CINRAD/SA-D雷达差分反射率金属球标定试验

目前我国新一代天气雷达正升级为双偏振体制,CINRAD/SA-D双偏振天气雷达对气象目标差分反射率(Z_(DR))的精确测量是参数标定的重要环节。对徐州双偏振雷达配置VCP-sect扫描模式,采用目标方位±5°的扇扫组合,且关闭地物等所有雷达滤波算法,用无人机分别携带2种标准金属球开展Z_(DR)标定试验。分析试验结果,发现采用40cm金属球,控制无人机与金属球间隔为68m时,Z_(DR)平均值为-0.265dB,最小为-0.125dB,最大为-0.375dB,满足雷达定标Z_(DR)的技术要求。研究结果为业务雷达开展双偏振雷达定标Z_(DR)提供了技术方案。     

双发双收双偏振天气雷达差分反射率工程标定方法

分析了利用小雨、太阳、边界层顶的Bragg散射、地物等外界目标对双偏振天气雷达差分反射率(Zdr)进行标定的原理和局限性,介绍了一种可以在线获得发射机、接收机和天线引入的Zdr偏差的工程标定方法,并提出了一种提高Zdr测量精度的方法,即在每个脉冲重复周期,实时测量每个通道的发射功率耦合测试信号和气象目标回波信号在接收机数字中频的输出值,用于补偿发射功率和接收机增益的变化。该文介绍的两种工程标定方法可用于水平通道和垂直通道同时发射同时接收的双偏振天气雷达系统,能够满足在线实时标定的业务运行要求。     

X波段双线偏振天气雷达双通道一致性测试及分析

对房山X波段双线偏振天气雷达的天线性能、接收动态范围、噪声系数、系统定标能力以及接收双通道一致性进行测试分析,结果表明:天线增益和交叉极化隔离度最小值分别为44.73dB和36.1dB、双通道差分反射率ZDR和差分传播相位ΦDP标准差分别为0.02dB和0.26°、双通道的噪声系数最大平均值为2.02dB,均满足该雷达系统相应的指标设计要求;双通道的动态曲线特征和回波强度定标性能一致性存在差异,会对雷达系统探测数据质量造成不利影响。同时对该雷达系统的差分反射率ZDR标定方法进行了探讨,对雷达探测降水个例数据进行了分析。     

济南双偏振多普勒天气雷达在线自动标定数据质量分析评估

阐述了CINRAD/SA-D双偏振多普勒天气雷达（简称“双偏振雷达”）标定技术,统计分析了济南双偏振雷达试运行以来在线自动标定数据和该时间段内的维护维修情况,从雷达几十个标定状态性能参数中,遴选对雷达探测数据质量影响最大的发射峰值功率Pt、相位噪声σφ、噪声系数NF、反射率标定系数SYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分传播相移ΦDP等性能参数,分析评估在线自动标定数据质量。结果表明：1）峰值功率维持在679.68 kW,H（水平）和V（垂直）双通道的峰值功率长期运行吻合一致性较好。2）H和V双通道噪声系数均值分别维持在1.66 dB和1.73 dB,双通道数据总体分布稳定,且具有较好的一致性;标定数据的异常来源于外界干扰,占0.39%,受外界干扰H通道多于V通道,干扰造成接收机灵敏度降低了1.5 dB,导致雷达产品异常。3）反射率标定ΔSYSCAL最小值为-0.46 dB,最大值为0.25 dB,满足±2 dB的技术指标要求。4）I/Q相角法标定相位噪声均值为0.051 3°,实物对消能力60 dB与估测地物杂波抑制能力61.36 dB结果基本吻合,证实了雷达系统具有较好的地物杂波抑制能力。5）采用机内CW、TS双信号源标定法,接收双通道幅度和相位的标准差：ZDR-CW和ΦDP-CW分别为0.025 dB和0.735,ZDR-TS和ΦDP-TS分别为0.044 dB和1.116°,满足接收双通道一致性的技术指标,但CW信号标定结果明显小于TS信号标定结果,表明双路方位旋转关节对接收链路信号幅度和相位的一致性有影响,导致ZDR-TS和ΦDP-TS标定结果比ZDR-CW和ΦDP-CW出现更大的偏差,因此随着双偏振雷达的长期运行,对方位旋转关节带来的幅度和相位固有偏差进行测试和订正非常重要。     

