青藏高原零度层亮带的识别订正方法及在雷达估测降水中的应用

零度层亮带是指雪花或冰晶降落到零度层附近,表面发生融化而使雷达反射率突然增大的现象.它是影响雷达资料质量的重要因素,常会导致雷达估测降水的高估.青藏高原海拔高、零度层低,零度层以下的降水范围非常有限,亮带对青藏高原地区的雷达估测降水的影响更加显著.因此,对亮带进行自动识别订正,对提高青藏高原雷达降水估测的精度有重要意义.本文在考虑青藏高原遮挡严重的情况下,通过计算反射率垂直廓线来识别零度层亮带,对亮带区域进行订正,并将亮带订正前后的混合扫描反射率分别估测降水,分析亮带订正对降水估测误差的影响.结果表明:雷达识别的亮带高度在探空资料零度层以下几百米内;亮带订正前,反射率垂直廓线在零度层附近有显著弯曲,雷达对降水的估测明显偏高;亮带订正后,反射率垂直廓线在零度层附近的显著弯曲消失,雷达估测的降水量与雨量计的观测值较一致,降水估测误差比订正前明显减小.     

C波段双线偏振天气雷达零度层亮带识别和订正

利用2013年8月北京C波段双偏振多普勒天气雷达体扫数据、探空资料和地面雨量站资料,获得反射率因子垂直廓线（vertical profile of reflectivity,VPR）识别零度层亮带,比较平均反射率因子垂直廓线（mean VPR,MVPR）、显著反射率因子垂直廓线（apparent VPR,AVPR）和显著相关系数垂直廓线（apparent vertical profile of correlation coefficient,AVPCC）3种零度层亮带订正方法的效果,并利用地面雨量站资料进行定量降水估计（quantity precipitation estimation,QPE）验证订正效果。结果表明:采用MVPR和0℃层高度能有效识别零度层亮带,零度层亮带厚度为0.8~1.5 km;经3种方法订正后,零度层亮带影响区得到了不同程度的抑制,其中MVPR法订正效果最差,基本未能减弱零度层亮带的影响,AVPR法和AVPCC法的订正效果较好,明显减弱了零度层亮带影响区的回波强度,订正后回波更均匀。利用地面雨量站数据进行QPE验证表明:经零度层亮带订正后雷达估测的降水与地面雨量站实测降水更接近,也表明AVPR法和AVPCC法效果更好。     

石家庄地区反射率因子垂直廓线特征分析

利用自动雨量计数据整理成的10 min一次的雨量资料和s波段多普勒天气雷达体积扫描强度数据,对石家庄地区2004～2007年4次天气过程的实时雷达反射率因子垂直廓线的特征进行了分析.结果表明:层状云和混合性降水反射率因子垂直廓线有明显的零度层亮带;短时强降水过程的反射率因子垂直廓线不存在零度层亮带.冰雹过程中反射率凼子垂直廓线变化较大,降雹前反射率因子的极大值在中上层,降雹发生时反射率因子的极大值高度下降,降雹后反射率因子的极大值减弱.降雪过程的反射率因子垂直廓线零度层亮带不明显.在石家庄西部山区,由于零度层亮带的影响.对层状云和混合性降水回波强度和降水量估计偏高.对短时强降水过程的地面降水估计用反射率因子垂直廓线的方法比最低仰角法更加准确,在均匀性降水中可较好地改善地面雨量估算结果,有利于在山区和无雨量计的地区判断强对流天气的发生、发展和估算降水量的大小.     

