C波段双偏振多普勒天气雷达资料分析及在定量估计降水中的应用研究

基于南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP)的观测资料,结合南京龙王山SA天气雷达数据、南京信息工程大学大气综合观测基地的OTT Parsivel雨滴谱仪数据、南京市地面雨量计数据,分析NUIST-CDP探测资料的质量及定量降水估计(QPE)精度情况。将NUIST-CDP与SA雷达的回波强度数据进行了对比,发现NUIST-CDP回波强度偏弱;将滴谱仪上方NUIST-CDP测量的反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR与滴谱仪数据对比,雷达参量Z_H、Z_DR与滴谱仪数据变化趋势一致,但整体略偏小;比较差分传播相移率K_DP与Z_H的变化情况,由差分传播相移Φ_DP经最小二乘法计算得到的K_DP与Z_H数据一致性很好。利用南京地区2015年夏季(5—8月)收集的滴谱数据计算偏振雷达参数,拟合测雨方程,进行两次降水过程个例的QPE分析,并与南京地区雨量计数据进行了对比。结果表明:R(K_DP)测雨精度最高,R(K_DP,Z_DR)次之,使用偏振参量能明显提高降雨估算精度;R(Z_H)、R(Z_H,Z_DR)方法测雨反演结果低于地面雨量计雨量值,且低于SA雷达反演结果。      

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(Z_H)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的Z_H中值随高度增加而减小, 但差分反射率(Z_DR)、差分传播相移率(K_DP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应Z_DR和K_DP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均Z_H比闪电通道位置处的平均Z_H大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应Z_H分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。      

降水粒子空间取向对双线偏振雷达观测影响模拟研究

该文从降水粒子散射和衰减理论出发, 采用数值模拟方法, 分析了雷达波束通过均匀雨区时, 双发双收偏振模式与单发单收偏振模式下, 水平、垂直偏振波之间的耦合关系, 比较了两种收发模式下, 由于雨滴倾斜引起的水平反射率因子Z_H及其误差ΔZ_H, 差分反射率因子Z_DR及其误差ΔZ_DR, 差传播相移Υ_DP、差传播相移率K_DP及其在不同偏振模式下的差异ΔK_DP随距离的变化情况。结果表明:因实际大气中雨滴倾斜角较小, 雨滴倾斜引起的模式间Z_H, Z_DP的差别不大; 而受雨滴倾斜影响, 单发单收模式的K_DP要大于双发双收模式。该文还提出了Z_H, Z_DR真值的两种定义方式, 分别为考虑与未考虑雨滴倾斜对散射效果的影响。未考虑雨滴倾斜的真值代表了雨滴实际的微物理结构, 剔除了传播效应的影响, 更能精确反映雨滴的实际大小, 在定量估测降水等雷达资料的应用中具有更好的代表性, 因此以未考虑雨滴倾斜作为Z_H, Z_DR真值较为合理。     

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_H与雨滴谱仪反演的Z_H对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP与Z_H的一致性较好,其中K_DP约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。      

基于S波段双极化雷达的变分法的定量降水估计算法

基于比差分传播相移(K_DP)的降水估计算法R(K_DP)相较于传统基于水平反射率因子(Z_H)的算法R(Z_H)的表现更优。在雷达实际运行中,由于随机误差和后向散射相位(backscattering phase)的影响,可能出现负的K_DP。运用一种基于变分的雷达定量降水估计混合算法(V-RQPE)。该算法用变分拟合方法重构差分相位(Φ_DP),用一种新的稳健的边界条件求解方法,在消除随机误差的同时获得非负的K_DP,进而进行降水估计。随后我们使用2017年5月7日广州S波段雷达的回波数据和地面雨量站观测数据进行验证,同时使用了六种不同的算法进行对比,结果显示,在1小时累计降水估计中,V-RQPE表现最好,在24小时累计降水估计中,V-RQPE和基于变分拟合的K_DP的降水估计算法(R-VKDP)表现最好,实验结果表明变分拟合方法对雷达降水估计能力有显著提升。      

利用深度学习开展偏振雷达定量降水估测研究

利用2018—2020年经偏振升级改造后的广州S波段双偏振雷达（CINRAD/SAD）82892个体扫的0.5°仰角数据,以及雷达100 km探测范围内1109个雨量站共计538560个分钟雨量数据,分别构建了单参量、三参量雷达定量降水估测（QPE）深度学习网络架构（Z-Rnet、K_DP-Rnet、Pol-Rnet）,并以K_DP=0.5°/km为阈值分别训练得到大雨、小雨、总体等9个定量降水估测模型。在常用的均方误差作为损失函数的基础上,对不同降水强度采用不同权重提出了自定义损失函数,并利用比率偏差、相对偏差、均方差、平均绝对误差和平均相对误差作为评价指标对模型进行评估。通过对以积层混合云为主、以对流云为主和以层状云为主的3次降水过程的模型验证结果表明,利用深度学习训练的模型有较好的定量降水估测效果,区分雨强的小雨、大雨模型比不区分雨强的总体模型的效果要好。采用自定义损失函数模型效果更好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用传统均方误差损失函数提升了8.62%、12.52%、16.34%。自定义损失函数中,采用Z_H-Z_DR-K_DP三参量网络架构训练得到的定量降水估测模型效果最好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用Z_H的单参量Z-Rnet架构提升6.82%、8.43%、7.22%;较采用K_DP的单参量K_DP-Rnet架构提升12.33%、17.61%、17.26%。      