星载雷达与C波段地基雷达数据一致性个例分析

为提高单部雷达与多部雷达组网探测降水的精度,对地基雷达进行了一致性定标。星载雷达作为标准参考源已应用于S波段天气雷达的一致性定标,但对于C波段天气雷达的适用性仍有待研究。为此,本文选择了位于较高纬度的兰州C波段业务雷达,设计了以星载雷达标定C波段雷达的方法。通过对两个降水个例进行分析发现:定标后的C波段雷达回波强度和降水反演精度均有一定改善。说明采用星载雷达对C波段雷达进行定标也是可行的,这有利于解决西部地区地基雷达组网探测的一致性定标难题,展现了良好的应用前景。     

广州S波段双偏振雷达数据质量初步分析

广东省已经通过新布设或对CINRAD\SA雷达的升级改造完成5部S波段双偏振雷达的业务运行。受目前双偏振雷达技术水平限制,双偏振雷达偏振量很不稳定,因此偏振雷达资料使用前需要对数据可用性、偏振量的系统偏差等进行初步分析,以保证偏振雷达后续产品的可靠性。使用广州S波段双偏振雷达稳定运行后的2016年7—8月连续观测资料,分析了噪声对零滞后相关系数ρ_HV(0)及差分反射率因子Z_DR的影响和订正效果。结果表明:当SNR小于20.0 dB时,偏振参量ρ_HV(0)和Z_DR的稳定性变差,数据不可用;噪声订正后,数据可用的SNR阈值减小为17.0 dB。进一步分析了经过噪声订正后的Z_DR和Z_H之间的关系,并与雨滴谱反演结果及理论值进行对比。结果表明:广州雷达Z_DR较雨滴谱反演值和理论值均偏小,Z_DR观测值存在系统偏差。结合广州的气候特征,对偏振量系统误差估计的微雨滴法的指数进行了调整,基于此方法分析了Z_DR、初始相位Φ_DP (0)的系统误差随方位角的变化。结果表明:Z_DR系统误差随方位角在-0.29~0.22 dB之间波动,剔除遮挡后的平均偏差为-0.09 dB,与实测Z_DR值和雨滴谱反演值及理论值对比偏小的结论一致,但偏差大小有区别;同时,Φ_DP (0)随方位角有4 °左右的波动。分析还发现Z_DR、Φ_DP (0)系统误差有随时间波动的特征。最后挑选个例对Z_DR进行噪声和系统误差订正后发现,订正后的Z_DR得到改善。这些初步分析和结果对S波段双偏振雷达数据的使用有一定的参考意义。      

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料。但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难。本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其随扫描角、观测时间的变化趋势。研究结果表明,相控阵雷达反射率因子的误差不大、约0.82 dB,而差分反射率因子的误差则高达1.04 dB,并且不同仰角、不同时刻之间也存在一定的波动。为此本文提出了基于S波段雷达实时数据的订正方案,能够较好地解决双偏振相控阵天气雷达的定标问题,为相控阵雷达的业务应用提供了保障。     

