垂直指向的Ka波段云雷达观测的0℃层亮带自动识别及亮带的特征分析北大核心CSCD

利用2013年垂直指向的Ka波段云雷达在广东观测的弱降水个例,分析了回波强度Z、径向速度Vr和退偏振因子L_(DR)在0℃层附近的变化规律,利用建模样本提出了基于云雷达垂直观测Z、Vr和L_(DR)数据的0℃层亮带自动识别方法,并利用独立观测样本进行了识别算法的检验,分析了Vr数据对识别效果的影响,与每天四次探空得到的数据进行了对比。结果表明,在0℃层亮带内,Z和L_(DR)的极大值的高度和Z、Vr、L_(DR)这三个物理量在垂直方向上的突变范围都一致,0℃层亮带的厚度与Z、Vr和L_(DR)的变化量有一定的关系,在0℃层亮带特征较明显的回波上部也存在明显的空气上升运动。Vr和L_(DR)是识别0℃层亮带的关键因子,而Z可能因云的位置和复杂的云层而产生剧烈的垂直变化。该算法可以较好识别典型的0℃层亮带,正确提取主要参数,而云的边缘和多层云等情况会影响0℃层亮带的识别。为利用Ka波段云雷达数据分析弱降水的性质提供了算法。     

Ka波段毫米波云雷达对青藏高原东南缘降水回波的分析

利用丽江站新建的Ka波段毫米波云雷达获得的高时间分辨率的垂直观测资料,结合同址的地面自动气象站和雨滴谱的分钟数据、常规探空数据和附近C波段天气雷达的强度回波,分析了两次降水过程前后云雷达反射率因子Z、径向速度Vr、速度谱宽Sw的垂直变化规律。分析表明：在发生弱降水时,云雷达Z在垂直方向的变化不明显;但Vr、Sw值在0℃层稍低位置有一个明显的分界层（融化层）,粒子通过融化层后Vr、Sw都是快速变大,这个变化主要是粒子的相态由固态变成液态引发的,可以通过Vr、Sw突变值的位置来识别0℃层亮带的高度。从C波段天气雷达回波强度、剖面图及云雷达位置的时间-高度图看,对毛毛雨和小雨的回波,强度和高度差异比较明显,毛毛雨比小雨回波高度低、强度弱,与云雷达相比C波段雷达对高一些的云观测不到,对距离较远的弱降水回波无法观测到;由于相同粒子对不同波长电磁波的散射不一样,造成两种雷达垂直方向观测到的Z变化不同。对比弱降水回波,云雷达在强降水时：Z出现缺口;Vr在0℃层以上有较大的正值（弱降水的Vr都是负值）;在0℃层以上Sw变得更大（弱降水时Sw在0℃层以上值较小,在0℃层以下较大）。在强降水时,从C波段雷达回波强度时间-高度图看,垂直方向回波强度变化明显,在同一时刻回波强度由地面向空中的变化是逐渐减小的;不同时间同一高度层强度也有变化,云雷达雨衰缺口时段回波明显强于其他时段。在个例分析中,发生分钟降水量在0.3mm以下强度的降水,云雷达可以观测到完整的云信息;发生分钟降水量在0.5mm以上强度的降水,云雷达会有严重的雨衰,无法观测到完整的云信息。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于云雷达的大气0℃层亮带识别

为了研究8.6 mm云雷达探测大气0℃层亮带的能力,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8.6 mm多普勒偏振云雷达(HMBQ)2008—2012年共计2 063次观测个例,分析云雷达在不同天气形势下的反射率因子、径向速度、线性退偏振因子在0℃层附近的变化特征,改进了一种通过云雷达探测产品反演大气0℃层高度的方法。研究表明:8.6 mm云雷达能够在无降水云、弱降水云、小雨、中雨甚至大雨的天气形势下,对大气0℃层进行观测,而且探测的0℃层亮带变化特征显著,能弥补常规天气雷达在夏季短时强对流、对流单体等小尺度天气预警业务中相关资料的不足。     

从雷达上的0℃层亮带看西藏高原层状云降水事实

本文利用雷达回波资料,分析了西藏高原0℃层亮带的特性,证实了西藏高原层状云降水的存在。并且简述了层状云降水的几种演变形式。     

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。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

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.     

2010年夏季北京零度层亮带特征统计

零度层亮带对研究层状云降水机理和人工影响天气作业具有意义,应用风廓线雷达对北京2010年4-9月不同类型的降水进行观测,提出了针对北京地区的亮带识别算法,通过订正的亮带识别算法对降水数据进行亮带识别,得到了延庆地区亮带出现的高度、持续时间以及和降水量、降水类型的对比等数据.根据统计结果得到了2010年夏季北京延庆地区融化层的分布特征,回波强度最大值主要出现在36～40 dBz之间,亮带厚度主要为1000～1500m,上下边界速度差值主要为4～5 m·s-1.     