S波段双线偏振雷达KDP参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量的参数K_DP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测K_DP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制。探讨总结了K_DP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的K_DP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法K_DP计算的影响;同时研究了雷达实测K_DP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系显示,5 km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;同时,K_DP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用K_DP来估算反演降雨强度。     

双线偏振雷达差分传播相移的质量控制

利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达 (C-band Polarimetric Doppler Radar on Wheel,CPDRW) 的外场试验,在统计分析降水、地物回波差分传播相移Φ_DP数据的差别与信噪比关系等基础上,提出了一套数据分析和处理的方法。该方法通过Φ_DP的异常波动并结合回波的强度Z_H和速度V_r信息将地物回波信号分离出来,在降水估测或衰减订正等定量应用时将其剔除。对于气象回波则根据信噪比及零滞后互相关系数ρ_HV(0) 将Φ_DP资料分为较好、较差和差3类。对于较好数据直接进行后续的预处理,对于较差数据先订正后处理,而对于差数据将其剔除以保证Φ_DP资料的整体质量。经过大量资料的验证,该方法在最大程度上保留气象信息的同时也保证了Φ_DP资料的质量,并能估算出质量较高的差分传播相移率K_DP资料。     

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达（CPDRW）2011年完成升级改造后观测的一次大范围层状云降水过程资料为例,讨论了该设备改造后探测资料质量的改进情况及其对降水粒子的探测性能,同时利用模糊逻辑法结合地物的常规特性和偏振特性,建立了一种运用双线偏振雷达观测资料识别地物及地物与降水混合回波的方法,并利用该雷达的观测资料对识别结果进行了分析检验,最后统计分析了降水回波的差分反射率因子(Z_DR)、零滞后互相关系数(ρ_HV（0）)与信噪比的关系,以及系统初始相位的稳定性及降水资料的一致性。分析结果表明,在常规参量的基础上添加偏振参量并采用模糊逻辑法构建的综合识别模式和常规识别模式都能较好地识别地物,但综合识别模式明显改善了常规识别模式0速度区过度识别的问题,且在地物与降水回波混合的情况下叠加混合回波识别模式具有更加明显的优势。雷达改造前,Z_DR及ρ_HV（0）在信噪比小于25 dB时受噪声影响很大,测量值存在较大误差,资料变得不可信;通过这次的升级改造,其信噪比探测阈值由25 dB降低到15 dB。系统初始相位比改造前更加稳定,随仰角和时间的波动性更小。利用垂直扫描数据进行系统误差订正后的Z_DR资料能较好地反映降水粒子的实际情况,Z_DR随信噪比的变化较之改造前更加平稳,而对差传播相移Φ_DP进行分类处理后拟合的差传播相移率K_DP资料也与实际情况一致。     

C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模

双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模.基于2015—2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模...     

双线偏振多普勒雷达测量精度的理论分析

双线偏振雷达的主要任务之一是定量测量降水，反射率因子ZH、差反射率因子ZDR、差相移率常数K_DP都可以用来反演降雨强度，而K_DP的测量误差大小是影响反演降雨强度效果的关键。本文从理论公式出发，计算和分析了不同方位平均、距离平均、不同谱宽σV等因素对差传播相移ΦDP测量精度的影响。理论计算结果表明:ΦDP的测量误差随着样本对数M、距离平均区间的增大而减小，随σV的增大而增大(σV=1 m/s时例外)，此外，还总结了3种由ΦDP计算K_DP的方法，并对这3种方法的测量误差进行了比较，发现方法二的测量误差很大，方法一和方法三在一定的条件下都能使K_DP测量精度达到0.1°/km。     

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。     

江淮地区一次冰雹过程的双线偏振雷达观测分析

为了进一步认识冰雹和三体散射的双线偏振雷达观测特征,提高业务预警能力和奠定基于双线偏振雷达的地面降雹识别基础,利用南京双线偏振雷达观测资料,统计分析了2019年3月20日冰雹过程发展、成熟和降雹阶段的观测特征及微物理过程。结果表明:（1）雹暴在成熟阶段具有高悬的强回波中心和较高的顶高,强回波中心差分反射率Z_DR＜?0.5 dB,相关系数（ρ_hv）约为0.9,由于冰雹后向散射相位的影响,该区域比差分相位（K_DP）呈现负值,指示了该区域有冰雹存在,并被相态分类算法（HCA）正确识别;（2）降雹阶段,高层反射率因子减小,强回波中心下降到地面附近,融化层以下ρ_hv增大,指示高层下落的冰相粒子整体尺寸减小;HCA识别到冰雹开始减少时,地面观测到冰雹;（3）三体散射的反射率因子（Z_H）、ρ_hv和反射率因子标准差（SD（Z_H））概率密度分布与北美三体散射比较接近;Z_DR分布更偏向于负值区域,差分相位标准差（SD（φ_DP））分布范围大约是北美结果的2倍。