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。     

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。     

基于气候统计特征的雷达回波质控方法

利用北京南郊S波段雷达2011—2016年的观测资料,从雷达气候统计的角度,利用不同强度回波发生频率的统计特征及其空间分布特征,对雷达地物杂波和波束遮挡的识别与订正方法进行研究。结果表明:①利用雷达回波出现频率特征,可以很好地识别雷达近中心地物杂波和受地形高度影响的地物杂波特征;同时还可以直观地识别出雷达波束遮挡区域以及遮挡程度。北京南郊雷达地物杂波主要分布在近雷达中心和北京西部、西北部的山前地区,地物杂波主要集中在0.5°仰角和1.5°仰角层上。雷达波束遮挡主要集中在由高大建筑引起遮挡的东南方位向和由于地形引起波束遮挡的西西北方位向,波束遮挡主要集中在0.5°仰角层。②采用局部可变区域平均垂直廓线方法利用高仰角回波订正低仰角回波,能有效订正地物杂波,并保留回波的局部特征。对于波束遮挡区域的回波填补,也能够较好地保持上下层仰角回波之间的连续性,同时兼顾了回波不均性分布等特性。③基于雷达气候特征进行地物杂波识别和波束遮挡识别,无需依照先验知识,相比于传统方法能更好地反映本地雷达回波真实情况,且具有方法简单、可快速复用、本地适用性强等优点。     

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。     

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。     

基于数字高程的波束遮挡订正及在雷达定量估测降水中应用

地形的起伏使雷达波束受到严重的遮挡,使回波数据质量受到很大干扰。本文使用SRTM任务的DEM数据和谷歌公司的DEM数据分别计算了位于北京南郊的S波段雷达低仰角的波束遮挡率,建立了部分遮挡区域的回波反射率订正关系,并在2018年5月19日北京一次大范围层状云降水过程中,对波束遮挡订正前后的雷达定量估测雨量与地面3个雨量计观测结果进行了定性与定量化对比分析。结果表明:①波束遮挡订正有助于改善反射率因子的空间连续性。波束遮挡订正后的仰角0.5°的反射率与1.5°的反射率之间的差值整体呈现缩小特征,符合层状云降水垂直廓线特点。②09:00—11:00,相比波束遮挡订正前的雷达定量估测雨量(QPE),波束订正后的QPE准确性得到改善,使用分级标准误差与归一化平均偏差评价波束遮挡订正前后QPE与雨量计实测值之间的误差,波束订正后的反射率估测雨量与雨量计实测雨量一致性更好。     

不同波段雷达在咸阳冰雹过程中的应用分析

利用常规气象观测资料、探空资料、NCEP/NCAR 1°×1°网格点逐6 h再分析资料、西安C波段新一代天气雷达和旬邑X波段双偏振天气雷达资料,对2018年6月13日发生在咸阳北部的一次冰雹天气进行雷达回波特征和成因分析。结果表明,该次冰雹发生在高层冷空气下滑、中低层存在辐合上升运动的环境背景下,降雹出现在冷涡底后部,较强对流不稳定能量、较好的热力不稳定条件和一定的垂直风切变为冰雹的发生提供了有利条件。西安C波段雷达和旬邑X波段雷达的反射率因子均表现出冰雹的弱回波区和三体散射特征,但两部雷达的回波特征有所差别：在同一高度上旬邑X波段雷达的回波强度比西安C波段雷达的弱;VIL的骤增、差分反射率因子ZDR、差分传播相移因子KDP、零延迟相关系数RHV等偏振参量对冰雹的指示性也较好,当VIL最大值达到40 kg/m2、密度高于3.5 g/m3,ZDR为0或负值,RHV迅速降低,KDP接近于0,可判定冰雹生成。     