C波段调频连续波天气雷达探测系统及观测试验

对降水云更高时、空分辨率观测资料的需求推动了天气雷达技术的发展,调频连续波雷达(FMCW)系统采用收发分置双天线体制,采用数字直接移相(DDS)技术和快速傅里叶变换(FFT)信号处理技术,获取高度分辨率达到15、30 m,探测周期2—3 s的回波功率谱分布和谱参数,具有脉冲多普勒雷达无法比拟的探测优势。C波段FMCW(C-FMCW)雷达最小可测信号功率达到-170 dBm,微弱信号的定量标校是技术难点。采用标准信号源输出单频信号,经过数字直接移相扩展为与雷达系统相同扫频范围信号,得到最小输入功率可达-169.77 dBm的定标曲线,由定量标校后的谱分布计算得到回波强度谱密度分布。该雷达于2013年6月起在安徽定远开始观测,利用8月24日降水过程探测数据,与距离该地48 km的蚌埠和83 km的合肥SA扫描雷达观测数据,分别进行对流云与层状云的观测比对分析。对于均匀分布的层状降水云,C-FMCW雷达与SA雷达探测结果基本接近, C-FMCW雷达与蚌埠SA雷达的平均均方根误差为1.75 dB,与合肥SA雷达的平均均方根误差为2.02 dB,C-FMCW雷达与两部SA雷达探测的回波强度差异小于1 dB。对观测试验谱参数及回波强度谱密度分布进行了初步分析,C-FMCW雷达在研究降水云体的相态分区、晴空大气边界层回波等方面有较好的应用前景,有助于加深对强降水云中垂直运动的强烈变化的探测和认识。     

基于功率谱的风廓线雷达回波强度定标方法

风廓线雷达已在我国得到大范围的业务布网应用,现有业务产品主要为风场信息。为了充分发挥风廓线雷达的作用,获取更多的天气过程信息,该文提出仅使用风廓线雷达返回信号功率谱进行数据定标（DCNP）的方法。使用雷达系统噪声功率对返回信号功率谱单位幅度进行标校计算,基于标校后的雷达探测功率谱分布数据计算回波强度功率谱密度分布、回波强度、大气折射率结构常数。利用2017年北京风廓线雷达、2016年南京风廓线雷达和2018年梅州风廓线雷达观测数据,对我国业务运行的3种主要型号风廓线雷达进行算法评估试验。定标方法的计算结果稳定,风廓线雷达不同探测模式之间的一致性较好。使用每个测站定标结果与相邻天气雷达数据进行比较,风廓线雷达回波强度定标结果与天气雷达也有较好的一致性。DCNP方法与基于信噪比（SNR）的强度计算方法进行比较,与SNR方法相比,DCNP方法定标结果更加稳定可靠。     

X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法

该文根据有源相控阵天气雷达的体制特点,参考多普勒天气雷达测试定标方法,提出了一维扫描有源相控阵天气雷达的测试和定标方法,将测试重点放在天馈系统、T/R组件、脉冲压缩、动态范围的测试和定标上,以解决不同观测模式、不同波位的天线增益等参数变化引起的回波强度测量误差问题。测试结果表明:天馈系统在不同观测模式下的天线参数随仰角的变化情况、波束指向的准确度、T/R组件的动态范围等均符合设计要求,回波强度和径向速度定标精度较高。雷达经过测试和定标后,于2014年5—8月分别在安徽定远和四川甘孜进行外场试验,并与附近多普勒天气雷达 (SA) 和C波段双线偏振雷达观测数据进行对比,结果表明:回波强度误差在合理范围内,精细测量、警戒搜索、快速观测3种模式观测的强回波的水平和垂直位置、结构和系统误差均比较一致,数据可靠。     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

回波强度测量的误差因素分析及解决方法

回波强度测量误差主要由雷达本身的参数(如发射功率、波束宽度、天线增益、系统损耗等)、气象因子(如折射指数、衰减系数、充塞系数等)、信号处理方法等误差引起.通过对相关雷达参数的相对误差和回波强度绝对误差曲线分析得出,雷达参数天线增益优于0.1 dB、发射峰值功率优于10%、发射频率优于0.1%、脉冲宽度优于1%、波束宽度优于0.01°时,反射率因子测量误差将＜0.8 dBz,可满足新一代天气雷达反射率因子测量误差范围在±1 dB内的技术要求.     

