S波段WSR-88D双偏振雷达观测非降水回波识别方法研究

与新一代天气雷达相比,双偏振雷达能发射水平和垂直极化偏振波,具有更多的测量信息,利于区分降水和非降水回波,在雷达定量估测降水中发挥着重要作用。本文根据双偏振雷达的测量变量(水平反射率、差分反射率和相关系数)及降水与非降水回波的结构特征,发展了一套S波段双偏振雷达数据质量控制算法,重点研究晴空回波和生物回波的识别。利用上海南汇WSR-88D偏振雷达的观测数据做测试和评估,评估结果表明该算法对南汇偏振雷达非降水回波识别准确率达93%以上,且对降水回波的误判率仅为3.82%。     

基于双线偏振参量对北京X波段雷达非降水回波识别方法的研究

为了提高中国X波段双线偏振雷达(简称双偏振雷达)的数据质量,提升应用水平,基于美国多雷达多传感器定量降水估测业务系统质量控制(简称dpQC)方案,在此基础上增加了差分反射率阈值判别并对方案中的计算参数进行本地化调整,设计了针对X波段双偏振雷达的质量控制(简称dpXQC)方案,原理主要包括:将双偏振参量相关系数(CC)区分降水回波与非降水回波的阈值调整为0.9,小于0.9的回波判别为非降水回波;通过计算回波顶高与强回波区位置对冰雹与非均一性波束填充区域进行标识;通过统计探空资料0℃高度上下相关系数的特征,调整了融化层的识别参数;优化算法将双偏振参量差分反射率绝对值大于5 dB判别为非降水回波;加入了条状杂波识别、连续性检验与斑块杂波识别算法。利用dpXQC方案对北京五部X波段多普勒双偏振业务雷达进行试验,检验评估其对非降水回波识别效果,获得以下结果与结论:大部分非降水回波可以通过CC阈值判别被滤除;对于CC阈值判别无法滤除的条幅状、孤立点、块状非降水回波,dpXQC方案利用条幅状杂波识别、连续性检验与差分反射率阈值判别去滤除;dpXQC方案有效保护了冰雹、非均一性波束填充与融化层区域中CC0.9的降水回波不被滤除;检验结果显示,dpXQC方案对非降水回波正确识别率为91.8%,错误识别率为20.6%,均要优于dpQC方案,但dpXQC方案的错误识别率依然很高,主要有两方面原因,一是由于X波段雷达反射率衰减严重,方案会对一些离雷达较远的非均一性填充区域出现遗漏识别,二是融化层识别算法在所有方位角的位置与厚度是固定的,与实际观测不符,这均会导致被遗漏标识区域中CC0.9的降水回波被误判为非降水回波。总体来看,dpXQC方案在滤除非降水回波的同时,最大程度保护了降水回波不被滤除,为雷达资料定量化应用等相关业务提供保障。     

S波段多普勒天气雷达非降水气象回波识别

在气象条件为晴空或有云但无降水的情况下,在雷达站附近经常可观测到大面积的非降水气象回波,这些回波对定量估测降水和雷达资料同化效果产生重要影响。为了有效识别这些非降水回波,该文发展了基于模糊逻辑识别和回波分块的非降水气象回波识别算法 (NPMDA)。该文首先利用地面和卫星资料为标准,提出了非降水回波的确定标准,并利用北京SA雷达,对非降水气象回波特性进行了统计分析,得到了隶属函数。在非降水回波识别时首先采用SCIT算法将回波组合成片,然后对整个PPI进行初步的判断。对不能初步判断为降水的PPI,采用模糊逻辑的方法计算成片回波的属性值,依据成片回波的属性值得到片内回波逐点识别时的阈值,从而实现了回波的动态阈值识别。结果表明:对大部分非降水气象回波识别效果较好,对较强降水回波误判较少,弱降水回波有时会出现一定的误判。与NCAR使用的ICADA方法相比,NPMDA方法能明显提高非降水回波的识别率,减少降水回波的误判率。     

基于优化模糊逻辑的双线偏振天气雷达地物杂波识别算法研究

针对双线偏振雷达偏振参量能在回波识别中提供更多特征的优势，在常规多普勒天气雷达模糊逻辑算法的基础上，引入偏振参量实现地物杂波识别，由此根据雷达数据中地物和降水回波各自的回波特性，选择6个区别最明显的特征参量，建立了特征参量的统计分布概率，并运用CSI评判标准给出了地物杂波识别的最优化隶属函数；利用2020年攀枝花市新架设的X波段全固态双线偏振雷达观测个例，对比了传统的与改进后的模糊逻辑算法识别效果，结果引入偏振参量的模糊逻辑算法能更好地识别降水和地物混合位置的地物回波，同时改善了径向速度为零区域被误判为地物回波的问题。      

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,T_VR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析T_VR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明:加入T_VR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

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。     

一次东北冷涡天气过程双偏振雷达降水粒子相态识别

本文利用双偏振天气雷达资料，对2019年6月7-9日辽宁地区一次东北冷涡强对流天气过程进行分析。分析了东北冷涡的演变过程以及双偏振雷达的偏振参量在降水粒子相态识别中的作用，研究了不同判别规则对模糊逻辑算法识别结果的影响。结果表明：双偏振雷达的偏振参量可以对水凝物的种类、空间分布、物理形态进行大致判断，但水凝物相态识别结果仍需细化。模糊逻辑算法在强回波区域的识别结果更准确，采用不同的判别规则得到的水凝物分类结果虽存在一定差异，但在大部分观测区域的分类结果基本一致，符合天气演变规律，能够为气象预报预警提供鉴别参考。具有广泛时间、空间适配性的模糊逻辑算法，仍需大量实测案例数据的验证与仿真。     

