地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。     

天气雷达反射率资料订正前后在ARPS模式中的同化试验对比

以TRMM/PR反射率资料作参照,对常州、南京天气雷达反射率资料进行一致性订正,再利用中尺度模式ARPS及其数据同化系统ADAS对订正前、后的天气雷达反射率因子进行同化,模拟2013年6月25日和2010年8月24日江苏地区两次暴雨过程。两次暴雨过程均包括3组试验:控制试验和雷达资料订正前、后的同化试验。结果表明:(1)雷达反射率因子的同化很好地改进了模式初始湿度场,使降水预报在分布和强度上更接近实况;(2)雷达资料的订正进一步改进了反射率因子同化试验,并且通过调整初始湿度场和上升运动场(调整作用主要体现在前2~3 h内)改善了对降水的模拟预报,其结果证明雷达反射率因子的订正改善了雷达资料的质量。     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。     

南京雷达数据的一致性分析和订正

运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。 以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6 a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6 a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在“3段特征”:时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75 dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。     

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。     

X波段双偏振雷达不同衰减订正方法对比分析

利用旬邑X波段双偏振雷达数据,采用Zh-KDP综合法、Zh-KDP综合分类法、ZPHI降水廓线法和初始相位法进行衰减订正对比分析,并将订正后数据与西安C波段天气雷达数据进行对比检验。结果表明,4种订正方法均能对反射率因子进行有效订正,订正后强回波中心与KDP强中心基本吻合,可基本还原降水分布特征;采用ZPHI降水廓线法订正后出现条纹状误差回波,订正效果较差;不同订正方法均可使X波段雷达反射率因子与C波段雷达反射率因子间的相关性提高;采用Zh-KDP综合法、Zh-KDP综合分类法和初始相位法订正后,强回波中心位置与C波段雷达较接近,订正后的反射率因子平均值与C波段雷达反射率因子值接近,绝对偏差和相对偏差减小;Zh-KDP综合分类法和初始相位法订正效果相对不稳定,Zh-KDP综合法订正效果较好且稳定。     

星载雷达在订正地基天气雷达标定误差中的应用

在雷达反射率数据定量应用中,标定误差是导致结果产生偏差的重要原因之一。星载雷达（TRMM PR）长期工作的稳定性和连续性已被验证,本文将星载雷达数据转换到S波段,通过对比星载雷达和南京雷达同时段不同高度（相对于融化层的位置）不同降水类型（层云降水或对流降水）的数据,得到两部雷达对融化层以下层云降水的观测相关性高,差异稳定。通过对比分析星载雷达和南京雷达同时段零度层以下层状云降水的观测数据,得出两部雷达反射率因子值的回归关系式。以星载雷达观测数据为基准,使用该关系式对南京雷达反射率数据进行订正,并通过雨量计数据对订正结果进行验证,结果显示使用本文订正关系式订正后雷达估计的降雨量更接近雨量计的观测值。     

上海浦东X波段双线偏振雷达衰减订正效果分析北大核心CSCD

降水对X波段雷达电磁波的显著衰减,造成了回波弱化现象,带来了定量应用不准确的问题。为了减轻降水衰减对雷达数据的影响,用Z-K_(DP)(反射率因子-差分传播相位常数)方法对上海浦东气象局的X波段雷达反射率因子进行订正试验,具体方案为:当K_(DP)≥0.3°·km^(-1)时,用K_(DP)的值进行订正;当K_(DP)<0.3°·km^(-1)时,使用雨滴谱拟合A(衰减系数)和Z间的经验公式做衰减订正。选取对流性降水个例(2020年9月17日)和稳定性降水个例(2021年2月26日)进行衰减订正试验,经过衰减订正和系统偏差订正后,X波段雷达反射率因子与S波段雷达的反射率因子大小相当,回波形态相似,验证了该订正方法适用于对流性降水和稳定性降水的X波段雷达反射率因子的衰减订正。     

窄波束C波段双偏振多普勒天气雷达及其探测能力分析

为了评估南京信息工程大学窄波束C波段双偏振多普勒天气雷达的观测性能和应用潜力,对雷达的高分辨率回波数据进行了分析,利用固定地物订正了径向定位误差,以及在线太阳信号修正了差分反射率因子(Z_(DR))偏差;通过对流降水和层状云降水回波分析,发现了共振散射效应、不同降水粒子的回波特征、非均匀波束填充(NUBF或NBF)现象、降水倾斜结构和可能存在过冷水的证据。     

