两次降水过程的微降雨雷达探测精度分析

垂直指向微降雨雷达(MRR)能够测量从近地面至高空的雷达反射率因子和雨滴谱分布特征,对认识降水微物理结构,改进雷达定量降水估计精度有重要作用。为评估MRR探测的雨滴谱分布、降水和雷达回波精度,利用南京地区夏季观测的两次降水过程,将MRR与业务S波段天气雷达、二维视频雨滴谱仪、常规雨量筒观测进行层状云降水和对流性降水下的定量对比分析。结果表明,MRR垂直探测的雷达反射率因子与S波段雷达观测在中低层(＜4 km)平均差异＜1 dB, 但高层(＞4 km)出现显著低估,且该现象随降水强度增强更明显,这主要是雷达回波衰减导致。MRR在回波强度＜35 dBz时对降水率的探测精度较高,但在＞35 dBz时低估降水。其中,层状云降水的降水率比对流性降水更接近雨量筒观测。常规雨量筒对0.1 mm以下的降水无探测能力,而MRR探测敏感度较高,对于微弱降水率的估计效果也很好。由于MRR最大探测范围的限制,相对于2DVD而言,MRR探测的最大粒子直径低估、最小粒子浓度高估,但在中间段的探测效果和2DVD雨滴谱观测一致性较高。总体而言,MRR是一个有效的降水探测仪器,其探测结果在层状云降水过程中优于对流性降水过程。     

雷达回波强度与雨滴谱参数的相关性研究

在雷达定量探测降水方面,目前大都采用雷达回波强度与降水强度的相关性来定量估算,但雷达回波强度与降水强度并非一一对应。本文利用从庐山和南京收集到的雷达观测资料和同步Parsivel观测到的雨滴谱数据,建立雷达回波强度与不同雨滴谱参数的函数关系,将由确定的函数关系式拟合后的雷达回波强度与雷达实测的回波强度作对比,以检验假定函数关系式的合理性,同时通过对比两地两类云降水拟合值的相对误差,给出了函数关系式中的最优y选项,为雷达定量估算降水量寻找新的途径。研究结果表明:庐山和南京两地两类云降水的雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合普遍较好,其中对流云降水的拟合都明显好于层状云降水。两地层状云降水中各个雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线都大体相近,而对流云降水中,不同雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线差异较大。南京两类云降水拟合的相对误差要小于庐山两类云降水拟合的相对误差。除庐山对流云降水外,DV是两地两类云降水拟合公式中最优的y选项。而庐山对流云降水拟合式中,以N和DP的拟合最佳。     

雨滴谱的变化对降水估测的影响研究

选取2013年5月20日发生在广东三水的一次飑线过程作为研究对象,首先结合飑线回波带移经三水及其上空雷达回波的时间-高度分布特征将降水过程划分为3个阶段,然后通过计算各时刻的粒子总数密度、中值体积直径和峰值数分析降水过程雨滴谱的变化,再对Z-R关系(Z=aR~b)进行分析,根据雨滴谱实测资料分别统计整体Z—R关系和3个降水阶段的Z—R关系,在此基础上讨论雨滴谱的变化和雷达观测的回波强度对降水估计的影响。结果表明:中值体积直径在对流云降水阶段和层状云降水阶段基本一致,但对流云降水阶段的粒子总数密度远大于层状云降水阶段;对流云降水阶段以双峰型为主,当降水向层状云类型发展时,多峰谱比例增加;雷达观测的回波强度常低于雨滴谱计算的反射率因子,离地面越近两者的相关性越好;根据3个降水阶段分别进行Z—R关系拟合,即分型Z-R关系,通过相对误差分析可知,利用分型Z—R关系反演雨强的效果明显优于整体Z-R关系反演效果,雨滴谱在层化降水阶段估计的相对误差最小、对流云降水阶段反演精度稍低于层状云降水阶段,这与对流云降水中雨强和雨滴谱谱型变化大且快有关;在雷达观测方面,利用分型Z-R关系反演雨强的相对误差较小而雷达观测的误差在对流云降水阶段较小,当降水向层状云降水转化时,雷达观测引起的相对误差增大,这主要是由于对流云降水阶段中雨滴谱仪和雷达对应的回波强度误差最小,也与雷达观测精度、两种仪器采样的时空差异和雨滴谱特征变化等因素有关。     

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...     

面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95％,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40～-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4～5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。     

风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验研究

对风廓线雷达探测降水时出现的双峰型功率谱密度分布的回波,进行大气返回信号和降水返回信号的剥离,由大气返回信号求出环境大气的垂直运动,导出降水质点下降末速度的功率谱密度分布,进而求出云体中的雨滴谱分布。对两次降水进行了雨滴谱反演试验,提取了不同高度上30多份雨滴谱分布,雨滴谱分布基本上呈现出指数分布形式。指数拟合后求出雨滴谱的浓度参数N0由几百到几千m-3mm-1,尺度参数λ为3.8～4.5 mm-1。试验中,还由反演的雨滴谱估算出云中含水量,得出降水云体中含水量随高度的分布,与附近多普勒天气雷达观测进行了比较。风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致,云中含水量估算的均值基本相同,而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响,随高度分布更为精细。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

机载雷达探测数据仿真平台设计与实现

为了便于研究诸多因素对云降水雷达探测回波强度的影响,设计开发了雷达探测回波强度定量计算软件,即雷达探测数据仿真平台"SimRAD"(Simulating airborne Radar detection and Data processing),通过输入雷达发射频率,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、含量等信息,使用云降水雷达观测和衰减订正理论进行计算,可以模拟出水成物的雷达回波强度以及水成物和大气衰减的垂直廓线,并且可以对雷达回波进行衰减订正。     