雷达定量估测降水的亮带自动消除改进方法

层状云降水中,0 ℃层融化效应会引起雷达反射率因子局部增大,若不进行订正,则会高估雷达估测的降水.本文提出一种基于新一代天气雷达反射率因子垂直廓线的0 ℃层亮带自动识别与订正算法,以减小因亮带造成的降水高估.本研究首先对降水类型进行分类,在SHY95的基础上增加了垂直方向的反射率因子三维特征,避免亮带的反射率因子高值区被误识别为对流云区;其次,在层状云区识别出一个可能的亮带影响区,在其中查找亮带,采用旋转坐标系法精确的识别亮带的顶、底高度;最后,利用最小二乘法拟合亮带上、下层的斜率,平滑垂直廓线(VPR,Vertical Profile of Reflectivity)的显著突出部分.将该方法应用于北京地区2010—2011年10次包含亮带的降水过程,得到的亮带订正后的均方根误差E_RMS、平均绝对误差E_RMA、平均相对误差B_RM值较初值均有显著减小(分别减小1.538 mm,0.417和0.468).结果表明,该方法能够有效地识别与订正亮带,使得定量测量降水精度有所提高.     

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。     

多普勒雷达实时反射率因子垂直廓线观测研究

使用2002年6～7月长江中游地区宜昌S波段多普勒雷达在两次大范围混合性强降水过程中部分时段体积扫描强度数据以及周边100km范围内的7个雨量计整理成10min记录一次的雨量资料,分析了实时雷达反射率因子垂直廓线的特征。研究表明：反射率因子垂直廓线可反映出所选区域上空零度层亮带高度位置、回波的垂直变化规律等信息,以此分析降水的类型、云中粒子的发展变化;从雷达连续体扫得到的中、低仰角对应高度上的实时反射率因子垂直廓线的变化规律、PPI图像上对应雨量站点上空的回波变化情况及10min记录一次的地面雨量的变化趋势对比来看,发现三者能很好地统一起来,可用来较细致地分析降水云体的变化,有利于在无地面雨量计的地区分析降水量的大小、确定降水类型、估测降水的发展;对无亮带、反射率因子值较大而且越低仰角值越大的反射率因子垂直廓线的区域,对应地面上常有对流性强降水出现。     

回波强度垂直廓线与雷达定量估测降水的关系

为了分析不同高度回波强度与地面降水的关系,提高雷达定量估测降水的能力,本文对石家庄2006~2008年5~9月共77次降水过程的反射率因子垂直廓线(VPR)进行了统计分析。对比降水实况和VPR发现,各个高度层的反射率因子波峰(谷)同降水波峰(谷)相一致,而且降水强度越大,反射率因子核心高度越低。同时,还比较了距离雷达站不同的水平距离和不同海拔高度的反射率因子特征,发现海拔高度对5 mm/h以下降水率和垂直高度在4 km以下各层的反射率因子会造成一定的影响,而对强降水和高层反射率因子影响较小。另外,零度层亮带在VPR上表现出反射率因子增大的特征,影响降水估测效果。为了消除零度层亮带的影响,选取1.5~3.5 km为估测降水的最佳高度范围,各站具体选取高度则取决于其距雷达站的水平距离和海拔高度。     

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。     

基于SimRAD平台的零度层亮带特征模拟试验

在作者先前开发的SimRAD软件平台上添加了融化层中融化粒子散射特性的计算,从而在给定雷达发射频率,大气状态参数（高度、气压、气温、相对湿度）以及水成物相态、滴谱分布、含水量等信息的条件下,定量模拟出含有融化层的层状云的雷达反射率因子。模拟结果与大量雷达观测资料得出的层状云零度层亮带的回波特征相符合。并在此模拟的基础之上进行了零度层亮带对粒子融化速度和粒子群谱分布的敏感性试验,发现零度层亮带的雷达反射率因子廓线对二者均有一定的敏感性。      

