多普勒天气雷达双PRF径向速度资料质量控制

双PRF技术可用于扩展多普勒天气雷达不模糊速度的间隔,但是它也会导致径向速度资料受到离散奇异值的污染,在使用径向速度资料之前,需要对其进行质量控制。通过计算每个库的径向速度与其局地中值速度的差值,定量分析了CINRAD-SA、SC、CD和CC型业务多普勒天气雷达在双PRF模式下的径向速度数据质量,在此基础上提出了一种三步式的双PRF径向速度资料质量控制算法,即首先基于回波尺度大小对径向速度资料中的孤立噪声进行过滤,其次基于局地连续性原则对落在扩展不模糊速度间隔之外的模糊速度进行速度退模糊,最后基于已知的双PRF径向速度数据错误特征进行奇异值修正,并利用CINRAD-SA、SC、CD和CC型多普勒天气雷达的双PRF径向速度资料对该算法进行了测试。数据分析结果表明绝大部分点的速度都遵循连续性原则,与其局地中值速度的偏差较小或几乎没有偏差,而那些奇异值点的速度与其局地中值速度的偏差和高、低PRF的最大不模糊速度对应。对算法进行测试的结果表明该算法能有效地处理模糊速度并合理地修正速度奇异值。使用本算法对双PRF径向速度资料进行质量控制后,在保持原有数据空间分辨率不变的情况,径向速度数据质量得到显著提高。     

新一代天气雷达径向速度质量分析

径向速度的模糊问题是制约新一代天气雷达径向速度资料应用的关键问题,且影响制约速度退模糊效果好坏的因素比较多。利用上海站和舟山站雷达资料,分析WSR-88D天气雷达和国内新一代天气雷达(SA、SB)径向速度资料质量上的差异,同时利用南京站、广州站及承德站雷达资料,详细说明信噪比对新一代天气雷达(SA、CB)径向速度质量的影响。从理论分析和个例资料的分析中发现:SA(SB)雷达相对于WSR-88D雷达而言,径向速度值跳跃性较大;同时,信噪比与径向速度质量及速度模糊之间存在一定的关系,信噪比越大,径向速度差值相对越小,则径向速度跳跃性较小,径向速度资料质量相对较好,发生速度模糊的可能性就越小;反之,信噪比越小,径向速度差值相对越大,则径向速度跳跃性较大,径向速度资料质量相对较差,发生速度模糊的可能性就越大。     

二维多途径退速度模糊算法的应用及效果研究

径向速度的模糊问题是制约新一代天气雷达径向速度资料应用的关键问题.本文将美国强风暴实验室Zhang Jian 提出的二维多途径退速度模糊方法应用到我国新一代天气雷达(SA、CB)观测的台风以及强对流风暴天气过程的资料质量控制中,进行了退模糊试验,详细分析了新算法的特点,并提出了数据预处理的方法.个例资料的分析表明:该算法不仅能处理连续性风场的速度模糊,也能处理存在大量数据缺失以及距离折叠的不连续性风场的径向速度模糊,但对于孤立回波的速度模糊的处理,也会出现问题.同时,在个例研究中发现,地物回波对于退速度模糊效果也有一定的影响.     

一次飑线大风的多种资料分析和临近预报

利用临沂新一代天气雷达(CINRAD/SC)观测资料,结合MICAPS资料、加密自动气象站观测资料、MM5模式数值预报产品,对2006年4月28日发生在临沂的一次以灾害性大风为主、有弱降水相伴随、局部还有冰雹发生的飑线天气过程进行了分析.文中利用多种资料重点探讨了弓形回波带来的灾害性大风的形成机制.模式产品分析表明:灾害性大风发生区处在高空急流左侧,此处是正涡度平流和辐散区,强的垂直风切变导致了重力波的产生,300～500 hPa高度上产生的中尺度重力波(MGW)是本次大风过程的启动机制.造成地面大风的强下沉气流是来自于对流层中上层的干冷空气.雷达观测表明:本次过程中,大风区雷达径向速度出现模糊,强回波区对应径向风速辐合,具有较小的VIL值、有界弱回波区和中层径向辐合等特征.雷达径向速度图上高层负径向速度中心值的迅速减小和低层负径向速度中心值迅速增大是高空下沉气流迅速下沉的结果,是产生地面灾害性大风的直观表现.     

多普勒天气雷达地物回波识别算法改进

针对现有的地物回波识别算法在"新一代天气雷达建设业务软件系统开发及应用(ROSE)"前期评估中存在的地物回波漏判和气象回波误判问题,提出了地物回波识别改进算法。新算法在地物回波识别前对径向速度和速度谱宽资料作了处理,改善了因采用双PRF技术造成的径向速度资料质量下降对地物回波识别的影响,并增加了回波强度与径向速度处理阈值、回波强度垂直梯度参数,调整了回波强度沿径向的库间变化的判定阈值,减小了对气象回波的误判。利用SA、SB和CB雷达共432个地物与降水回波体扫资料进行数据统计和典型个例分析,对比算法改进前后的识别效果,结果表明:径向速度处理改善了径向速度资料质量,使地物回波的平均径向速度接近于零,将地物回波识别命中率提高了6.25%;阈值的设定和特征参数的改进,改善了对气象回波的误判,虚警率降低了1%~2%。     

