,探测灵敏度Z_(min)特征值为2.7dB;X波段雷达组网与S波段业务雷达相比,在60km探测距离处,其波束直径减小了约2倍,0°仰角盲区高度降低了约1.5倍,探测灵敏度降低了2.4dB。即在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力、数据空间一致性等方面均得到提升,可提供更多低于1km、甚至百米的高时空分辨率的雷达资料,便于捕捉龙卷等强对流天气。(3)苏北龙卷雷达网在盐都、阜宁、大丰、宝应、兴化(龙卷易发区),各布设一部固定式X波段全固态双偏振多普勒天气雷达。综合考虑在苏北平原雷达选址的各种因素,最终雷达网基本单元拟采用近似正三角形(N=3,L=45～65km)的拓扑结构。5部高时空分辨率的龙卷探测雷达组成3个近似正三角形的单元,镶嵌在S波段雷达业务网内(盐城、淮安、泰州雷达中间)。后续可进一步增加雷达数量及拓宽观测区域,例如在高邮等龙卷易发地区,可增补X波段天气雷达或C波段相控阵天气雷达。     

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数据的天气雷达探测环境分析研究

利用SRTM高程数据作为选址基础数据,结合天气雷达工作方式和探测方法,计算得到天气雷达在0.5°、1.0°、2.4°仰角上地物遮挡情况;利用高程格点数据获得3个仰角的地物剖面数据,提高了SRTM数据利用精度和运算速度;分析中结合地球曲率和电磁波折射影响,改进算法获得站点遮蔽角图,站点上空1 km、海拔3和6 km等射束高度图及数据,该分析结果充分体现了SRTM数据的高分辨率特点。最后将结果数据与GIS地图结合,完成了四川省天气雷达网探测环境分析,并给出了各个台站评估结果。     

云南多普勒天气雷达网探测冰雹的覆盖能力

冰雹是常见的天气现象之一,天气雷达是探测冰雹的一种强有力工具。多普勒天气雷达网除体扫模式的局限外,复杂的山地地形对雷达波束造成的遮挡,对于雷达探测冰雹天气现象的不利影响非常大。针对雹云回波的垂直结构特征,考虑0℃、-20℃层高度和回波强中心高度几个关键参数,分析雷达探测雹云的区域覆盖能力。以位于低纬度高原的云南省C波段多普勒天气雷达网为对象,分析其探测雹云的覆盖情况,并按探测效果进行了区域分型。与实际降雹天气的对比表明,该评估方法衡量雹云探测范围较合理;云南多普勒天气雷达网雹云适合探测区约占全省面积的75%,约2%的面积部分遮挡,0.2%被完全遮挡,遮挡比较严重的区域主要位于昭通东北部和临沧东北部。云南省规划的9部雷达全部业务化运行后,理论上90%的地面降雹区能被雷达有效监测和识别,约有3%的地面冰雹区只有当雹云发展到8 km以上才能被识别,约6%只能探测8 km高度以下的回波,可能导致漏判、误判,约8.5%面积为冰雹识别的盲区。     

多部X波段天气雷达测量偏差分布及组网拼图结果分析北大核心CSCD

在与附近新一代天气雷达对比的基础上,利用自2013年6月起中国科学院大气物理研究所的三部X波段天气雷达在江苏开展了组网观测试验的观测资料,初步对雷达的探测能力和雨区衰减做了分析和订正,同时使用了中国气象科学研究院三维组网系统,将X波段天气雷达与业务雷达资料组网,探索了X波段天气雷达的对业务雷达的补充效果。结果表明:(1)X波段天气雷达的观测数据分别受到了地物回波、遮挡及雨区衰减的影响,已对基数据做了初步的质量控制;(2)通过回波结构和廓线图的对比,经地物抑制、衰减汀正等方法质控后的数据存一定范围内具有较高的可靠性,同时三部X波段天气雷达能够有效探测到60 km内的降水结构,其回波分布较为合理,准确的反映了降水区域的特征;(3)将三部X波段天气雷达观测资料与业务中的新一代天气雷达组网后,得到了结构连续、分布更广、平滑作用更低的资料,补充了新一代天气雷达的低空盲区。     

多部X波段天气雷达测量偏差分布及组网拼图结果分析

在与附近新一代天气雷达对比的基础上,利用自2013年6月起中国科学院大气物理研究所的三部X波段天气雷达在江苏开展了组网观测试验的观测资料,初步对雷达的探测能力和雨区衰减做了分析和订正,同时使用了中国气象科学研究院三维组网系统,将X波段天气雷达与业务雷达资料组网,探索了X波段天气雷达的对业务雷达的补充效果。结果表明:(1)X波段天气雷达的观测数据分别受到了地物回波、遮挡及雨区衰减的影响,已对基数据做了初步的质量控制;(2)通过回波结构和廓线图的对比,经地物抑制、衰减汀正等方法质控后的数据存一定范围内具有较高的可靠性,同时三部X波段天气雷达能够有效探测到60 km内的降水结构,其回波分布较为合理,准确的反映了降水区域的特征;(3)将三部X波段天气雷达观测资料与业务中的新一代天气雷达组网后,得到了结构连续、分布更广、平滑作用更低的资料,补充了新一代天气雷达的低空盲区。     

