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。     

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。      

基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别

本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,采用一种新的功率谱处理算法（RaProM算法）,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量,并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等,并对粒子相态进行识别。RaProM算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对RaProM反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示：粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是...     

双线偏振雷达判别降水粒子类型技术及其检验

在综合分析国内外降水粒子相态识别方法的基础上,结合我国双线偏振雷达的应用需求,建立了一套利用双线偏振雷达探测资料识别降水粒子类型的识别模式,并根据美国KOUN雷达观测资料对该模式进行了分析验证,同时检验了模式中的几个偏振参数:差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP、水平偏振和垂直偏振回波功率零滞后互相关系数ρHV(0)对不同降水粒子的识别效果。通过分析认为:利用该识别模式得到的结果基本合理,可以反映降水区域内降水粒子的相态结构,但还需要对资料作进一步的研究。同时在识别各类降水粒子方面,ZDR的效果要高于KDP和ρHV(0),在缺乏相关资料的情况下可以考虑用ZH和ZDR配对识别的结果作为真实的结果。     

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.     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

根据不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了基本形式为不对称的T型函数的模糊逻辑识别的隶属函数, 完善了该识别方法的流程, 并利用美国KOUN雷达的观测资料, 详细讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别降水粒子相态的方法, 并对其在实际业务运用中的合理性和可行性进行分析探讨.通过分析, 作者认为: (1)利用模糊逻辑方法处理双线偏振雷达测量到的偏振参数, 可以识别降水区域的降水粒子相态, 反映降水区域的相态结构, 识别的结果基本合理, 但还需要资料作进一步的研究.(2)从实际资料的分析结果来看, 虽然利用模糊逻辑法识别降水粒子相态得到的结果比较粗, 没有明确的数据特征值, 但是它基本上能反映各种降水粒子的相态结构, 其识别的结果对目前日常的天气预报参考和人工影响天气的作业指挥和效果评估来说还是符合可用的.为中国国内未来的双线偏振雷达业务运行提供参考和帮助.(3)根据有限的观测资料分析表明, 降水区域中出现60 dBZ以上的回波强度, 并不一定就会出现冰雹, 还有可能是大粒子的液态降水.综合考虑双线偏振雷达的测量参数, 可以得到更合理的结果.     

QVP方法在双偏振雷达冬季降水观测中的应用

双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备,为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性,选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程,基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料,采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子Z_H、差分反射率Z_DR和相关系数ρ_hv的高度-时间廓线。基于QVP,结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据,分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征,同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明:QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化,并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时,对于非连续性或非均匀性质的降水系统,有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述,QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析,为冬季降水相态短时临近预报提供依据。     

基于S波段双线偏振天气雷达的降水粒子相态识别

为提高S波段双线偏振天气雷达的降水粒子识别能力,在常规模糊逻辑法相态识别算法的基础上,引入环境温度参量作为识别因子对算法进行了改进。选取雷达水平反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_dr、差分传播相位常数K_dp、零阶相关系数ρ_hv（0）、以及利用经验公式,将与粒子相态密切相关的温度转化而来的高度作为算法的5个输入参量,确立β函数作为隶属函数,并给出了各个参量的隶属函数阈值。在此基础上,利用国内首部S波段双偏振天气雷达资料和探空温度资料,对云中粒子相态进行了识别研究。结果表明：引入环境温度参量可使粒子识别算法的识别结果更加合理;选取的模糊函数参数阈值较为合理,降水粒子识别结果符合云微物理演变的基本规律,可以作为进一步研究的参考;提高粒子相态识别结果的准确性,还依赖于雷达和粒子实测数据的积累,从而验证识别结果、选取合适的雷达参量、修正隶属函数参数。     