3836C波段双线偏振多普勒雷达及其在一次降水过程中的应用研究

该文介绍了2004年完成的在北京市气象局升级改造后的3836C波段双线偏振多普勒雷达的技术状况, 并通过对2004年11月9日北京地区一次大范围层状云降水观测资料的分析, 讨论了其探测资料的质量情况和对降水粒子的探测性能, 同时还根据零度层亮带内不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了一种利用双线偏振雷达观测资料识别零度层亮带的方法, 并利用该雷达的观测资料对识别结果做分析检验, 最后讨论了零度层亮带内各种降水粒子相态的变化规律。研究结果表明:除线性退极化比L_DR未作分析外, 3836雷达探测到的这次降雨过程的分析结果与国外双线偏振雷达的研究结果相似, 其对降水粒子相态结构的反映比较有效合理。建立的零度层亮带识别模式合理, 识别得到的结果能反映零度层亮带的特征。通过对零度层亮带内各偏振参数的变化特点分析, 从双偏振雷达测量参数的角度解释了“零度层亮带”现象的形成是由于在零度层以下的冰相粒子融化成大雨滴然后再裂碎为小雨滴, 从而造成在该层内水平偏振反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR先增大后减小、水平/垂直偏振波零延迟相关系数ρ_hv (0) 先减小后增大的规律。     

风廓线雷达探测零度层亮带的试验研究

L波段风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。应用它对2009年5月14日层状云降水过程中出现的零度层亮带进行了连续探测研究,得到零度层亮带附近区域中返回信号的谱参数（功率、平均多普勒速度、速度谱宽）和回波功率谱密度分布随高度的变化和演变特征。在零度...     

基于风廓线雷达资料的亮带识别订正算法研究

在降水过程中,固态降水粒子下落穿越0℃等温线的融化效应会引起雷达反射率因子增大,产生亮带。文章基于北京房山地区的边界层风廓线雷达的探测资料,对2014年8—10月四次典型的层状云降水和以层状云为主的混合性降水过程进行特征统计,提出了适用于该季节、该地区的0℃层亮带自动识别订正算法,并使用这种算法对一次层状云为主的混合性降水天气过程进行了识别研究,通过与探空资料、多普勒天气雷达资料的对比检验,结果表明该算法可以有效识别该季节、该地区的0℃层亮带,通过亮带订正,融化区的回波强度高值区得到了有效抑制,原亮带高度附近回波强度廓线的显著弯曲消失,融化区之外的回波强度基本没有变化。     

CINRAD-SA/SB零度层亮带识别方法

该文提出一种使用S波段多普勒天气雷达回波三维特征和反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)来自动识别零度层亮带的方法(简称3DVPR-BBID),并利用2003年6月22日—7月11日和2007年7月合肥雷达资料、2008年6月广州雷达资料以及相应的探空资料,同仅使用VPR识别零度层亮带的方法(简称VPR-BBID)进行比较。结果表明:VPR-BBID和3DVPR-BBID在大部分情况下能够有效识别零度层亮带的存在,而且3DVPR-BBID能够减少VPR-BBID产生的误识别。在同探空资料观测的零度层高度的比较中,两种方法确定的零度层高度同实况比较接近,进一步分析表明:3DVPR-BBID确定的零度层高度比VPR-BBID确定的更接近观测值。     

高山雷达站选址对估测降水的影响分析

高山雷达站天线高度对雷达的垂直探测范围影响较大,加之中小尺度灾害性天气演生、发展的关键区域在高度1500~4500 m左右,所以高山雷达站在选址时应考虑当地零度层平均高度和雷达的垂直探测范围。通过定量估测层状云降水的个例实践,发现探测高度会限制定量估测降水,探测高度对近距离降水估测影响较小,但对远距离降水估测影响较大,原因主要是雷达的垂直探测范围及当地零度层亮带高度的影响。故在高山雷达站选址中应考虑雷达的垂直探测范围及当地零度层亮带高度的影响,同时对已建设完成的高山天气雷达应考虑对高山雷达做0°仰角的观测可行性研究。     

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。      

毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别

云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天气指挥和效果评估,数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置,根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分析(其中确认融化层明显个例34次),系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况,包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融化层的强度变化,并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子(R)和退偏振因子(Ldr)垂直廓线数据,根据参量在融化层附近显著变化特性,识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比,反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近,位于探空资料观测的0°层下方,而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。     

