基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除。为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7—8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别。通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用(降水估测等)具有正贡献。     

双偏振天气雷达水平和垂直通道回波对比

本文针对南京溧水S波段双偏振多普勒天气雷达获取的回波I/Q信号,采用FFT算法处理水平和垂直通道I/Q数据,分别得到水平和垂直通道回波的强度、速度值,定性分析了两通道回波强度、速度数据差异,引入平均差及均方根误差参数做定量分析。对比结果表明:两通道I/Q数据处理得到的回波层次分布基本一致;两通道速度数据差异较小,强度数据差异较大。以水平通道回波数据为基准,当回波强度小于16 dBz时,水平通道强度偏小,这可能是由云系边缘较小的针状冰晶所致;当回波强度大于32 dBz时,水平通道强度值偏大,且随回波强度的增加两通道强度差值增大,这反映了强降水中大粒子较多,而粒子越大,降落过程中扁平程度越大;两通道回波强度的差值与回波强度大小呈现一定相关性,这可能反映了单偏振天气雷达在定量测量降水中精度不高,通过双偏振雷达联合利用两通道数据有望改善雷达定量测量降水精度,提升雷达定量估测降水能力。     

基于X波段双线偏振天气雷达的雷暴云粒子识别

为了进一步认识雷暴云中影响起电的主要水成物类型,联合714XDP 天气雷达观测到的偏振参量（Z H 、Z DR 、K DP 和ρHV ）,在利用模糊逻辑方法的基础上引入温度（T）,对中国西北地区夏季雷暴云中的水成物类型进行识别,将水成物分为11种。参考 S 和 C 波段及少量的 X 波段偏振雷达的粒子识别研究,得到11种粒子对应的各偏振参量阈值。分析了2007年7月24日的一次观测过程几个时刻的偏振参量、地面电场、放电频数及识别结果,并与利用三维雷暴云动力电耦合数值模式模拟出来的粒子分布结果做了对比。结果表明,选取的偏振参量阈值基本合理,采用的模糊逻辑方法能有效、合理地识别出雷暴云内水成物的相态和分布,而且利用 K DP 可以大致判断云内电荷区。     

基于S波段双偏振雷达资料的降水粒子类型识别算法及应用

基于质量控制的S波段双偏振雷达格点化观测数据,利用模糊逻辑算法,结合降雨粒子散射和空间取向等特征建立了降水粒子类型识别算法,用于分析降水过程中降水粒子的空间分布情况及粒子类型的演变过程.该算法可以将降水粒子分为液态、冰态、混合态等不同种类,有助于发现影响降水多寡的云微物理关键结构.首先根据不同降水粒子的雷达回波特性得到...     

X波段双偏振雷达对造成北京门头沟泥石流的强降水观测分析

利用房山X波段双偏振雷达观测资料,分析2017年6月18日北京门头沟泥石流的强降水过程,重点研究了泥石流发生地上空10 km×10 km区域内雷达反射率因子时空变化特征,并结合雷达定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)讨论该类雷达探测设备在复杂地形区域的适用性。结果表明,在山区常规自动气象站布网稀疏的条件下,X波段双偏振雷达能够有效捕捉此次强降水的发生发展过程,同时,雷达定量降水估测得到的高分辨率降水场可以把握山区强降水中心,进而弥补山区雨量站匮乏的不足。此次过程中影响泥石流事件发生的降水时间发生在6月18日12—16时,其中,15时事发区域小时QPE最大值达到53.9 mm·h^-1,上游来水和局地突发性强降水共同作用是本次泥石流事件的主要成因。     

基于Ka波段毫米波云雷达资料对水凝物相态的识别研究

利用不同水凝物相态下反射率因子、多普勒径向速度、谱宽、线性退偏比等云雷达探测参量以及温度的阈值,采用不对称的T型成员函数,建立了识别水凝物相态的模糊逻辑算法,可识别的水凝物类型包括雪花、冰晶、混合相态、液态云滴、毛毛雨滴、雨滴。利用分级逐库订正法衰减订正后的Ka波段双偏振雷达探测数据和ECMWF再分析资料温度廓线数据对水凝物相态进行了识别研究。结果表明,识别出的水凝物相态结果基本合理,反映出了空中水凝物相态的演变过程,可进一步应用于降水微物理过程研究和人工影响降水应用研究。     