多普勒天气雷达在低纬高原地区建立高分辨率降水资料场中的应用

利用昆明多普勒天气雷达资料、自动雨量站的降水资料以及TRMM/PR资料,对多普勒天气雷达在低纬高原地区建立高分辨率降水资料场中的应用进行了研究。结果表明：（1） 在低纬高原地区的降水云层的零度亮带的高度值变化较大,其最高值与最低值的差达到3 787.8 m,这在建立高分辨率降水资料场时是需要考虑的,选择雷达体扫复合仰角的PPI反射因子来进行雷达降水估测是比较合适的;（2） 在强降水和大面积中等强度降水的情况下,还需要考虑降水衰减的影响。通过试验发现：对于低纬高原地区雷达测量降水,使用迭代法对雷达衰减订正的效果比较好,其订正后的雷达反射因子明显高于雷达直接探测的反射因子,最大的订正差值超过了9 dBz;（3） 在雷达-自动雨量站联合校准中采用卡尔曼滤波方法对雷达测量降水的误差修正有明显的改进作用。     

TRMM星载测雨雷达和地基雷达反射率因子数据的三维融合

TRMM卫星上的测雨雷达(TRMMPR)探测资料分布均匀且具有很高的垂直分辨率,但灵敏度较低;地基雷达(GR)水平分辨率较高且具有较高的灵敏度,但其垂直分辨率低。通过将TRMM PR与GR反射率因子数据的三维数据融合,得到了更优的反射率因子图像。测雨雷达与地基雷达三维数据融合主要分为以下几步:测雨雷达与地基雷达数据预处理——如去杂波、衰减校正;测雨雷达与地基雷达时空匹配;选取和应用合适的三维图像融合算法;对融合后的图像进行效果评估。试验结果表明:融合后的图像不仅增大了信息量,更好地检测弱降水,还提高了空间三维(3D)分辨率,能更好地反映降水区域细节,且使得数据总体上具有更高的完整性和可靠性。此外,还将基于雷达资料估测的降水数据与地面雨量计数据进行对比,估计反射率因子数据融合在降水测量上的有效性。      

联合遥感技术对X波段雷达反射率的衰减订正

由于在使用X波段雷达时,必须要对雷达反射率进行衰减订正,本文发展了X波段雷达和微波辐射计联合遥感技术对雷达反射率进行衰减订正的方法。并选用两个不同降水系统个例(积层混合云降水和层状云降水),分析了联合遥感方法的订正效果,结果表明,联合遥感方法可对雷达反射率进行有效的衰减订正,订正后雷达回波的空间结构、回波强度和路径分布较为合理,订正后雷达反射率因子平均值在两个个例中分别增加1.71 dBZ和0.84 dBZ,略小于双偏振方法订正后的结果。     

双偏振天气雷达旋转关节对差分反射率因子测量结果的影响

旋转关节的质量在很大程度上影响了双偏振天气雷达双通道信号的一致性,由于现实生产工艺中旋转关节在结构上的不对称,造成双偏振天气雷达差分反射率因子(Z_(dr))的系统偏差随方位角和俯仰角发生变化,极大地影响了利用雷达数据进行定量估测降水及相态识别的精度。文章利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达机内信号源的连续波输出对该雷达的方位旋转关节和俯仰旋转关节造成的Z_(dr)测量误差进行了检测,结果表明旋转关节对双偏振天气雷达Z_(dr)的测量结果有一定的影响,综合VCP扫描模式及RHI扫描模式的结果得出旋转关节造成的影响较为稳定,为进一步利用雷达数据进行旋转关节误差订正提供了一定理论支撑。     

星载雷达与地基雷达数据的个例对比分析

采用几何匹配法将TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)和上海地基雷达(Ground-based Radar,GR)有效照射体积的观测数据进行时空匹配,得到了2007年下半年3个时次上海地区的降水个例。考虑到PR与GR工作频率的不同,本文将S波段GR探测到的回波强度值调整为Ku波段PR探测到的回波强度值(称为Ku调整),进而比较PR和GR测量的反射率因子数值差异,并分析了不同降水类型和不同高度层的PR-GR偏差。结果表明:(1)PR和GR探测到的降水回波分布型大体一致,但PR探测到的降水回波强度普遍比GR探测到的大;(2)在零度层亮带以内及以下的PR与GR反射率因子资料具有较好的相关性;(3)由于GR的波束充塞效应及回波衰减,高层PR-GR平均偏差比低层大;(4)GR和PR的回波强度变化特征一致性在层云降水情况下优于对流降水情况;(5)整体而言,Ku调整使GR和PR数据更接近。     

