固态毫米波雷达探测模式的对比评估与分析

利用2014年广东阳江和青藏高原外场观测中多种探测仪器的观测资料,对比了灾害天气国家重点实验室与航天科工23所联合研制的固态毫米波雷达三种探测模式最小可测回波强度、可测液态水(冰水)含量、观测同一目标时回波强度的差异以及与K波段微降水雷达回波强度的差异等。结果表明:(1)毫米波雷达不同模式最小可测回波强度差异与理论差异一致,边界层模式和降水模式能观测近地面全部层云和积云,卷云能观测5km高度冰水含量在0.0007 g·m~(-3)以上的卷云,随着高度上升探测能力有所下降;(2)毫米波雷达使用不同模式观测同一目标时,不同观测模式宏观回波强度一致,大部分差异不超过3.5 dB;(3)K波段微降水雷达和Pasivel2激光雨滴谱仪的近地面回波强度一致,毫米波雷达与K波段微降水雷达存在系统差异。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究

新一代天气雷达很多位于地形复杂的山区,地形遮挡形成观测盲区,严重影响了新一代天气雷达数据的应用效果。利用基于高分辨率地形数据计算的波束遮挡信息,依据反射率因子垂直廓线,由高仰角无遮挡的反射率因子观测数据得到低仰角完全遮挡区的数据。以杭州雷达为例,通过直接对比反射率因子值和对比填补前后雷达估算降水效果两种途径检验了填补效果,结果表明：填补与观测“真值”有很好的一致性,填补后降水估算效果优于填补前。本文提出一种填补低仰角完全遮挡区的方法,适用于均匀性降水系统。     

硬件故障导致雷达回波错误数据质量控制方法

雷达硬件故障直接影响数据质量,故障数据进入共享系统后不但影响本地预报员对天气系统的分析和判断,对国家级业务系统也会产生严重影响。目前,对雷达资料的数据质量控制主要针对非气象回波,对于雷达硬件故障导致的数据错误还缺乏有效的质量控制方法。该文对河北省石家庄CINRAD/SA雷达2004—2013年硬件故障时的基数据和回波特征进行分析,研究雷达故障导致的数据错误与故障类别的相关性及对数据和回波的影响。结果表明:雷达硬件故障导致的数据错误对基数据的完整性、数据位置和强度信息产生影响,发射机和接收机系统故障主要影响雷达数据的强度信息;伺服系统故障主要影响数据的位置信息。提出通过对雷达数据完整性和位置信息的检查,根据硬件故障影响雷达回波形态、位置、范围和强度等图像特征,利用基于模糊逻辑自动识别雷达硬件故障导致的错误数据的质量控制方法。利用石家庄雷达站2004—2013年雷达故障数据进行了识别效果检验,对故障数据的总体识别率超过90%,能较好实现对硬件故障导致的数据错误质量控制,是现有雷达运行正常情况下针对非气象回波的雷达数据质量控制方法的补充。     

基于区域跟踪的增雨效果分析方法新探

在高炮催化区跟踪算法基础上,探究了选取等面积同心圆环作为对比区进行人影作业效果物理评估新方案,并给出了该方案适应性判断指标。选取垂直液态含水量和面雨量作为方案检验因子,分析了不同自然降水过程中,不同时间段"催化区"和"对比区"平均物理量的双比值和相对偏差等参量的变化;并以相似离散度为指标,分析该方法的适用范围,分析何种条件下自然降水的"催化区"和"对比区"变化比较一致且小于增雨效果。实验表明:不同自然降水过程中,"催化区"和"对比区"30 min平均垂直液态含水量变化以及3 h平均相对增雨均小于增雨效果,新方案可用于人工增雨效果分析。后提出将综合相似离散度作为判据,当其值大于0.2时,则不采用该方案,判据的增加明显改善了新方案评估效果。     

CINRAD/CC雷达速调管工作状态控制及维护

雷达速调管的性能直接影响到雷达探测的回波质量及操作成本,因此速调管的使用维护也日益受到人们的重视。以德宏雷达速调管使用维护为个例,分析归纳出一些速调管使用维护技巧。结合工作经验,从业务实际出发,对速调管的使用维护及工作状态提出一些新指标和建议。对其他型号CINRAD雷达也有较好的借鉴,以提高速调管使用技术和新一代天气雷达业务运行质量。     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

文中分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率(KDP)作为衰减订正的一种有效途径,以及由于KDP值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子ZH与KDP进行衰减订正的ZH-KDP综合法.基于同样的考虑,在随后利用ZH、KDP进行降水估测时,提出了ZH-KDP-R综合估测方法.利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2 cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得的一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明,ZH-KDP综合法对ZH、ZDR有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求.2005年8月11日15:08:03-22:05:46,间隔5-12 min不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明,ZH-KDP-R综合估测法比单因子KDP-R法、Z-R关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合.Z-R关系法中,利用订正后的ZH值,比利用订正前的ZH值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善.     

新一代天气雷达三维数字组网软件系统设计与实现

天气雷达三维格点组网基数据具有多方面的应用价值,而且,新一代天气雷达观测资料目前基本上都可以实时传输到区域中心,为充分发挥雷达网的作用,基于近期相关具有实用性的研究成果,在国内首次研制了新一代天气雷达三维数字组网软件系统.系统以后台数据处理为核心,辅以简便的控制界面,多线程编程技术提高了系统数据处理的效率,模块化的多线程管理便于扩展新算法模块,混合语言编程技术缩短了科研成果业务化应用的周期.系统可在微机上运行,进行高时空分辨率的区域雷达三维数字组网以及二次产品生成.     

C、X波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

双线偏振多普勒雷达是探测和研究降水粒子相态结构的一种有效手段并且已经取得了较多的研究成果.但是对于一部特定雷达来说,要进行资料分析和预处理以及评价其探测性能仍然比较困难.以国家灾害天气重点实验室的C波段双线偏振雷达及北京市气象局的X波段双线偏振雷达观测的一次降水过程资料为例,在保证资料的可信度的基础上统计分析双线偏振资料中的差分反射率因子ZDR、水平和垂直信号相关系数ρHV与信噪比SNR的关系.研究发现:差分反射率因子ZDR在信噪比小于20dB时受系统误差影响较大,水平和垂直信号相关系数ρHV.在信噪比小于20dB时资料变得不可信,并根据系统误差订正方法对原始资料ZDR进行订正,通过订正后的ZDR资料能够较好地反映实际情况,同时通过拟合得到的KDP与实际情况也相吻合,结果达到定量估测降水、相态识别精度的要求.     

双线偏振雷达产品生成软件系统研究

该项目的目的是以我国新一代天气雷达为工作平台,开发一套利用双线偏振雷达探测物理量,高精度反演降水强度、降水总量、液态含水量和识别冰雹区、过冷水区、降雨区、降雪区、降雹降雨混合区等的软件系统。 双线偏振雷达是继多普勒雷达技术后,将在我国逐步推广的雷达探测技术。在我国新一代多普勒天气雷达系统上增加双线偏振功能后,可以直接探测到与降水粒子的微物理特征有关的差分反射率因子、退偏振因子、差相移、零延迟交叉信号的相关系数等物理量。双线偏振雷达可以改善雷达估测降水的能力,有效识别降水粒子的相态和大小,在人工影响天气、灾害性天气的监测和预警、水库和城市水源的管理、航空等领域有很大应用潜力。