云南多普勒天气雷达网探测冰雹的覆盖能力

冰雹是常见的天气现象之一,天气雷达是探测冰雹的一种强有力工具。多普勒天气雷达网除体扫模式的局限外,复杂的山地地形对雷达波束造成的遮挡,对于雷达探测冰雹天气现象的不利影响非常大。针对雹云回波的垂直结构特征,考虑0℃、-20℃层高度和回波强中心高度几个关键参数,分析雷达探测雹云的区域覆盖能力。以位于低纬度高原的云南省C波段多普勒天气雷达网为对象,分析其探测雹云的覆盖情况,并按探测效果进行了区域分型。与实际降雹天气的对比表明,该评估方法衡量雹云探测范围较合理;云南多普勒天气雷达网雹云适合探测区约占全省面积的75%,约2%的面积部分遮挡,0.2%被完全遮挡,遮挡比较严重的区域主要位于昭通东北部和临沧东北部。云南省规划的9部雷达全部业务化运行后,理论上90%的地面降雹区能被雷达有效监测和识别,约有3%的地面冰雹区只有当雹云发展到8 km以上才能被识别,约6%只能探测8 km高度以下的回波,可能导致漏判、误判,约8.5%面积为冰雹识别的盲区。     

相邻雷达回波差异检测方法研究与应用

文章介绍相邻雷达在重叠区回波差异的检测方法,造成邻近两部雷达在重叠区回波差异的原因分为外界因素和内在因素。排除遮挡、地物/超折射杂波及大气衰减等外界因素,根据雨滴直径与下落末速度的关系,对相邻两部雷达基数据进行时间、空间一致性匹配,比较邻近两部雷达在重叠区域中相同时间、相同采样空间上的回波观测值,若仍然存在明显差异,则是由雷达自身一些因素造成的。文章采用了郑州雷达一次频率源故障过程和广东一次飑线过程中的数据作为个例,分析表明该方法能有效检测出相邻两部雷达在重叠区的观测值差异,在全国新一代天气雷达网实时运行监控业务中具有较高的应用价值,当检测出某一部雷达与邻近几部雷达存在明显的观测差异时,可通过报警方式将信息传送至雷达机务人员,以便及时查找和解决雷达的故障问题。     

L波段雷达系统不同测风方法计算结果分析

根据广东阳江探空站L波段雷达系统观测的测风资料分析,测风记录用综合探测雷达测风方法与无斜距（或高度替代）测风方法计算的测风量得风层的结果,少数情况下会出现与理论值不相符的现象,两种测风方法计算的结果,有时会超出高空气象观测仪器总体测量准确度要求允许的误差范围。在雷达的仰角小于30°时,量得风层的风速小于3 m/s时,两种测风方法计算量得风层的风速基本相同（误差在允许范围内）,但风向有的相差较大,超出测量准确度要求允许的误差范围。当雷达仰角小于15°,量得风层的风速大于30 m/s时,两种测风方法计算量得风层的风向比较接近,但量得风层的风速有的却相差较大,超出测量准确度要求允许的误差范围。     

CINRAD/SB雷达回波强度定标调校方法

回波强度定标和调校方法是保障CINRAD/SB回波强度测量精度的关键技术,方法不当会导致回波强度测量误差增大,直接影响雷达定量估测降水产品的可靠性。为了满足回波强度测量误差在±1 dBZ范围内的技术要求,根据雷达气象方程,通过对CINRAD/SB接收机测试通道、主通道、天馈系统相关影响回波强度测量误差的因素进行分析,提出了从接收机动态范围和雷达参数调整、线性通道增益定标目标常数定标,到测试通道参数调整的回波强度定标工作流程。总结出以线性通道增益定标目标常数定标为基准,采用测试通道参数测量法或基准法调校,以保证发射功率和接收机动态范围变化导致的回波强度测量误差得到在线实时校正,提高了CINRAD/SB回波强度测量精度。从接收机测试通道、主通道、天馈系统及发射功率4个方面,给出了回波异常的分析和诊断流程。并提出在接收机保护器前端增加机外信号注入口和定标信号功率检测功能,以利于机内外回波强度定标对比校准和消除测试通道参数变化导致回波强度测量误差的建议。     