双线偏振雷达在一次强降雹过程中的初步应用

利用北京首都国际机场C 波段双线偏振多普勒天气雷达和NECP 再分析资料,分析了北京地区2008 年6 月23 日降雹天气过程背景及双线偏振多普勒雷达产品的演变特征。通过对雷达差分反射率因子ZDR、单位差分传播相移KDP、相关系数ρHV等偏振参数的具体分析,总结出偏振雷达观测冰雹云的一些特征：雷达强度图中出现较强回波且高度较高,ZDR趋于零,ρHV、KDP比其周围数值忽然减小。此外,还分析了KDP、ρHV在辨别虚假回波和判断回波发展中的作用。上述研究对于提高双线偏振天气雷达在强对流灾害天气监测预警、防雹减灾以及航空安全等方面应用具有一定参考意义。     

基于预测的双线偏振天气雷达数据无损压缩算法

随着双线偏振天气雷达技术的发展,雷达提供的探测参量越来越多,数据精度不断提高。探测性能提升使得天气雷达数据量急剧增长,数据存储和传输是雷达网络化应用中需要解决的重要问题。数据压缩算法用于减小传输和存储的数据量,但通用的数据压缩算法并未充分考虑双线偏振天气雷达数据的特点。文中提出适用于双线偏振天气雷达数据压缩算法（DPRC）,使用径向预测减小天气雷达数据相关性,实现了天气雷达基数据的高效无损压缩。使用CSU-CHILL雷达数据和双线偏振改造后的CINRAD SA雷达对DPRC的算法性能进行评估,试验结果表明,DPRC较通用的压缩算法压缩率更高,适用于高分辨率双线偏振雷达数据无损压缩。      

月亮山区两次暖区暴雨天气过程双偏振雷达回波特征分析

本文主要利用黔东南榕江双偏振多普勒天气雷达、常规观测和加密自动站观测等资料,对黔东南2020年5月31日及6月8日两次暖区暴雨天气过程的雷达回波特征进行分析,结果表明：（1）月亮山区暖区暴雨的雷达回波主要以积状云回波为主,地形对回波具有明显强迫抬升作用;（2）回波演变主要分为三个阶段,对流回波的“合并增强”,单体后向传播形成长时间的“列车效应”,造成了月亮山区的暴雨过程;（3）径向速度场往往配合逆风区及γ中尺度的气旋式辐合;回波顶高、垂直积分液态含水量伴随跃增现象;（4）暖区暴雨由低质心+高质心回波共同影响造成,发展旺盛的单体生消较快,对流性特征显著;（5）随着质心高度、最大垂直液态水含量及最大回波强度的升高,雨强也会随之增强,但是三者与雨强变化之间存在一定的滞后关系;（6）暴雨以上降水以大雨滴为主,降水强度强,雨滴浓度大;（7）雷达估测的1h累积降水量、3h累积水量及风暴总降水量产品的演变与对应的自动站观测到的实际雨量变化趋势较为一致,但与实况均存在一定的偏差,且随着雨强的增大,误差随之增大;3h累积水量及风暴总降水量两个产品能较好地反映出强降水落区。     

一次秋季冰雹过程的环境场和双偏振雷达特征分析

针对2021年9月20日浙江中部出现的一次冰雹天气过程,利用常规气象观测资料和NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°再分析资料分析了环流背景、不稳定性和触发条件,通过金华S波段双偏振雷达对冰雹云的演变及其结构特征展开分析。结果表明:（1）降雹发生在西太平洋副热带高压东退、高空槽和低层低涡东移的环流背景下,大气呈现“上干冷、下暖湿”的对流性不稳定层结,近地面中尺度辐合线提供了辐合抬升条件,是一次准正压类强对流天气。（2）超级单体风暴具备典型的冰雹云特征,回波强度超过55 dBZ、异常大的垂直累积液态水含量、三体散射长钉、风暴顶辐散等均对冰雹天气预警有较好的指示意义。（3）超级单体成熟阶段基本反射率因子≥55 dBZ区域的差分反射率因子ZDR为负（极值达-2.12 dB）、差分相移率KDP出现“空洞”现象、相关系数CC低于0.9指示出现了大的干冰雹。（4）ZDR柱（>1 dB）伸展的高度与上升气流存在正相关,ZDR柱伸展到-20 ℃层以上有利于雹胚的生成以及冰雹增长,可作为判别对流风暴能否降雹的指标之一,ZDR柱演变规律在短临预报以及冰雹识别方面具有较好的应用潜力。     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

