多普勒雷达数据三维格点化的方法研究

天气雷达数据三维格点化是天气雷达组网拼图的基础,本文研究了几种把球坐标系下的分辨率不均匀的雷达反射率资料（dBZ）插值到统一的分辨率均匀的笛卡尔坐标系下的方法,并采用模拟的天气雷达回波数据对这几种方法进行了比较分析,主要对空间反射率强度值的连续性及是否保留了雷达资料中原始的反射率结构特征进行对比分析。      

区域雷达网同步观测对比分析

利用长江中游的合肥、宜昌、武汉、常德和长沙雷达周围的1:25万的地形高度数据得到各雷达的混合扫描仰角和等射束高度拼图。选用2004年7月17—19日5部雷达同步观测的雷达体扫资料,分析了各雷达的最低扫描仰角;在尽量排除地物杂波、波束阻挡、距离衰减和波束展宽等因素影响的情况下,对比分析了5部雷达构成的有重叠覆盖区的7个雷达对的反射率因子差异。结果表明:(1)对雷达最低扫描仰角进行分析可以检查雷达的仰角标定,武汉和合肥雷达平均最低观测仰角比VCP21扫描方式规定的要低;(2)用雷达对等距离线上的反射率垂直剖面可以分析雷达对同步观测的回波空间位置和强度差异,常德雷达和其周围雷达同步观测的回波高度明显偏低;(3)用雷达对等距离线上某高度的反射率因子曲线变化的一致程度可以分析雷达的方位标定,这5部雷达没有明显的方位定标偏差;(4)用雷达对等距离线上某高度的平均反射率因子差可以分析雷达对同步观测的系统观测差,宜昌雷达和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏强,而武汉和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏弱;(5)反射率因子差的时间平均值随着反射率因子的大小变化而变化,当观测的反射率因子越大时雷达对的反射率因子差的时间平均值也越大。     

任意基线雷达反射率因子垂直剖面生成算法

该文提出了一种基于雷达体扫资料的任意基线雷达反射率因子垂直剖面的生成算法。在计算雷达反射率因子垂直剖面上的格点在雷达极坐标中的仰角、方位和斜距位置后, 采用径向、方位上的最近邻居和垂直方向的线性内插相结合的客观分析方法得到格点上的反射率因子分析值。在垂直线性内插时分别用dBZ值和Z值 (单位: mm6/m3) 进行插值。结果表明:用该方法得到的雷达反射率因子垂直剖面从回波强度和空间位置来看都是合理的; 当采用垂直线性内插时, 用dBZ值插值比用Z值插值得到的雷达反射率因子垂直剖面在空间分布上更连续, 反射率因子分析值总体上更接近观测值; 低仰角的插值效果比高仰角的好。     

笛卡儿坐标系的双多普勒天气雷达三维风场反演技术

文中研究了笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达三维风场反演技术 ,提出了包括雷达原始资料的预处理 ,空间插值以及可靠性检验的新方法 ,提高了反演结果的可信度和精确度。使用模拟的双多普勒雷达体扫资料进行了反演试验 ,结果表明 :本文的方法能够比较真实地反映风场的三维结构 ,可以用于真实风场的反演。     

.一次强冰雹天气过程双雷达回波特征参数对比分析

利用贵阳、毕节两部新一代天气雷达（CINRAD/CD）的同步观测的体扫资料,对比分析2011年4月15日冰雹天气过程的雷达回波参数特征。结果表明：①贵阳、毕节两部雷达在雷达强度、高度上有明显的差异;②雷达回波强度和高度具有＂跃增＂现象;③雷达回波位于两部雷达的中心地带时,对应强度和高度的波动性一致性好,回波结构形态基本一致。因此,对范围广、持续时间长的强对流天气雷达观测采取组网方式联合观测,其雷达产品以组合反射率因子（CR）、回波顶高（ET）作为初始判断的依据。当出现高度、强度增强或跃增时,应读取任意垂直剖面显示（VCS）产品,分析回波结构以及可能产生的强对流天气过程。     