多普勒天气雷达下击暴流图像识别

以下击暴流具有的低层显著辐散特征为基础,引入图像识别中的连通区识别技术,开发出了应用于多普勒天气雷达的下击暴流图像识别算法。首先通过设置的速度阈值将径向速度进行二值化处理,然后运用8邻域法寻找速度大值区,并采用距离、夹角和正、负速度差值等条件进行约束对正、负速度大值区进行配对,最后对未成功配对的速度大值区进行邻近区域的二次匹配,从而识别出下击暴流区域。利用多个下击暴流个例实测的多普勒雷达数据对该算法进行了测试,结果表明该算法对一些较小尺度的下击暴流,尤其对受环境风场影响而具有不对称辐散特征的下击暴流有良好的识别效果。     

一种自动多普勒雷达速度退模糊算法研究

提出了一种能解决孤立风暴、高切变和强台风等情况下速度模糊问题的自动多普勒雷达速度退模糊算法。该算法首先通过搜索最弱风区,第一次确定的最多两组初始参考径向和参考速度库,其中使用了相邻仰角初始参考径向应具有方位连续性的约束条件,剔除假零速度线引起的不恰当备用初始径向;然后从初始参考径向和参考速度库开始,对其周围邻近的速度库进行连续性检查,如果当前库的径向速度与参考速度的差值大于给定阈值就对其进行纠正;完成两次全方位径向退模糊处理后,算法进行径向和方位方向的强风切变检查,如果还有强风切变存在,那么通过搜索弱风切变区中有效速度库最多的径向,第二次确定一组退模糊的初始参考径向和参考速度库,再重复前面的退模糊过程,这有利于远离雷达的孤立风暴的速度退模糊。在多次退模糊过程中,判断速度模糊的标准由紧到松,切变阈值由小到大,以确保用于后面退模糊处理的参考速度的可靠性。利用我国S波段多普勒天气雷达观测的龙卷、飑线、孤立强风暴及台风等事件的1 000多个体扫资料对该算法进行了测试和评估,结果表明,速度退模糊准确率>99.5%。对于孤立风暴、高切变及强台风等复杂情况下的速度退模糊来说,新算法要优于我国新一代天气雷达业务退模糊方案。     

S波段双偏振雷达和X波段相控阵天气雷达中气旋识别结果对比

为了比较S波段双偏振雷达资料和X波段相控阵天气雷达资料识别中气旋的差异,结合X波段相控阵天气雷达(XPAR)和S波段双偏振天气雷达(SPOL)及地面观测资料,对比分析了2019年4月19日发生在广州的一次中小尺度天气过程,结果显示:使用的识别算法可以正确识别出中气旋;XPAR的高时空分辨率数据可以弥补SPOL仰角层不足的缺陷,观测到更加完整的中气旋垂直结构,识别结果中的参数也比SPOL更加细致,更精准地揭示了中气旋的短时演变。研究结果表明XPAR对于强天气回波的观测识别性能相比SPOL具有持续时间更长、垂直结构更加精细、正负速度对差值更大、随整个天气过程演变更加细致等优势,有利于对中小尺度天气系统的快速发展、演变开展细致深入的研究。     

2009年6月3日商丘市强飑线过程分析

利用商丘新一代天气雷达（CINRAD／SB）观测资料,以及MICAPS资料和自动气象站观测资料,对2009年6月3日发生在商丘的一次以大风为主,并伴有降水、雷电发生的强飑线天气过程进行了分析。分析表明：地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。高空冷涡后部冷空气南下,近地层为暖中心,形成了上冷下暖的位势不稳定层结;风力突增、气压涌升、气温骤降、湿度猛升等气象要素变化符合飑线特征。飑线最大回波强度达69dBz,最大负径向速度值达-37m／s,强回波区呈“厂”字形,位于回波区前沿,移动速度快,并具有径向风速辐合等特征。径向速度场上表现为高层负径向速度中心值的迅速减小和低层负径向速度中心值的快速增大。     

2009年6月3日商丘市强飑线过程分析

利用商丘新一代天气雷达(CINRAD/SB)观测资料,以及MICAPS资料和自动气象站观测资料,对2009年6月3日发生在商丘的一次以大风为主,并伴有降水、雷电发生的强飑线天气过程进行了分析。分析表明:地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。高空冷涡后部冷空气南下,近地层为暖中心,形成了上冷下暖的位势不稳定层结;风力突增、气压涌升、气温骤降、湿度猛升等气象要素变化符合飑线特征。飑线最大回波强度达69 dBz,最大负径向速度值达-37 m/s,强回波区呈"厂"字形,位于回波区前沿,移动速度快,并具有径向风速辐合等特征。径向速度场上表现为高层负径向速度中心值的迅速减小和低层负径向速度中心值的快速增大。     

多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征

不同的强对流天气造成的灾害和社会影响差别很大。通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计, 得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。“大风区”常伴随出现强风冰雹, 而“中气旋”则常伴随出现暴雨冰雹, 这对于判别冰雹云产生什么样的天气现象是有指示意义的。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