一次对流性强降雨过程的雷达特征分析

采用新一代多普勒雷达探测资料和自动站雨量资料,针对2008年9月22~23日夜间四川省北川附近的强降雨天气过程,基于反射率因子、液态水含量、体扫雨量等资料,对四川盆地内对流性强降雨天气的雷达回波特征进行了深入分析,分析表明,①四川盆地内对流性强降雨天气的强风暴单体具有前倾、低质心、悬垂结构等特征,且引起强降雨的强对流风暴移动缓慢。②低仰角反射率因子强度与雨强有较好对应关系,2.4~6.0度仰角的回波强度越强,降雨强度也就越强,当2.4度仰角的回波强度超过50dbz时,将出现雨强>1mm/分钟的短时强降雨。③四川盆地内产生对流性强降雨的强对流风暴在其生消过程中有一个回波强度质心下移的过程,而当6.0度仰角的回波强度下降迅速时,降雨强度也相应地趋于减弱。④四川盆地内产生对流性强降雨的强对流风暴雷达回波特征有较明显的跃增现象,当低仰角的回波强度增率≥14dbz/体扫,垂直液态水含量增率≥10 kg/m2时,20~30分钟后强降雨产生,可作为短时强降雨预警指标。      

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。     

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。      

C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

天气雷达可为中尺度对流系统研究提供高时空分辨率资料, 但降雨衰减和地形遮挡等因子会对雷达信号产生严重影响。针对广东省韶关市新丰县C波段双偏振天气雷达, 选取了2018年6月8日台风“艾云尼”、8月30日华南季风降水和9月16日台风“山竹”三次降雨过程, 采用基于差分相位(Φ_DP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(Z_H)数据进行了降雨衰减和部分地形遮挡衰减订正研究, 并将订正结果与广州S波段双偏振天气雷达探测结果进行了直接对比检验, 与中国气象局龙门云物理野外科学试验基地的4台二维视频雨滴谱仪(2D Video Distrometer, 2DVD)实测雨滴谱数据反演的雷达仿真探测量及国内外Z_H-K_DP经验统计公式进行了间接对比检验, 获得较好结果。最后选择具体降雨个例, 订正结果清晰展现了台风螺旋雨带中对流单体雷达回波强度从地面到高空的垂直结构特征, 提高了复杂地形区域雷达对极端天气的近地面探测能力。      

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。     

北京与天津CINRAD雷达回波强度对比分析

认识并消除雷达之间存在的回波强度差异对于跨雷达组网应用有重要价值。利用2012年7月北京、天津两部新一代天气雷达CINRAD降水回波强度的体扫资料,在两部雷达等距离剖面附近对观测值差异进行原因分析,从仰角、方位角、距离、地形、时间序列等角度,讨论匹配样本的一致性和差异特征。结果表明:北京、天津雷达工作状态良好,两者未发现系统性偏差,但两者的方位角可能存在1°左右的偏差;平原地区样本的一致性优于山地;除了距离相关因素(有效照射体体积、高度差异等),电磁波传播路径不同,大气云雨的积分衰减和折射影响不同,也是导致样本差异的原因。     

S波段相控阵天气雷达与新一代天气雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短雷达扫描周期,但是由于相控阵雷达其波束宽度的增加以及波束宽度与增益不再是定值而是随着仰角而发生变化,必然在一定程度上牺牲雷达探测分辨率,造成其回波细节的缺失。为了比较该S波段相控阵天气雷达与S波段多普勒天气雷达在探测云反射率因子大小和结构方面的差异,采用双线性插值方法,模拟出空间分辨率很高的降水云团,并模拟相控阵天气雷达和S波段新一代天气雷达的波束特性对其进行扫描,通过模拟扫描得到的反射率回波,分析了对同一降水云团、相同距离位置,相控阵天气雷达与S波段常规多普勒天气雷达回波在水平方向和垂直方向的差异,结果表明:相控阵雷达对回波水平方向上和垂直方向上的平滑作用在一定程度上改变了回波的结构,减弱了回波的中心强度,使一些小的强回波中心消失。相对于S波段多普勒天气雷达,减少了极弱回波与强回波的面积,增加了中间强度回波的面积。探索了模拟分析相控阵天气雷达与多普勒天气雷达数据的方法,为相控阵天气雷达的定标和定量测量提供了理论参考。     