多普勒雷达资料的网格化研究

阐述了多普勒雷达体扫资料或雷达产品资料的网格化流程和步骤,对网格化过程中所面临的资料插值(临近法和双线性插值法)、坐标转换(直角坐标系与极坐标系的转换)、格点位于弧底梯形的判断以及GrADS软件中地图投影等问题进行详细的分析和研究。此外,还对比分析了临近法和双线性插值法网格化的雷达回波资料,其结果表明这两种方法都能较好地对极坐标系下的雷达回波资料进行网格化,但临近法网格化的雷达回波资料尽可能地保留了雷达体扫资料中原有反射率的结构特征,而双线性插值法网格化的雷达资料其弱回波区(25 dBz)的范围有所扩大。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

华北区域四部雷达探测强度与定位一致性分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室开发的新一代天气雷达3D组网拼图产品,目前已经在北京、河北、广东等地投入业务试运行,相对于单部雷达的体扫产品其覆盖范围更大,使用更为方便,它为新一代天气雷达资料的深度和广度应用以及与其他观测资料的融合提供了强有力的平台.但是在组网过程中,参与组网的雷达在探测强度和定位上的差异将在很大程度上影响三维组网的效果.本文以北京、天津、张北、石家庄四部雷达为例,对各个雷达在定位、回波强度上的一致性情况进行了分析.结果表明:北京、石家庄、天津、张北雷达探测的回波位置非常一致,在回波强度上相对于其他三部雷达,张北雷达有明显的衰减.雷达定位与探测强度一致性分析为进一步提高华北区域三维组网的准确性和一致性提供了良好的支持.     

新一代天气雷达三维组网产品在人工防雹的应用

基于冰雹云的雷达三维拼图反射率分布形态特征,提出在人工影响防雹作业中识别冰雹云的6个候选指标,分别是组合反射率、云回波顶高、最大反射率回波顶高、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度以及垂直累积液态水含量跃增值。基于新一代天气雷达组网数据应用风暴跟踪(SCIT)算法实现风暴跟踪并计算部分指标,形成模糊逻辑判断方法,确定防雹作业区域。结果表明,应用该方法对北京、江西的多个降雹个例进行三维风暴单体的冰雹云识别试验,对比地面降雹观测数据,计算多个个例模拟命中率77%,误报率26%,空报率22%。考虑组合反射率三维形态分布特征的模糊逻辑法可以较好地识别大部分可作业冰雹云,跟踪模拟效果较好,有利于在人工影响防雹作业中的有效应用。     

雷达反射率因子数据中的亮带自动识别和抑制

为了减轻雷达反射率因子数据中的亮带污染对雷达降水估计的影响,一种基于新一代天气雷达体扫资料自动识别零度层亮带平均高度、厚度和区域以及对亮带进行抑制的算法被提出。该算法首先利用近距离分层平均方法建立视反射率因子垂直廓线,然后基于亮带VPR曲线在融化层高度的显著弯曲特征来识别和抑制亮带。比较该方法识别的零度层亮带的平均高度和实测0℃等温层高度表明,前者比后者平均低0.5km。亮带的厚度大多在1～1.25km。亮带区域识别算法能合理地识别亮带反射率因子高值区,用经过亮带抑制后的体扫资料得到的组合反射率因子和反射率因子垂直剖面上的高值区被抑制掉,用经过抑制后的亮带区的所有反射率因子库建立的平均VPR在融化层高度的显著弯曲消失。通过亮带抑制后的雷达体扫资料将用于雷达降水估计。     

Study of Methods for Three-Dimensional Multiple-Radar Re ectivity Mosaics

This paper investigated several approaches to remapping and combining multiple-radar reflectivity fields onto a unified 3D Cartesian grid with high spatial and temporal resolutions,and analyzed systematic observation differences among multiple radars. The remapping approaches were evaluated by inspecting the spatial consistency of the reflectivity fields on vertical and horizontal cross sections on the equidistant line of radars, and the intensity change of 1-h accumulated precipitation before and after interpolation. The combining approaches were evaluated by continuity examination. The results show that for remapping schemes,the vertical interpolation with nearest neighbor on the range-azimuth plane is the most reasonable scheme that provides consecutive reflectivity fields and retains the high-resolution structure comparable to that of the raw data; for multiple-radar data mosaics, the distance-exponential-weighted mean scheme provides spatially consistent reflectivity mosaics. The mosaics can mitigate various problems caused by the radar beam geometry such as the cone of silence.     

