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。     

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.     

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。     

陕西天气雷达覆盖率评估与分析北大核心CSCD

提出计算地表任意一点上空对应的特定高度的雷达探测覆盖率的方法,并利用地形高程数据,研究了陕西及周边省份23部新一代天气雷达的探测能力。此外,对3部高山雷达站负仰角观测模式进行了数值模拟,给出最优的最低观测仰角。结果表明,新一代天气雷达对陕西上空不同高度的一重覆盖率和二重覆盖率分别为:0.5 km高度为48.6%、2.3%,1 km高度为80.0%、18.9%,2 km高度为98.7%、74.5%,3 km高度为99.9%、97.1%,4 km高度均为100%。将陕西3部X波段天气雷达考虑在内的话,1 km高度的一重覆盖率和二重覆盖率分别提升至82.7%、32.1%。在此基础上,依据年平均降雨量、GDP和人口数量,提出了计算陕西境内雷达覆盖盲区(县)建设雷达优先级的方法。研究可为未来在雷达覆盖盲区建设天气雷达提供理论和技术支撑。     

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。     

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。     

郴州天气雷达估测降水量误差分析

新一代天气雷达系统使用Z-I关系式反演降水,在估测降雨时不同地域具有不同误差;在观测降水时受到水平阵风或短时大风、回波强度、地形、大气折射等因素影响,可能降低雷达定量估测降水的精度。本文利用湖南郴州雷达基数据不同低仰角反射率因子分别估算出降水量,对比分析了不同仰角雷达反演估测降水量与自动雨量站雨量数据之间的误差。通过对雷达估测降水的误差来源分析、估测降水误差并应用数学统计分析误差,初步得出:2.4°仰角估测降水与雨量站的观测数据线性相关系数最高,雷达估测的降水较为真实。而0.5°、1.5°仰角受地型影响估测降水可行性不高。     

佛山市X波段双偏振雷达地形遮挡与覆盖面积分析

利用SRTM3高分辨率的数字高程模型(DEM)对佛山市已建成的4部X波段双偏振雷达进行地形遮挡分析。结果表明:南海、三水、顺德雷达在0.5°低仰角遮挡严重,而高明雷达在0.5°低仰角基本没有遮挡。在1.5°仰角除三水还有少量遮挡外,其他雷达基本没有遮挡。另外,南海、三水雷达仰角1.8°、2.8°,顺德雷达仰角1.5°、2.5°,高明雷达仰角0.5°、1.5°低层2层仰角组网的扫描数据比较可靠。X波段双偏振雷达总的覆盖面积约为30005km^2,2部雷达共同观测面积为22569km^2,占总覆盖面积的75%,3部雷达共同观测面积为12503km^2,占总覆盖面积的42%,4部雷达共同观测面积为5608km^2,占总覆盖面积的19%。佛山市X波段雷达整体的遮挡率比较低、覆盖面积大、布网情况好。     

固态毫米波雷达探测模式的对比评估与分析

利用2014年广东阳江和青藏高原外场观测中多种探测仪器的观测资料,对比了灾害天气国家重点实验室与航天科工23所联合研制的固态毫米波雷达三种探测模式最小可测回波强度、可测液态水(冰水)含量、观测同一目标时回波强度的差异以及与K波段微降水雷达回波强度的差异等。结果表明:(1)毫米波雷达不同模式最小可测回波强度差异与理论差异一致,边界层模式和降水模式能观测近地面全部层云和积云,卷云能观测5km高度冰水含量在0.0007 g·m~(-3)以上的卷云,随着高度上升探测能力有所下降;(2)毫米波雷达使用不同模式观测同一目标时,不同观测模式宏观回波强度一致,大部分差异不超过3.5 dB;(3)K波段微降水雷达和Pasivel2激光雨滴谱仪的近地面回波强度一致,毫米波雷达与K波段微降水雷达存在系统差异。     

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。      

改进的精细分辨率雷达探测强对流效果评估

简要介绍了改进精细分辨率雷达所涉及的提高空间分辨率和智能化、快速扫描等技术。利用改进后的雷达精细分辨率数据和原始分辨率数据,对不同强天气类型的探测效果进行了对比分析,结果表明：精细分辨率数据可获得比原始分辨率数据更大的相对径向速度,辐合辐散和速度极值也更明显;获取更为清晰的超级单体结构以及龙卷涡旋特征和龙卷碎片特征等,更早识别出对流单体和雷暴云团;采用精细分辨率数据进行定量降水估计的精度与原始分辨率数据相当或略有提升。改进后精细分辨率数据具有更高的空间分辨率（双偏振）雷达观测特征,在对中小尺度强对流回波监测和识别的实际业务中具有较明显优势。     

用Burst技术改善CINRAD/SA天气雷达相位噪声

为了改善系统相位噪声及地物杂波抑制能力,对国内部分CINRAD/SA天气雷达实施了Burst技术改造,以减少和消除发射信号相位抖动的影响。为了检验CINRAD/SA天气雷达在Burst技术改造后相位噪声及地物杂波抑制能力的改善效果,采用理论分析、性能测试和回波数据分析等方法对性能进行了测试。检验结果表明,Burst技术改造后CINRAD/SA天气雷达系统的相位噪声降低约0.05°,地物杂波抑制能力提高到55dB以上,相位噪声及地物杂波抑制能力改善较明显,可作为其他型号天气雷达技术改造的良好借鉴。     