天气雷达等射束高度图制作算法优化

本文在以往研究成果的基础上,推导了天气雷达遮蔽角图和等射束高度图的理论计算过程,指出了以往在计算方位角、仰角、斜距等方面存在的偏差,并给出了解决方法。依据该方法采用地理信息数据绘制了遮蔽角图和等射束高度图,并与雷达实际回波图进行了比较。比较结果表明,除因地理信息分辨率问题导致的个别方位存在偏差外,理论计算图和雷达实际回波图整体一致性较好。     

基于SRTM地形数据天气雷达地形遮挡分析系统开发及应用

天气雷达是目前对强对流、台风、暴雨等天气过程进行精细探测的重要手段之一,其观测数据对天气预报业务起着关键的作用。天气雷达的探测能力会受到雷达所建位置四周地形遮挡影响。因此合理的雷达选址能更大程度地发挥出雷达的探测能力。基于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台获取的SRTM地形数据,利用MATLAB工具开发天气雷达地形遮挡分析系统,实现一键智能绘图,获取天气雷达遮蔽角图、各方位遮蔽角柱状图、等射束高度图及等射束高度拼图,提高雷达选址的工作效率。通过仿真试验测试系统功能,通过实例应用实际分析拟建站点地形遮挡情况。同时,系统新加入智能分析结果为雷达建站选址提供相应的分析,并具备人工补偿功能可将人工现场观测数据加入结果中完善雷达建设选址。      

复杂地形背景下双偏振雷达数据质量评估方法

针对四川省复杂地形和雷达型号多样的特征,设计了一种以长时间序列统计单/双偏振天气雷达数据质量的评估方法,算法定性评估了天气雷达数据是否存在空回波、电磁干扰和地物干扰的问题,定量评估了雷达Zh(水平极化反射率因子)、Z_(dr)(差分反射率)、CC(相关系数)、Фdp(差分相移)和G_(C)(地物回波系数)的数据质量。通过评估2022年5—9月四川省12部新一代天气雷达基数据的数据质量,得到了如下结果:(1)同频电磁干扰严重影响四川省天气雷达数据质量,超过74%的宜宾和广元站数据存在电磁干扰回波;宜宾和乐山雷达站出现了较多空回波数据;超过77.91%的广元雷达站数据存在风电场地物回波干扰。(2)雷达性能正常时,地物回波系数G_(C)的均值变化不大,G_(C)系数的标准差可以有效反应出雷达数据问题,特别对空回波数据问题比较敏感。(3)四川省12部天气雷达Zh标准差总体较小,绵阳和宜宾站较优,乐山站较差。(4)四川省3部双偏振天气雷达的Z_(dr)和CC数据质量较好,?dp的数据波动较大。     

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SRTM数据的波束遮挡能量耗损率计算方法和效果分析

地形对波束遮挡是影响雷达观测资料质量的重要误差源之一。基于SRTM数据的雷达波束遮挡能量耗损率方法是根据雷达站地理位置及其周围一定范围内的地形信息,计算出探测目标时波束能量的耗损百分比。可以用于对雷达波束能量遮挡进行定量订正,提高雷达基数据质量控制精度。本文详细介绍了波束遮挡能量耗损率计算原理和方法,并利用晴空回波特点分析了波束遮挡对雷达回波强度的影响;提出雷达回波概率特征方法,通过建立北京CINRAD/SA雷达样本数据集,统计得到不同仰角层的概率空间分布,并与波束遮挡能量耗损率进行对比分析。结果表明:雷达波束遮挡能量耗损率与实际雷达回波资料统计的概率空间分布有很好的一致性。      

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.