Study of Methods for Three-Dimensional Multiple-Radar Reflectivity Mosaics

This paper investigated several approaches to remapping and combining multiple-radar reflectivity fields onto a unified 3D Cartesian grid with high spatial and temporal resolutions,and analyzed systematic ob servation differences among multiple radars.The remapping approaches were evaluated by inspecting the spatial consistency of the reflectivity fields on vertical and horizontal cross sections on the equidistant line of radars,and the intensity change of 1-h accumulated precipitation before and after interpolation.The com bining approaches were evaluated by continuity examination.The results show that for remapping schemes,the vertical interpolation with nearest neighbor on the range-azimuth plane is the most reasonable scheme that provides consecutive reflectivity fields and retains the high-resolution structure comparable to that of the raw data;for multiple-radar data mosaics,the distance-exponential-weighted mean scheme provides spatially consistent reflectivity mosaics.The mosaics call mitigate various problems caused by the radar beam geometry such as the cone of silence.     

Study on Retrieving Three-Dimensional Wind Using Simulated Dual-Doppler Radar Data in the Cartesian Space

1. Introduction Armijo (1969) proposed the three-dimensional wind retrieved equations using multiple-Doppler weather radar network in Cartesian space. There are many sources of error for recovering 3D wind using these equations. These factors include advection and turbulence in the weather system, the error of the empirical relationship between the radar reflectivity factor and the terminal fall velocity of the precipita- tion particle, integrating the air mass continuity equa- tion (problem …     

多普勒雷达资料格点化方案的比较研究

利用高阶多项式拟合实际雷达速度观测的方法生成模拟资料。据此比较了3种雷达资料格点化的插值方案。它们是先锥面后垂直内插方案(CVI)。3维Barnes插值方案(3D—Branes)和变分分析方案(VAR)。结果表明。3D-Barnes方案明显优于其它两种,特别是在中层;CVI方案的误差略高于前者,但是光滑性较差。在高层和低层空缺区较大;VAR方案的误差最大。     

利用一种自动识别算法移除天气雷达反射率因子中的亮带

该文介绍了一种自动识别和移除雷达反射率因子资料中亮带的算法, 并对该算法进行了初步测试。该算法利用的是插值到直角坐标系中的雷达反射率因子资料, 其配置和运行也相对简单, 但却对移除亮带比较有效。首先, 设定一套雷达反射率因子垂直廓线的理想模板, 这些理想的模板能够在最大程度上反映不同亮带存在区域的雷达实际反射率因子的垂直廓线特征。然后, 在水平方向每个点上, 进行理想模板和实际反射率因子垂直廓线在垂直和水平两个方向上的拟合和差异计算, 来自动识别雷达反射率因子中存在的连续亮带区域。最后, 利用亮带之上和亮带之下的反射率因子值对亮带中的反射率因子值进行插值纠正, 就可以移除亮带。利用位于天津塘沽的我国新一代天气雷达 (CINRAD/SA) 的反射率因子资料, 通过个例分析和准业务运行试验, 均表明这个简单算法可以识别和移除绝大多数影响雷达定量降水估计的反射率因子亮带区域, 但是实际雷暴区域的反射率因子特征受到该算法的影响比较小。计算分析还表明, 在京津地区的初夏, 上述亮带区域一般容易出现在2.5 km左右的高度处。     

Synchronization of Radar Observations with Multi-Scale Storm Tracking

The 3-D radar reflectivity data has become increasingly important for use in data assimilation towards convective scale numerical weather prediction as well as next generation precipitation estimation. Typically, reflectivity data from multiple radars are objectively analyzed and mosaiced onto a regional 3-D Cartesian grid prior to being assimilated into the models. One of the scientific issues associated with the mosaic of multi-radar observations is the synchronization of all the observations. Since radar data is usually rapidly updated (～every 5--10 min), it is common in current multi-radar mosaic techniques to combine multiple radar' observations within a time window by assuming that the storms are steady within the window. The assumption holds well for slow evolving precipitation systems, but for fast evolving convective storms, this assumption may be violated and the mosaic of radar observations at different times may result in inaccurate storm structure depictions. This study investigates the impact of synchronization on storm structures in multiple radar data analyses using a multi-scale storm tracking algorithm.     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。