雷达径向风观测在华北区域数值预报系统中的实时三维变分同化应用试验

以实现业务应用为目标开展了区域多部雷达径向风观测资料的三维变分直接同化应用研究。重点对背景场误差协方差的方差和尺度因子进行调整,形成能够与其他常规观测资料协同同化的雷达径向风同化方案,并建立了京津冀6部多普勒雷达观测资料的实时预处理系统。基于上述工作开展2011年汛期京津冀多普勒雷达径向风观测资料在华北区域快速更新循环同化和预报系统中的实时同化和对比试验,并对应用效果进行了初步评估。实时同化试验期间京津冀地区6部雷达经过质量控制后的径向风数据质量和同化情况的分析结果表明,同化系统有效地吸收了雷达径向风的观测信息并形成合理的分析增量,其中,S波段雷达观测的径向风数据数量、质量和稳定度均明显优于C波段雷达;整体来看,雷达径向风同化对地面和高空要素预报性能的影响基本为中性,且主要影响时段集中在最初的6 h。但降水预报评分结果表明,雷达径向风同化从降水强度、落区和范围等方面均明显提升了系统对对流尺度降水的短时预报性能。同时也应该看到,受制于目前3 h一次的同化更新频率,雷达资料同化的效果往往到对流临近时次才能体现。     

X波段双偏振雷达垂直指向法标定的应用

垂直指向法标定是双偏振雷达的差分反射率因子ZDR标定有效方法的一种,可以订正ZDR测量误差,提高雷达数据的质量。本文基于双发双收模式的X波段双线偏振天气雷达系统,通过分析雷达硬件系统和垂直指向法标定的数据,诊断了观测数值的一些质量问题,初步判断是方位旋转关节损坏而导致ZDR的数值在某一固定区域上出现较大偏差。更换新的方位旋转关节后,对比处理问题前后的垂直指向标定数据证明能有效解决此问题。最后,经过多次试验分析表明,当垂直指向法标定在回波强度为25.5~30.5dB之间的中等范围稳定的层状云降水情况下使用时,其标定的数据能有效订正系统ZDR偏移量。     

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

双线偏振天气雷达有效探测范围研究

双线偏振天气雷达是当前一种比较先进的天气雷达,它能同时获取云和降水特性的参量包括强度(Z_h)、速度(V)、谱宽(W)、差反射率(Z_(dr))、差传输相移(Φ_(dp))、比相差(K_(dp))和相关系数(p_(hv))。这些参量的数据精度决定了识别云和降水粒子及遥测区域降雨量的准确性。这些数据精度与回波信号的信噪比密切相关,当信噪比低于20 dB时(不同雷达有差异),偏振数据的精度明显变差;同时也与雷达的空间分辨率有关,当距离雷达较远时,由于雷达波束的展宽,其回波功率包含不同的水成物粒子的信号,这些都会带来数据精度的误差,影响偏振天气雷达的正确应用。另外,由于受到雷达发射功率的限制,在保证探测数据精度(也就是信号强度要满足信噪比的要求)的前提下,偏振数据的探测距离远低于强度信号的探测距离。为了保证回波信号有足够的信噪比和合适的空间分辨率,双偏振天气雷达的探测范围必须被控制在一个有效的范围内。本文结合偏振雷达探测数据的分析,从保证偏振天气雷达偏振参量数据精度的要求出发,研究探讨了我国现有的不同偏振天气雷达的有效探测范围,其结果对偏振雷达的设计生产和应用有重要的参考作用。