星载双频测雨雷达航空校飞试验降水反演分析

2010年9月6日到10月20日,在江苏东台黄海附近进行了中国首次星载双频(Ku和Ka波段)测雨雷达的外场校飞试验,获得了宝贵的机载雷达数据。利用所探测的有效降水资料,对机载雷达的降水探测能力进行了性能分析。对比机载测雨雷达和同步星载测雨雷达(Precipation Radar,PR)探测的反射率因子廓线可以发现,机载雷达反射率因子廓线在1.55 km高度的探测结果和PR较为一致,尤其是融化层一致性更好,表明机载雷达有探测降水垂直结构的能力。为了进行Ka波段机载雷达的降水反演,利用卫星数据模拟器(Satellite Data Simulator Unit,SDSU)计算了k-Z_e和R-Z_e关系的系数,并在此基础上进行了衰减订正以及雨强的反演。结果表明,Ku和Ka波段反演的雨强廓线基本一致,证实了反演系数的合理性。     

热带测雨卫星的星载雷达和地基雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

为了揭示热带测雨卫星上的测雨雷达热带测雨卫星的星载雷达与X波段多普勒雷达在探测云的反射率因子的大小和结构方面的差异 ,用散射模式和数值模拟的方法讨论了这两种雷达的波长、雷达波入射方向、波瓣宽度等参量对反射率因子的大小和结构的影响 ,并利用所得结果讨论了两种雷达实际观测的差异。结果表明 :雷达波长和入射方向的不同引起的两种雷达测量的反射率因子的差异在 2 .0dBz以内 ,TRMMPR可在强回波中心探测到更大的反射率因子 ,并在很大程度上平滑了回波的结构 ,在强回波和弱回波区分别低估和高估 3～ 5dBz,造成了观测的云的面积增大、平均回波强度减小、面积积分降水量增大。这些理论结果还不能完全揭示两种雷达实际观测结果的差异 ,看来星载雷达和地基雷达探测结果的对比问题很复杂 ,其中雷达波的衰减问题是必须考虑的。     

TRMM卫星与机载雷达在降雨反演中的数据对比个例研究

热带降水测量卫星（TRMM）上搭载的测雨雷达是第一部能够提供三维降水信息的星载雷达,机载雷达也能够对降雨进行实时观测。由于机载和星载雷达观测有很多共同点,所以选择机载、星载雷达数据进行对比。1998年8月26日NOAA/P3飞机对Bonnie飓风进行了一次观测飞行,与此同时TRMM卫星也同步扫过该区域,因此利用对Bonnie飓风的机、星观测数据对应点数值对比、差值对比、平均值对比等,对Bonnie飓风做了进一步分析。对比结果一致,印证了TRMM数据的可靠性,同时进一步验证了双束立体雷达算法的联合算法的可靠性。     

基于星载测雨雷达2004-2014年观测的川渝地区降水垂直结构的气候特征

使用热带测雨卫星（TRMM）搭载的测雨雷达（PR）2004-2014年长达11 a的连续观测资料对青藏高原东南缘川渝地区不同季节不同降水类型的垂直结构特征进行了统计分析,并建立了相应的气候态反射率垂直廓线（Vertical Profiles of Reflectivity,简称VPR）。结果表明,由于不同的微物理及动力过程,降水类型对反射率垂直廓线的结构特征影响很大,90%的层云0℃层亮带峰值强度低于32 dBz,50%的对流云最大反射率强度超过35 dBz。降水类型及强度均对反射率垂直廓线的形状影响很大,层云系统发生中及大雨时其冰雪区的聚合反应效率明显较发生小雨时高。反射率垂直廓线特征参数具有一定的区域性和季节特征,且地表加热和地形高度的作用会加强上升气流对反射率垂直廓线形态的影响,上升气流的强度影响着冰雪及雨水区的碰并增长率以及低层的蒸发作用,从而进一步影响低层雨区的反射率垂直廓线斜率,边界层的相对湿度是另一个影响雨区反射率垂直廓线斜率及蒸发率的重要因素。星载测雨雷达的云分类算法在青藏高原东南缘地区受到一定的挑战,仍有改进的空间;未来可以将基于星载测雨雷达建立气候态层云典型反射率垂直廓线应用于联合地基天气雷达网观测以弥补后者在复杂地形条件下探测范围及能力受限的缺陷,从而改进雷达定量降水估测的误差。      

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪观测资料反演陆地降水

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪资料，结合淮河流域试验加密观测期的阜阳地面天 气雷达雨量资料，建立了以散射指数和极化订正温度为主要参数的降水反演算法。对文 中所做反演试验与日本ＮＡＳＤＡ用微波成像仪和星载测雨雷达反演的雨强进行了比较。结果表明 ，文中所用的方法在反演陆地下垫面的降雨强度的分布和降雨区域的确定是比较成功的。     