测风雷达在超大城市综合观测中的探测效能评估

针对广州超大城市综合观测建设中,为了获取典型天气过程特征风数据,需使用最优观测设备连续观测城市上空边界层内风分布状况的问题,选取3部不同类型的测风雷达与清远探空站数据进行对比分析.通过计算测风雷达数据的可用率、风向风速准确率及误差情况,对3部测风雷达的探测效能做出评估,得出在边界层内不同垂直高度上探测效能最优的设备,为广州超大城市综合观测建设提供依据.     

基于模板匹配法的长乐雷达强超折射回波识别

我国有许多新一代天气雷达架设在高山上,由于海拔高度较高,加上地球曲率的影响,在使用VCP11/VCP21模式探测时,造成较大的探测盲区,对低层降水回波的探测能力严重不足。长乐新一代天气雷达经过调整观测模式后,采用负仰角扫描有利于中小尺度灾害性天气系统的监测和预警,但同时会带来地物回波增强、海浪回波及超折射等负面效应。基于此,通过大量个例统计并分析长乐雷达在特定大气条件下的强超折射回波特征,借助模式识别理论提出了一个新方法"模板匹配法"识别强超折射回波。利用大量强超折射回波数据的检验和分析,结果表明该方法能够在不影响负仰角扫描模式下有效滤除长乐雷达的强超折射回波。目前该方法正在试运行,即将应用到中国新一代天气雷达建设业务软件系统开发ROSE项目中。     

新一代天气雷达降水估算的区域覆盖能力评估

准确分析雷达的覆盖能力是应用新一代天气雷观测数据的重要基础,本文提出依据0℃层高度和雷达波束阻挡来分析雷达降水估算有效覆盖范围的方法,并以浙江为例,客观评估了新一代天气雷达针对降水估算的区域覆盖能力。分别评估雷达网当前业务中默认的降水估算混合扫描方法和考虑地形影响的混合扫描方法的覆盖效果,结果表明:相对SA雷达230 km的降水估算半径,本地主汛期内有17%的区域因波束太高而不适宜于降水估算;而在适宜高度范围内的有效覆盖与波束阻挡直接相关;无论哪种方法,因波束阻挡产生的盲区都较小;而业务默认方法由于未处理波束阻挡,导致35%的降水低估风险区,浙江大部分地区都存在低估风险;而考虑波束阻挡后有效覆盖区达82%以上,且对全年绝大部分降水的区域覆盖效果都相当好。鉴于浙江雷达网良好的覆盖能力,提出改进的雷达降水估算混合扫描方法,即在应用波束阻挡的同时,以本地0℃层为波束高度约束,从所有仰角中提取混合扫描数据。对比分析表明,该方法不仅满足区域覆盖的要求,而且估算的降水空间分布与地面观测实况的一致性最好。     

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。     

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.     

移动双偏振雷达野外观测模式探讨

文章分析了WSR-88D或CINRAD/SA中常用的降水模式VCP21的扫描特点与扫描参数,结合移动雷达的参数设置要求与预报服务的需求,探讨了移动雷达体扫描的设定。主要有三个方面:(1)由于起始角度选择不当,使地物杂波对反射率产品与双偏振产品质量产生影响;(2)探讨径向扫描参数,如脉宽、距离库、探测距离、脉冲重复频率等之间相互制约的关系,考虑以62.5km为代表的近距离、125km为代表的远距离与两者之间各参数的预设值;(3)基于移动雷达补充现有两部S波段多普勒天气雷达扫描探测盲区的服务需求,初步研究体扫描中仰角值的设置。     

雷达VIL在局地强对流天气应用中应注意的几个问题

结合兰州新一代天气雷达的使用情况,介绍了其物理量产品中垂直积分液态含水量(Verti-cally Integrated L iqu id W ater Content,)的理论计算模式,从雷达观测距离对VIL计算的影响、VIL理论模式中的反射率强度和探测高度对VIL计算的影响及VIL在强对流天气识别中受季节变化的影响3方面提出了思考,以期为今后应用VIL识别强对流天气提供参考。     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

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。     

新一代天气雷达与TWR01小天气雷达在一次强降水天气过程中的对比分析

通过对贵阳多普勒雷达和独山TWR01小天气雷达资料在一次强降水天气过程中四个时段的观测资料和四个时段的自记降水资料进行分析对比．得出新一代多普勒天气雷达由于贵州地形影响等原因．存在一定的探测盲区,而TWR01小雷达对小范围的对流云层观测更清楚、更接近当时天空的实际情况,是多普勒天气雷达很好的补充。