Geodesics算法在雷达投影转换中的应用检验

基于上海市气象局布设于临港的X波段移动式双线偏振雷达观测资料,利用反射率因子、差分反射率和相关系数等变量识别出东海大桥固定地物回波位置,进而采用Geodesics和HRAP(Hydrologic Rainfall Analysis Project)投影转换算法将雷达回波的极坐标位置转换至地理坐标。以国家测绘局利用GPS技术测量的沪芦高速(东海大桥段)地理坐标作为真值,将环境大气分为晴空回波-低湿度情况和降水回波-高湿度情况分类检验两种算法的效果。检验算法包含经投影转换后地物回波样本位于桥面主体内部的数目(多边形检验)和样本偏离桥体中心线的距离(中心线检验)。其结果表明:Geodesics算法在多边形和中心线检验方面表现均优于HRAP算法,其在雷达投影转换的实际业务中具备一定的应用价值。     

多普勒雷达晴空回波识别与应用

在现有多普勒天气雷达资料质量控制基础上,采用徐州雷达站2009年4月和9月雷达资料,统计并对比几种常见的降水回波与非降水回波特性,找出一种有效地识别晴空回波的方法。该方法在不同径向距离区间(小于25km及25～200km)采用不同的识别参数,能够较好地将非降水回波中对临近预报有用的晴空回波信息保留,而将其他非降水回波信息(地物回波、超折射回波等)剔除。依据该方法识别的晴空回波区域所对应Doppler速度可用于判别大气平流状况,从而为预报工作提供帮助。     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

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。     

基于模糊逻辑的地物回波识别方法及效果检验

提出一种基于模糊逻辑的新一代天气雷达地物回波识别方法。通过统计典型个例的回波特性得到隶属度函数及权重,并根据反射率因子范围的不同设置相应的隶属度函数及权重。该方法针对降水强度量级的回波,即反射率因子不小于15 dBz,对于非降水强度回波则不进行处理,从而保留对短临预报具有指示作用、且强度较弱的特征回波,如晴空湍流回波以及阵风锋回波。根据雷达回波垂直方向连续性对剔除地物回波所产生的“空洞”进行填补,从而进一步减小地物回波对雷达数据质量造成的影响。最后通过两种方法对识别算法进行效果检验,结果表明该算法对地物回波有显著的识别效果。      

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。     

雷达反射率数据质量控制方法初探

地物、超折射等非降水回波是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素,利用降水和非降水回波反射率三维结构的特征可以对雷达数据进行质量控制。通过对合肥、广州、濮阳、烟台等多部雷达的体扫资料的统计,结果表明：降水和非降水的水平反射率结构（T）和垂直反射率差（V）在反射率的低值和高值区体现出不同的分布特征,因此为这两个判据在反射率低值和高值区设定不同的判别指标。实验表明,此方法可以改善降水和非降水回波的识别效果。     

基于灰度共生矩阵的自适应雷达杂波抑制

多普勒天气雷达体扫过程中低仰角常出现强地物杂波,影响了雷达数据质量及其产品的业务应用。为了抑制地物杂波,提出了一种基于雷达基数据灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)的自适应地物杂波抑制方法。针对雷达站附近回波数据强度高、多普勒速度接近于零值的特性,首先设定阈值进行数据预处理,初步分离出杂波区域;其次,对强度信息进行分块,根据每一小块的灰度共生矩阵能量值和对比度分布自适应寻找阈值;最后利用确定的阈值识别和剔除地物杂波。实验表明该方法能有效剔除雷达站附近的强地物杂波,尤其对混杂在降水回波信号中的强地物杂波有很好的抑制作用。     

X波段双线性偏振雷达电磁波衰减对冰雹识别的影响

利用X波段双线性偏振雷达2009年4-10月降雨的ZH-ZDR统计分布,得到基于ZH-ZDR分布的冰雹识别参量(HDR)表达式。雷达发射的电磁波经过雨区导致的衰减会使HDR识别冰雹不准确,需要进行衰减订正。文中利用差分相移(DP)订正了HDR表达式中经过雨区衰减的反射率(ZH)和差分反射率(ZDR)。个例分析表明,经雨区衰减订正后X波段双线性偏振雷达回波与北京南郊观象台CIN-RAD/SA多普勒天气雷达回波具有较高的一致性,在零度层之下,HDR>0的区域能有效地反映出地面降雹情况;在零度层之上,HDR>0的区域可能是冰雹或湿霰,订正后HDR判别冰雹的虚警率有可能提高。     

QVP方法在双偏振雷达冬季降水观测中的应用

双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备,为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性,选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程,基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料,采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子Z_H、差分反射率Z_DR和相关系数ρ_hv的高度-时间廓线。基于QVP,结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据,分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征,同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明:QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化,并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时,对于非连续性或非均匀性质的降水系统,有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述,QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析,为冬季降水相态短时临近预报提供依据。