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。     

C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。     

2001—2018年北京地区暴雪天气雷达回波特征分析

利用2001—2018年北京市20个国家级气象站冬季降水资料、常规气象观测资料和北京新一代天气雷达资料,在统计分析北京地区暴雪天气过程的气候和环流特征的基础上,对雷达回波特征进行分析。结果表明:北京地区出现暴雪的天气形势主要有四种,分别是低涡低槽型,地面倒槽型,横槽型和回流型,其中低涡低槽型最多。按照雷达回波类型划分,北京暴雪一般可以分为混合型和层状云型,混合型占多数,回波形态呈片絮状,最强反射率因子可达35dBz以上,回波顶高在4km以上。速度场上,大部分个例出现较为明显的“牛眼”结构,且全部是边界层低空急流,该低空急流的存在对暴雪的产生和维持至关重要。该研究结果可为冬季暴雪天气过程的业务预报服务提供参考。     

新一代天气雷达回波强度自动标校技术

回波强度标定技术直接关系到定量测量的准确度,是新一代天气雷达组网定量测量的基础,是提高天气雷达探测精度的重要手段。简要介绍了新一代天气雷达系统的回波强度自动标校技术,并以CINRAD/CC雷达为例,对新一代多普勒天气雷达(CINRAD/CC)自动标校的技术原理作了详细分析,对其在自动标校中采用的DDS(Direct Digital Synthesis)技术以及标校技术的实施方法作了具体的介绍,对其回波强度自动标校的准确度进行了测量,给出了系统自动标校的实际检验结果。结果表明该系统发射参数、接收参数在出现较大变化时,能保证回波强度的测量准确度在1 dB以内。还对影响自动标校准确度的因素作了分析。     

A 35-GHz Polarimetric Doppler Radar and Its Application for Observing Clouds Associated with Typhoon Nuri

Millimeter-wavelength radar has proved to be an effective instrument for cloud observation and research. In this study, 8-mm-wavelength cloud radar (MMCR) with Doppler and polarization capabilities was used to investigate cloud dynamics in China for the first time. Its design, system specifications, calibration, and application in measuring clouds associated with typhoon are discussed in this article. The cloud radar measurements of radar reflectivity (Z), Doppler velocity (Vr), velocity spectrum width (Sw) and the depolar-ization ratio (LDR) at vertical incidence were used to analyze the microphysical and dynamic processes of the cloud system and precipitation associated with Typhoon Nuri, which occurred in southern China in August 2008. The results show the reflectivity observed using MMCR to be consistent with the echo height and the melting-layer location data obtained by the nearby China S-band new-generation weather radar (SA), but the Ka-band MMCR provided more detailed structural information about clouds and weak precipitation data than did the SA radar. The variation of radar reflectivity and LDR in vertical structure reveals the transformation of particle phase from ice to water. The vertical velocity and velocity spectrum width of MMCR observations indicate an updraft and strong turbulence in the stratiform cloud layer. MMCR provides a valuable new technology for meteorological research in China.     

基于SYSCAL方法的天气雷达反射率因子在线标定技术

CINRAD天气雷达采用了一种基于SYSCAL的反射率因子在线标定技术,能够在雷达运行中动态检测和校正发射和接收通道的性能变化导致的反射率因子测量偏差,且标定具有良好的性能和时效。通过理论推演详细解析了CINRAD天气雷达反射率因子在线标定的原理,介绍了其在CINRAD/SA天气雷达中的技术实现方式和相应的标定方法及由来。以武汉CINRAD/SA天气雷达的一次在线标定为例对标定实效进行检验和分析,指出了CINRAD天气雷达反射率因子在线标定技术中存在的一些问题。掌握天气雷达反射率因子在线标定原理和技术,对于正确实施标定,保证回波质量和提高雷达故障诊断分析能力,十分必要。     

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。     

Comparison of Precipitation Observations from a Prototype Space-based Cloud Radar and Ground-based Radars

A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars.     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征，提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数，它们分别是:组合反射率及其水平梯度，反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图，用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区，统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征；最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数，利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验，并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较，结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云；由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征，它容易把对流核的外围识别成层状云，把厚实的层状云识别成对流云，而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

Ground-Based Radar Reflectivity Mosaic of Mei-yu Precipitation Systems over the Yangtze River–Huaihe River Basins

The 3D radar reflectivity produced by a mosaic software system, with measurements from 29 operational weather radars in the Yangtze River–Huaihe River Basins(YRHRB) during the mei-yu season of 2007, is compared to coincident TRMM PR observations in order to evaluate the value of the ground-based radar reflectivity mosaic in characterizing the 3D structures of mei-yu precipitation. Results show reasonable agreement in the composite radar reflectivity between the two datasets,with a correlation coefficient of 0.8 and a mean bias of -1 dB. The radar mosaic data at constant altitudes are reasonably consistent with the TRMM PR observations in the height range of 2–5 km, revealing essentially the same spatial distribution of radar echo and nearly identical histograms of reflectivity. However, at altitudes above 5 km, the mosaic data overestimate reflectivity and have slower decreasing rates with height compared to the TRMM PR observations. The areas of convective and stratiform precipitation, based on the mosaic reflectivity distribution at 3-km altitude, are highly correlated with the corresponding regions in the TRMM products, with correlation coefficients of 0.92 and 0.97 and mean relative differences of -7.9% and -2.5%, respectively. Finally, the usefulness of the mosaic reflectivity at 3-km altitude at 6-min intervals is illustrated using a mesoscale convective system that occurred over the YRHRB.