TMI微波亮温反演热带气旋KUJIRA(T0302)降水结构

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪(TMI)和星载测雨雷达(PR)资料,选取2003年第2号热带气旋KUJIRA降水个例,采用高频通道直接组合方案和全通道间接对数组合方案建立了多频道线性回归算式,对4种不同分辨率(0.1、0.2、0.25、0.5)进行了TMI反演降水试验。结果表明,运用全通道间接对数组合法反演降水效果明显优于常用的高频通道反演效果,且更稳定,因此,低频通道微波信息在降水反演中的作用是不可忽视的。运用0.2和0.25分辨率反演降水效果优于0.1和0.5分辨率,其中0.2分辨率更具实际应用价值。     

双线偏振雷达测雨公式的对比分析

以滴谱理论为基础,用模拟雨滴谱分布的方法,讨论了雨滴主普变化以及降水强度变化对双线偏振雷达测雨式的影响,分析了双线偏振雷达测雨式优于普通雷达的原因,进而对回归所得双线偏振雷达各测雨式的测雨精度进行了对比分析,提出子双线偏振雷达各测雨式中的最佳测雨式。     

星载测雨雷达探测频段选择仿真研究

在星载测雨雷达必须满足的3个基本条件的基础上,开展了风云三号(FY-3)星载测雨雷达最佳波段组合的研究.文中将高精度GCE(Goddard cumulus ensemble)模式中BOB飓风资料的大气廓线和水凝物廓线作为三维Quickbeam气象雷达模拟软件的输入,分别模拟了5、10、14、35和94 GHz 5个频点...     

卫星雷达联合重构大尺度流域降水场

给出了一种用GMS-5卫星估计3h降水的方法,并利用地面测雨雷达和卡尔曼滤波器提取误差因子,用于在雷达探测范围以外校准卫星估计的降水,从而获得大尺度流域的(淮河流域)降水分布。在史灌河子流域的比较试验表明：卫星雷达联合重构的降水场具有比卫星估计降水更高的精度,3h降水估计的相对误差从31％下降到13％,和地面降水场的相关系数也有明显提高。     

利用TRMM/PR资料分析1998年GAME/HUBEX期间梅雨锋雨带结构

结合1998年GAME／HUBEx试验期间的常规观测资料，利用TRMM／PR产品分析了一个梅雨锋面雨带的结构以及一些大气学特征。星载测雨雷达(PR)能够在一个广大的范围内提供锋面雨带的某些细节特征和内部结构。利用PR资料得出的结论与利用常规观测资料诊断分析的结果相当一致。以往根据地面雷达发展的雷达气象理论仍然适用，并且效果更加准确可靠。这说明在降水空间结构以及梅雨锋特征的分析中，PR有相当的优势和潜在的价值。     

星载雷达在订正地基天气雷达标定误差中的应用

在雷达反射率数据定量应用中,标定误差是导致结果产生偏差的重要原因之一。星载雷达（TRMM PR）长期工作的稳定性和连续性已被验证,本文将星载雷达数据转换到S波段,通过对比星载雷达和南京雷达同时段不同高度（相对于融化层的位置）不同降水类型（层云降水或对流降水）的数据,得到两部雷达对融化层以下层云降水的观测相关性高,差异稳定。通过对比分析星载雷达和南京雷达同时段零度层以下层状云降水的观测数据,得出两部雷达反射率因子值的回归关系式。以星载雷达观测数据为基准,使用该关系式对南京雷达反射率数据进行订正,并通过雨量计数据对订正结果进行验证,结果显示使用本文订正关系式订正后雷达估计的降雨量更接近雨量计的观测值。     

Climatological Characteristics of Summer Precipitation over East Asia Measured by TRMM PR:A Review

Precipitation is an important indicator of climate change and a critical process in the hydrological cycle, on both the global and regional scales. Methods of precipitation observation and associated analyses are of strategic importance in global climate change research. As the first space-based radar, the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM)Precipitation Radar(PR) has been in operation for almost 17 years and has acquired a huge amount of cloud and precipitation data that provide a distinctive view to help expose the nature of cloud and precipitation in the tropics and subtropics. In this paper we review recent advances in summer East Asian precipitation climatology studies based on long-term TRMM PR measurements in the following three aspects:(1) the three-dimensional structure of precipitation,(2) the diurnal variation of precipitation, and(3) the recent precipitation trend. Additionally, some important prospects regarding satellite remote sensing of precipitation and its application in the near future are discussed.     

Climatological characteristics of summer precipitation over East Asia measured by TRMM PR: A review

Precipitation is an important indicator of climate change and a critical process in the hydrological cycle, on both the global and regional scales. Methods of precipitation observation and associated analyses are of strategic importance in global climate change research. As the first space-based radar, the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Precipitation Radar (PR) has been in operation for almost 17 years and has acquired a huge amount of cloud and precipitation data that provide a distinctive view to help expose the nature of cloud and precipitation in the tropics and subtropics. In this paper we review recent advances in summer East Asian precipitation climatology studies based on long-term TRMM PR measurements in the following three aspects: (1) the three-dimensional structure of precipitation, (2) the diurnal variation of precipitation, and (3) the recent precipitation trend. Additionally, some important prospects regarding satellite remote sensing of precipitation and its application in the near future are discussed.     