基于天气雷达网三维拼图的混合反射率因子生成技术

首先基于1:25万的DEM(digital elevation model)数据、雷达站点信息、雷达波束高斯分布模式和标准大气情况下的波束传播路径计算了雷达的波束阻挡率,并把它与雷达实测的反射率因子分布情况进行比较,发现两者具有很好的定性一致性和很强的定量相关性;其次根据设置的波束阻挡率阈值和波束下限(波束底部越过地形的高度)阈值得到不受地形阻挡的最小扫描仰角在同一平面上的投影,即混合扫描仰角,这样计算出来的混合扫描仰角与雷达扫描方式无关,可用于不同扫描方式下的混合扫描反射率因子(没有波束阻挡的最低扫描仰角的反射率因子在同一平面上的投影)的获取;然后根据混合扫描仰角,利用标准大气情况下的雷达测高公式计算等射束高度,把来自雷达网中各雷达的等射束高度进行拼接得到等射束高度拼图,其中在各雷达重叠覆盖区,取最小的等射束高度;最后利用新一代天气雷达网三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到天气雷达网的混合反射率因子,以便用于大范围降水估算算法中的降水率的计算.     

基于数字高程的波束遮挡订正及在雷达定量估测降水中应用

地形的起伏使雷达波束受到严重的遮挡,使回波数据质量受到很大干扰。本文使用SRTM任务的DEM数据和谷歌公司的DEM数据分别计算了位于北京南郊的S波段雷达低仰角的波束遮挡率,建立了部分遮挡区域的回波反射率订正关系,并在2018年5月19日北京一次大范围层状云降水过程中,对波束遮挡订正前后的雷达定量估测雨量与地面3个雨量计观测结果进行了定性与定量化对比分析。结果表明:①波束遮挡订正有助于改善反射率因子的空间连续性。波束遮挡订正后的仰角0.5°的反射率与1.5°的反射率之间的差值整体呈现缩小特征,符合层状云降水垂直廓线特点。②09:00—11:00,相比波束遮挡订正前的雷达定量估测雨量(QPE),波束订正后的QPE准确性得到改善,使用分级标准误差与归一化平均偏差评价波束遮挡订正前后QPE与雨量计实测值之间的误差,波束订正后的反射率估测雨量与雨量计实测雨量一致性更好。     

雷达定量降水估计技术及效果评估

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。     

山回波的PIA因子在3 cm雷达波衰减订正中的应用

通过比较同一山体在晴雨两种天气条件下的回波反射率,确定在雷达与山体之间的降水赞成山体回波的路径积分衰减因子（Ｐａｔｈ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｔｔｅｎｒａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）,以此计算雷达与山体之间降水的真实反射率,从而把降水对Ｘ（３ｃｍ波长）面雷达波的衰减订正掉。     

C波段双线偏振雷达反射率因子的衰减订正及对降雨估测精度的改进

C波段双线偏振雷达反射率因子易受衰减的影响,为了提高降雨的准确性,需要对雷达反射率因子进行衰减订正。K_(DP)是能够用于衰减订正的一个有效因子,本文采用小波分析法对Ф_(DP)数据进行预处理,再将处理后的数据拟合得到相对准确的K_(DP)。为了验证衰减订正的效果,利用S波段雷达反射率因子作为参考,对比分析了衰减订正前后C波段双线偏振雷达反射率因子的变化,结果表明:经过衰减订正后的Z_H更接近于S波段雷达的反射率因子。在进行降雨估测时,不同方案估测降雨的差异较大,当C波段双线偏振雷达与S波段雷达均采用Z-R关系估测降雨时,S波段雷达的效果更好。当C波段双线偏振雷达采用衰减订正后的R(Z_H,K_(DP))法估测降雨时,效果优于S波段雷达的R(Z)方案。当降雨强度10 mm·h~(-1)时,雷达估测的雨量普遍低于地面雨量计的雨量,经过雨量计校准后,可以进一步提高降雨估测精度。     

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。