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。     

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...     

星载雷达DPR与地基雷达CR的匹配对比及系统偏差初探

将GPM(Global Precipitation Measurement)卫星搭载的双频降水雷达DPR(Dual-frequency Precipitation Radar)和广东龙门观测站的地基Ka/Ku双波段雷达CR(Cloud Rader)在2019年4—9月的观测数据进行时空匹配,结合微雨雷达MRR (Micro Rain Rader)的雨滴谱数据对CR衰减订正处理,比较DPR与CR探测回波强度差异,最后对两者的系统偏差进行分析。结果表明:(1) DPR和CR探测到的回波强度随高度变化的趋势大体一致,零度层亮带高度基本一致,同样高度下DPR探测到的回波强度明显大于CR。(2)统计弱的非降水云算得CR双频系统偏差约为3.1 dBz。(3)雨强越强,CR天线罩水膜厚度越大,回波衰减越大。(4)逐库订正过程中利用雨滴谱数据计算衰减系数,CR在Ka与Ku波段的反射率因子订正量不超过4 dBz。(5)综合所有适配数据,CR与DPR的反射率因子在Ka波段内订正后平均系统偏差为15.7 dBz,在Ku波段内订正后平均系统偏差为14.4 dBz。虽然经订正处理后两部雷达间的系统偏差偏大,但对改善地基Ka/Ku双波段雷达的数据质量有明显的改善。     

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.     

西安地区积层混合云的Z-R关系研究

根据2013—2014年5—10月西安地区观测得到的雨滴谱数据,结合C波段新一代多普勒天气雷达的观测资料,对西安地区43次积层混合云降水的平均雨滴谱分布、微物理特征量及雷达反射率因子Z和雨强R的关系进行统计分析。结果表明:积层混合云降水的平均雨滴谱呈单峰型,Gamma分布对降水大粒子的拟合明显优于M-P分布;积层混合云中雨滴数浓度最大值及对雨强贡献最大值均出现在雨滴直径小于1 mm的范围内;利用最小二乘法建立了西安地区积层混合云的Z-R关系Z=168R1.43;当雨滴谱数据计算的回波强度小于(大于)30 dBz,雷达对回波强度有明显高估(低估)现象,针对此现象提出了积层混合云雷达回波的5档修正方案;利用Z=168R1.43估算西安积层混合云降水个例的降雨量更接近实测降雨量,估算降雨量的相对误差从51.3%减小到25.4%。     

梅雨锋云系亮带的初步研究

长江中下游地区梅雨锋降水主要是积层混合云降水。作者通过三年的雷达观测发现,积层混合云中的积云在消散阶段常出现亮带,使得积层混合云的亮带结构不均匀。本文从理论上探讨了产生这种不均匀结构的几种可能原因。     

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。     

Ka/Ku双波段云雷达探测云降水滴谱和空气垂直运动速度的能力模拟分析

由于湍流、雷达探测灵敏度等对单波长云雷达探测回波强度谱密度的影响,造成了云雷达探测空气垂直运动速度和雨滴谱的误差,而双波长云雷达利用Mie散射造成的不同粒子后向散射大小差异来提高空气上升速度探测精度,从而提高反演雨滴谱的能力,并且可提高订正雨区衰减的能力。为此中国气象科学研究院研发了Ka/Ku双波段云雷达,并于2019年4月开始在广东龙门进行了云降水观测。本文针对该双波段云雷达观测模式和灵敏度等参数,在Gamma滴谱假设条件下,模拟分析了Ka、Ku波段功率谱及其比值与云降水参数、温度和湍流的关系,研究了雷达灵敏度、湍流对空气垂直速度、雨滴谱反演和衰减订正的影响,并利用个例数据进行了风场反演试验,讨论了双波段探测微降水动力和微物理参数的优势。结果表明:(1)温度只能影响两个波段功率谱比值(Ratio)的大小,对其峰值位置基本没有影响,而湍流对其峰值位置的影响不超过0.5 m·s~(-1);(2)湍流、雷达灵敏度对单波段云雷达探测空气垂直速度的影响比较明显,湍流使空气上升速度被高估,雷达最小可测回波强度随高度的增加而增加使该参数被低估,其影响远远大于温度和湍流对双波段云雷达反演空气垂直速度的影响;(3)对于单波段雷达来说,雷达灵敏度和湍流明显影响雨滴谱、含水量和衰减系数的探测,湍流使得雨滴谱拓宽,低估含水量和衰减系数;而雷达灵敏度却使反演的雨滴谱变窄,增加小粒子数浓度,并高估了含水量和衰减系数;(4)选取2019年4月15-16日的个例进行空气上升速度的反演,并与模拟分析的结果进行对比。结果显示实际观测数据反演的空气上升速度与模拟分析结果中的趋势较为一致。这项工作为单波段和双波段云雷达的多普勒功率谱数据分析和云降水微物理和动力参数的反演可提供参考。