双多普勒雷达风场反演误差和资料的质量控制

提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、径向速度和方位定位的质量控制方法，以及利用概率分布法订正配对的双多普勒雷达回波强度的方法。以2001年973“中国暴雨”外场试验期间获取的双多普勒雷达观测资料为例，比较了合肥、马鞍山和宜昌、荆州的两对双多普勒雷达同步观测的回波强度、径向速度和方位的改变对观测数据对比的影响；分析了这两对双多普勒雷达径向速度测量误差引起的风场反演的误差。结果表明:两对双多普勒雷达观测的回波强度和径向速度的空间位置和变化趋势比较一致，合肥与马鞍山雷达的回波强度有一定差异，径向速度也有1～2 m/s的差异。风场反演的误差与风场的方向、大小、空间位置等有关。在两个径向速度夹角在40°～140°范围内，共面上的风场的反演误差在1～2倍的雷达探测径向速度的误差范围内。     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

A Velocity Dealiasing Scheme for C-band Weather Radar Systems简

A dealiasing algorithm for radar radial velocity observed by C-band Doppler radars is presented as an extension of an existing S-band dealiasing algorithm. This has operational significance in that many portable and many commercial broadcast radars, as well as approximately one half of the Chinese weather radar network （CINRAD）, are C-band radars. With a wavelength of about 5 cm, the Nyquist interval of C-band radars is just about one half that of S-band radars （wavelength of about 10 cm） and thus has more velocity folding. The proposed algorithm includes seven modules to remove noisy data, find the starting radials, dealias velocities, and apply least squares error checking in both the radial and azimuth directions. The proposed velocity dealiasing method was applied to one widespread rain case and three strong convective cases from radars operating in China. It was found that, on average, 92.95% of the aliased radial velocity data could be correctly de-aliased by the algorithm, resulting in 96.65% of the data being valid.     

一次飑线过程的多普勒雷达资料分析

利用承德多普勒雷达的反射率因子、径向速度、垂直积分液态含水量（VIL）等产品,结合环流形势和自动站资料,对2008年6月25日发生在承德境内的一次飑线天气过程进行了分析,初步探讨了承德地区飑线天气过程的多普勒雷达回波演变特征,分析结果表明：大风位于弓形飑线回波的凸起部位。负速度中心值逐渐增大到〉27m／s且逐渐靠近雷达,预示大风天气的出现。VIL值的剧减、跃增和持续高的ET与大风、冰雹等强对流天气有一定的对应关系。对利用多普勒天气雷达识别和预报强对流灾害性天气提供参考。     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

边界层风廓线雷达资料在浙中强对流天气中的应用

利用义乌CFL 03边界层风廓线雷达资料,对浙中地区15次强对流天气过程进行了分析。结果表明：①水平风不仅能提前于天气图数小时获知冷空气入侵,预判强对流的发生,而且通过对低空西南急流尤其是超低空西南急流或偏南急流的研究发现,其对短时暴雨或降雹能提供非常有利的信息,同时任何风向的超低空急流都可以作为判断雷雨大风的依据;②垂直速度和大气折射率结构常数（CN2）的大小能较好地反映降水开始和结束,而降水发生时,功率谱密度表现为正径向速度,谱宽变宽,且各信号形状较为相似;③当径向速度图出现速度模糊现象,尤其是在低层时,地面对应有大风。风廓线雷达资料对强对流天气的发生发展有较可靠的指示意义。结合多普勒雷达资料,可有效加强本地短临预报能力。     

广州前汛期两次强对流天气的对比分析

本文综合利用各种观测资料，对华南前汛期同一天出现的两次强对流天气的不同特征进行了对比分析。结果表明：锋面过境前，局地辐合引发了单纯性分散的雷雨大风，在雷达速度图上无明显特征。锋面和切变线过境时，伴随着局地涡旋，造成了更为激烈的雷雨大风和广州市区突发性暴雨，在速度图上出现了明显的逆风区，本文还对雷达速度图和自动站资料在强对流天气识别方面的应用进行了初步探讨。     

利用AMDAR数据分析厦门、泉州双雷达三维风场反演误差

利用2016年全年进出厦门机场和晋江机场航班的AMDAR(Aircraft Meteorological DAta Relay)数据对双雷达反演风场进行检验,分析了厦门、泉州双雷达风场反演的总体误差,研究结果表明:1)验证了双雷达连线附近区域反演风场的平均绝对误差较大,发现了与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域的反演结果的平均绝对误差明显大于误差的年平均值。2)对于反演风向而言,误差随着高度增加而减小。对于反演风速而言,高度在9 km以下的反演误差在5 m/s左右,而9 km以上的反演误差较小。3)剔除了双雷达连线附近区域(与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域)和反射率因子小于5 dBZ以及等于100 dBZ(剔除非气象回波)的反演结果后,双雷达反演风场误差较小,相对于AMDAR数据的风向年平均绝对误差为29.4°,风速年平均绝对误差为3.28 m/s,总体误差在可接受范围之内,反演结果接近"真值",该反演方法稳定可靠。