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。      

利用极化雷达分析层状云中水凝物粒子性状分布

使用中国科学院大气物理研究所的X波段双线极化雷达系统探测资料, 讨论了双极化雷达各种观测参量所反映的水凝物粒子的物理本质。提出了对存在融化层的层状云使用雷达探测变量确定零度层高度以及结合地面温度反演温度廓线的方法。在存在融化层的层状云中, 对雷达探测资料在层状云降水期间的RHI资料进行分层统计, 结合国际上已有的研究结果, 获得了几种主要水凝物粒子的极化雷达参数 (即反射率、 差分反射率、 单位差分传播相移、 相关系数) 范围; 在此基础上使用模糊逻辑方法, 对水凝物粒子进行分类, 分类结果反映了层状云的相态结构分布特点。最后, 根据两个实例, 使用反射率、 差分反射率衰减订正后的数据, 结合层状云的基本特点, 分析了层状云的垂直结构和粒子的相态结构以及层状云中可能的降水机制, 并使用反演的粒子分布结构代替雷达反射率因子结构对降水微物理过程进行了讨论, 结果验证了顾震潮 (1980) 在20世纪60年代提出的层状云降水的三层概念模型。本文结果为使用双极化雷达研究云降水机制提供了方法, 表明双极化雷达在云降水物理的研究中具有广阔的应用前景。     

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。      

双偏振雷达水凝物相态识别算法的参数改进

双偏振雷达的水凝物相态识别算法基于模糊逻辑方法建立,针对方法的可靠性和稳定性问题,利用2016—2017年暖季广州S波段双偏振雷达数据,从3个方面找出影响识别效果的关键因素并改进。使用模糊逻辑的累加值为检验依据,找出不合理的模糊规则,通过相态特征统计和权重矩阵修改加以改进。使用误差敏感性检验法系统,评估误差对识别效果的影响,发现反射率因子的误差在-0.5~+0.5 dBZ、差分反射率因子的误差在-0.1~+0.1 dB、雷达相关系数的误差在0~0.02、差分相移率的误差在-0.3~+0.9 dB的范围内,识别结果稳定性较好。此外,相态时空分布统计中发现底层冰雹面积异常增加,通过空间一致性检验可订正异常结果。     

双线偏振雷达在广州“3.19”降雹过程中的应用分析

针对2016年3月19日发生在广州北部的从化和花都地区的一次冰雹过程,基于广州S波段双线偏振多普勒天气雷达和花都风廓线雷达以及NCEP再分析资料,详细分析此次过程的天气背景和雷达回波及雷达参量演变特征。结果表明,在此次冰雹过程中,回波强度普遍大于50 dBz,回波顶高在10 km以上,有明显的三体散射、气旋式辐合、高层回波悬垂和强风暴顶辐散等特征。双线偏振雷达各偏振参量（反射率因子Z_DR、单位差分传播相移K_DP和相关系数ρ_HV）反映出冰雹云的典型特征:在基本反射率大、Z_DR小、ρ_HV小的区域出现冰雹,Z_DR值通常为-1.0~0.2,ρ_HV值普遍为0.7~0.9;ρ_HV和Z_DR在低仰角的表现比高仰角更有效;K_DP有一定指示意义,但判别效果不明显。采用的双线偏振雷达算法产品识别粒子相态结果容易出现空报现象。      

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。      

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。     

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。      

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。      

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...     

线性规划在X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移质量控制中的应用

对X波段双线偏振多普勒天气雷达而言,差分传播相移（φ_DP）数据质量是影响雷达应用的关键因素,需要开展其数据的质量控制。首先利用相关系数（ρ_HV）,差分反射率（Z_DR）纹理和差分传播相移纹理特征信息剔除非气象回波,然后采用一种新的方法——线性规划来开展差分传播相移的数据质量控制。比较分析了雷达原始差分传播相移数据经过3、5、7点不同平滑点数对线性规划结果的影响,分析数据表明不同平滑点数对线性规划结果几乎无影响。将线性规划方法应用到北京组网的X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移数据质量控制上,结果表明,差分传播相移经过线性规划后,可以有效提升其数据质量,表现在:（1）差分传播相移具有累积递增属性和差分传播相移率（K_DP）的非负属性,与差分传播相移和差分传播相移率应该具备的物理属性一致;（2）可以有效剔除因冰雹等大粒子产生的后向差分传播相移（δ）对差分传播相移的影响,提升其计算差分传播相移率的准确度。