利用MATLAB实现CINRAD/CC雷达回波三维显示

基于MATLAB对CINRAD/CC雷达基数据文件进行读取和解析,并利用Matlab的图像处理技术对雷达产品进行三维图形的建模和着色,将不同仰角、不同类别的雷达产品形成以三维坐标表示的图像像素集合,实现了CINRAD/CC多普勒天气雷达反射率因子、径向速度、谱宽等产品的三维显示。三维显示的雷达回波产品可通过旋转控制任意改变视角,可以方便、直观地充分观察各仰角层次、各方位角度雷达回波的细节和空间分布情况,便于快捷、直观地了解回波的三维结构特征。     

南昌双偏振天气雷达地物杂波抑制效果分析

为评估南昌CINRAD/SAD双偏振天气雷达对地物杂波的抑制效果,使用2019年6—10月南昌单偏振雷达基数据和2022年同期南昌双偏振雷达基数据,对比分析了不同仰角和晴、雨条件下单、双偏振天气雷达反射率频率。结果表明：单、双偏振雷达在0.5°仰角因周边山区地形、建筑物遮挡的影响,在西北方向和东南方向存在明显的数据缺失。升级为双偏振雷达后,在各个仰角上周围反射率高频区的范围明显减小,雷达能有效消除雷达站点周边杂波的影响。晴天时,双偏振雷达对晴空杂波的过滤效果极佳;雨天时,双偏振雷达对南昌周边及梅岭山区的回波进行了弱化处理,可以有效减少地形回波、非气象回波的干扰。双偏振天气雷达产品差分相移率和相关系数能较清楚地辨别出虚假回波,可更好地用于确定降水粒子的信息。     

MIGFA阵风锋识别算法改进与检验

根据南京CINRAD/SA天气雷达探测的江苏沿江地区阵风锋回波特征,对MIGFA(Machine Intelligence Gust Front Algorithm)阵风锋识别算法进行改进:在考虑平滑算法使用和低仰角数据融合的基础上,根据阵风锋回波特征,改进了0.5°反射率阵风锋细线函数模板,设计了较高仰角(1.5°/2.4°)反射率阵风锋细线函数模板,引入1.5°和2.4°双层反射率阵风锋细线函数模板替代原空间差分反射率函数模板。考虑阵风锋特征与距离测站的关系,设计了动态权重函数组合多组得分值,从而有效识别阵风锋回波。在此基础上通过弧度判断和阵风锋回波平坦度测试的方式,进一步降低虚警率。最后利用2009年6月14日南京雷达阵风锋个例进行效果识别,并采用临界成功指数对南京雷达120个阵风锋样本进行效果评估。结果表明:改进的MIGFA法识别效果良好,将临界成功指数从0.39提高至0.60,引入降低虚警率的做法使得虚假警报率从0.34降至0.16。     

武汉新一代天气雷达CINRAD／SA的环境技术要素分析

介绍了武汉CINRAD／SA雷达系统建设中确定雷达塔高与频点的技术分析过程，明确提出了雷达站四周的净空保护要求；重点计算和分析了CINRAD／SA雷达在3种实际运行模式(vCPll、VCP21、VCP31)下电磁辐射功率密度的空间分布，并按照国家“电磁辐射防护规定”和“电磁辐射环境影响评价方法和标准’’的要求，估算了武汉CINRAD／SA雷达电磁辐射的最小防护距离。     

CINRAD/SA雷达运行状态评价技术研究

传统CINRAD/SA雷达运行状态评估方法主要依靠雷达的平均无故障时间,未考虑雷达各组成部件对雷达整机正常运行的影响权重。此外,单纯依靠分值评价也不便于对雷达的运行维护工作进行评价。该文通过对雷达部件进行层次划分,给出不同部件对于雷达正常运行影响的权重,进而计算雷达运行状态分值,在运行状态分值的基础上,通过隶属度函数,计算等级评价结果与隶属度。在全国范围内选择了8部CINRAD/SA的历史故障数据进行了验证,结果表明评价结果与雷达的实际运行保障情况是相符的。     

基于故障树的CINRAD/SA雷达故障诊断系统

通过分析目前我国新一代天气雷达的维修保障现状,提出利用雷达故障诊断系统来辅助和代替传统的雷达故障诊断手段,以达到缩短故障维修时间、规范维修维护方法和提高维修效率的目的。论文以CINRAD/SA型号的天气雷达为对象,通过对CINRAD/SA天气雷达系统结构的深入研究,结合雷达现有的故障定位功能,确定了故障信息的采集方式;收集和分析了2002—2014年期间近70部CINRAD/SA雷达相对完整的故障维修案例,基于故障树分析法(FTA)建立了雷达故障树,并以发射机子系统为例,进行了故障树的定性分析和定量分析,得到初始数据。在分析和研究的基础上,开发了"CINRAD/SA天气雷达故障诊断系统",为雷达故障诊断提供指导思路。