地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。     

SIMULATION AND ANALYSIS ON OBSERVATIONAL ERRORS OF CLOUD INTENSITY AND STRUCTURE WITH TRMM PR AND GROUND-BASED RADAR*

In order to explain theoretically the observational biases of reflectivity and structure of precipitation systems by TRMM Precipitation Radar (TRMM PR) and ground-based radar,the effects of wavelengths,incident direction of radar waves and radar beam width on the reflectivity observation are simulated.The results show that the error due to the different wavelength and incident direction of radar wave is within 2.0 dB,TRMM PR can observe a larger reflectivity than ground-based radar in echo center.TRMM PR smoothes the cloud structure,overestimates and underestimates reflectivity by 3-5 dB in strong and week echo areas,respectively.Beam width and long distance from TRMM PR to target cause it to overestimate the large echo area and area integrated rainfall amount,and to underestimate the averaged refleetivity.The theoretical results above can only explain part of observational facts,meaning that the comparison of observation results between TRMM PR and ground-based radar is complicated,the attenuation of radar wave within precipitation area is the main factor to affect the observed result.     

TRMM星载测雨雷达和地基雷达反射率因子数据的三维融合

TRMM卫星上的测雨雷达(TRMMPR)探测资料分布均匀且具有很高的垂直分辨率,但灵敏度较低;地基雷达(GR)水平分辨率较高且具有较高的灵敏度,但其垂直分辨率低。通过将TRMM PR与GR反射率因子数据的三维数据融合,得到了更优的反射率因子图像。测雨雷达与地基雷达三维数据融合主要分为以下几步:测雨雷达与地基雷达数据预处理——如去杂波、衰减校正;测雨雷达与地基雷达时空匹配;选取和应用合适的三维图像融合算法;对融合后的图像进行效果评估。试验结果表明:融合后的图像不仅增大了信息量,更好地检测弱降水,还提高了空间三维(3D)分辨率,能更好地反映降水区域细节,且使得数据总体上具有更高的完整性和可靠性。此外,还将基于雷达资料估测的降水数据与地面雨量计数据进行对比,估计反射率因子数据融合在降水测量上的有效性。      

Three-dimensional Fusion of Spaceborne and Ground Radar Reflectivity Data Using a Neural Network–Based Approach

The spaceborne precipitation radar onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission satellite(TRMM PR) can provide good measurement of the vertical structure of reflectivity, while ground radar(GR) has a relatively high horizontal resolution and greater sensitivity. Fusion of TRMM PR and GR reflectivity data may maximize the advantages from both instruments.In this paper, TRMM PR and GR reflectivity data are fused using a neural network(NN)–based approach. The main steps included are: quality control of TRMM PR and GR reflectivity data; spatiotemporal matchup; GR calibration bias correction;conversion of TRMM PR data from Ku to S band; fusion of TRMM PR and GR reflectivity data with an NN method;interpolation of reflectivity data that are below PR's sensitivity; blind areas compensation with a distance weighting–based merging approach; combination of three types of data: data with the NN method, data below PR's sensitivity and data within compensated blind areas. During the NN fusion step, the TRMM PR data are taken as targets of the training NNs, and gridded GR data after horizontal downsampling at different heights are used as the input. The trained NNs are then used to obtain 3D high-resolution reflectivity from the original GR gridded data. After 3 D fusion of the TRMM PR and GR reflectivity data, a more complete and finer-scale 3D radar reflectivity dataset incorporating characteristics from both the TRMM PR and GR observations can be obtained. The fused reflectivity data are evaluated based on a convective precipitation event through comparison with the high resolution TRMM PR and GR data with an interpolation algorithm.     

卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究

采用美国风暴分析预报中心开发的中尺度模式（Advanced Regional Prediction System,ARPS）的资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System）,把中国CINRAD/SA、SB多普勒雷达反射率、风云-2E卫星的红外和可见光资料引入模式初始场,利用高分辨率中尺度模式WRF对2012年7月21日中国华北地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：加入雷达和卫星资料的WRF数值模拟,由于修正了中低层水汽,对降水系统预报有一定的调整,预报的降水落区位置和降水量中心值更接近实况;同时加入卫星和雷达资料同化后,明显改善了WRF降水系统预报偏慢的情况。雷达与卫星资料同化对WRF模式降水预报影响不同,雷达资料影响的时间短,只在6 h内预报起作用,而卫星资料影响时间较长,能够改善24 h内的预报。加入卫星和雷达资料,修正了水汽场,使降水预报在开始时间、量级和范围上均有改善,更接近实况。     

“7.28” 渭河区域性大暴雨天气过程分析

应用常规气象观测资料、FY-2D气象卫星资料、雷达资料,对2011年7月28—29日发生在陕西渭河流域的强降水天气进行分析,结果表明：副热带高压加强北抬,高原低槽东移,副热带高压外围暖湿气流与高原槽前西南气流合并,为暴雨形成提供了有利的条件;低层切变线、低涡、低空急流是暴雨产生的主要影响系统;卫星云图上在低槽云系中有暴雨云团特征;雷达反射率因子强回波与液态含水量大值区总是与大降水对应,