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

深圳新一代天气雷达山体阻挡的订正方案及效果检验

分析了广东深圳新一代天气雷达山体阻挡情况以及对雷达产品的影响。多个山体使得深圳雷达北部、东北部出现了较大范围的阻挡,对于1 km和3 km的垂直高度,有效探测距离仅分别为15 km和50 km。阻挡致使低仰角PPI和3 km CAPPI产品出现明显的缺测区。为了解决阻挡问题,采取反射率因子平均垂直廓线(WVPR)订正技术。对于2008年6月25日台风“风神”个例,垂直廓线订正弥补了低层探测信息,使得阻挡区域内的定量降水估测得到改善,对于较强降水相对误差约为10%;同时廓线订正对于阻挡区域外的降水估测也有一定的改进。对于以层状云性质为主的大范围降水系统,由于反射率因子垂直廓线易获取且具有较好的代表性,因此订正效果较好;但对于孤立的对流风暴,廓线技术难以发挥作用。为此,开发了1 km 高度上组合反射率因子产品。选择2010年5月7日广州强对流个例,该产品既减轻了阻挡影响、能较好探测到阻挡区域内的风暴,又避免了测站周围其他地物杂波污染。利用COTREC运动矢量对1 km组合反射率因子进行外推预报,并给出不同强度等级、不同预报时效的检验结果。对于出现频次较高的较强回波(如30～45 dBZ),在30 min预报时效,POD、FAR和CSI分别为0.82、0.21和0.67,当预报时效拓展到60 min时,CSI仍达到0.54,预报效果较好。对于更强的回波(如55～65 dBZ),预报效果随时效增加而明显下降,CSI在6、30和60 min时分别为0.80、0.31和0.13。而对于较弱回波(5～15 dBZ)预报效果一般。      

利用雷达回波垂直廓线估测地物阻挡区域层状云降水的技术研究

将雷达50 km探测半径的可视范围分为4个区域,分别获取平均反射率因子垂直廓线,确定与对应区域的雨量计匹配最佳的平均反射率因子廓线上的Z值;同时获取雷达波束被阻挡地区各雨量计高空平均反射率因子垂直廓线,并寻找该廓线与可视区域内的平均反射率因子垂直廓线相关性最好的廓线,以及被阻挡区域的Z值对应的最佳匹配高度上的Z值,对其进行降水估计。采用安徽合肥雷达站和雨量计站点资料进行试验,并进行误差分析,结果表明：利用最佳匹配方法得出的平均反射率因子垂直廓线上的Z值对雷达波束被阻挡区域的降水估计效果有一定改进。     

杭州“12·05”降雪天气过程的偏振雷达观测分析

国内利用新一代多普勒天气雷达已经开展了较多冬季天气过程的分析研究,但随着国内雷达网逐渐升级到双线偏振雷达,如何将偏振参量应用于冬季业务预报成为了目前需要解决的问题。利用杭州临安C波段双线偏振雷达观测的2015年12月5日一次降雪过程资料及地面和探空资料,通过提出的基于零度层亮带识别的降雪相态识别方法和降雪累计时间统计方法,分析了雷达参量、零度层亮带的时空演变及统计的降雪累计时间分布特征,并与地面和探空资料对比,探索了双线偏振雷达在冬季降雪预报中的优势。结果表明:(1)冬季降水相比夏季连续性降水回波强度偏弱;雨、雪的差分反射率因子、相关系数差别不大。(2)零度层亮带在某些方位并不是水平的,大多数情况下为偏离雷达站的不规则环状或者线状,且某些时刻还有垂直零度层亮带存在。(3)降雪累计时间分布与实际降雪厚度分布基本一致,统计方法为地区降雪厚度的估测提供了可能。(4)零度层亮带的演变与地面和探空温度的空间、时间变化一致,相比单极化雷达使用双线偏振雷达观测零度层亮带更加可靠。