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。     

基于雷达回波的自动站小时异常强降水量质控算法研究

目前江西省自动气象站数据质控软件仅依靠降水数据本身的时间、空间相关性进行质控,存在部分异常强降水量漏识别问题.文中利用江西省气象信息中心提供的雷达回波资料和国家站降水观测资料,设计了雷达综合反射率质控参数,并对逐6 min累计降水量和雷达综合反射率值进行统计分析,建立了江西本地化的不同等级6 min累计降水量对应的雷达综合反射率最低阈值质控方案.该方案能较好地检测出江西省自动站降水资料中与雷达回波强度不匹配的小时异常强降水数据.目前该方案已应用于江西省自动站逐小时降水量数据实时自动质控业务中,有效提高了自动站异常强降水的质控效果.     

浙江地区2015年冬季首场降雪的气象特征及双偏振雷达回波特征分析

基于3 h间隔的浙江快速更新同化模式资料、常规探空资料和临安双偏振雷达资料反演产品对浙江地区2015年12月5日的首场降雪过程的特征进行了分析,得到了较高的云顶高度、较低的云顶温度、较低的零度层高度、较低的低层平均温度、稳定的底层冷平流以及特殊的地形是浙西北地区在较高的地表温度情况下易形成降雪的原因;同时对临安双偏振雷达产品资料进行了分析,首次提出浙江地区此类降雪的双偏振雷达产品特征,并得到了判别阈值.希望借助两方面的研究来减少此类降雪天气的漏报率和可预报性.     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

一次秋季对流性暴雨的双偏振雷达回波特征分析

本文利用黔东南榕江C波段双偏振多普勒天气雷达资料、常规观测资料及地面加密自动站观测资料等,对2021年9月6日傍晚到夜间贵州东部地区出现的对流性暴雨天气过程的环流背景、影响系统和雷达回波特征进行总结分析。得出：（1）此次天气过程是在副高西伸北抬形成高压坝的背景条件下,中高纬冷涡低槽与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强东移,引导冷空气从西北路径和东北路径两面夹击影响贵州东部地区,配合长时间稳定维持的南北向低空切变线,共同触发不稳定能量强烈释放,产生对流性暴雨天气。（2）带状对流回波东段东移至铜仁、黔东南州境内后逐渐转为片状积层混合降水回波,并长时间稳定维持少动,暴雨发生期间,回波具有明显的低质心高效率的热带暖云降水回波特征;VIL值在10～30 kg·m-2之间,局地出现明显的跃增现象;低仰角径向速度图上长时间维持明显的风场辐合。（3）此次过程雷达偏振参量具有产生强降水的特征,最大ZH在40～60dBz之间,ZDR在0.2～5dB之间,KDP范围为0.5～7.0°·km-1,CC在0.9～0.98之间,最大时≥0.98。     

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。     

A Test Pattern Identification Algorithm and Its Application to CINRAD/SA(B) Data简

A variety of faulty radar echoes may cause serious problems with radar data applications,especially radar data assimilation and quantitative precipitation estimates.In this study,＂test pattern＂ caused by test signal or radar hardware failures in CINRAD （China New Generation Weather Radar） SA and SB radar operational observations are investigated.In order to distinguish the test pattern from other types of radar echoes,such as precipitation,clear air and other non-meteorological echoes,five feature parameters including the effective reflectivity data percentage （Rz）,velocity RF （range folding） data percentage （RRF）,missing velocity data percentage （RM）,averaged along-azimuth reflectivity fluctuation （RNr,z） and averaged along-beam reflectivity fluctuation （RNa,z） are proposed.Based on the fuzzy logic method,a test pattern identification algorithm is developed,and the statistical results from all the different kinds of radar echoes indicate the performance of the algorithm.Analysis of two typical cases with heavy precipitation echoes located inside the test pattern are performed.The statistical results show that the test pattern identification algorithm performs well,since the test pattern is recognized in most cases.Besides,the algorithm can effectively remove the test pattern signal and retain strong precipitation echoes in heavy rainfall events.     

济南CINRAD/SA雷达双偏振升级关键技术分析

针对CINRAD/SA天气雷达双偏振升级,阐述了通过WRSP信号处理器、晶振频率源、标定技术、相位编码技术、信号处理新技术新算法等关键技术的升级,提升了雷达的整体性能。济南雷达升级后,接收机灵敏度由-109 dBm提升至-113 dBm,接收机动态范围由89 dB提升至101 dB,发射机输出改善因子由59.34 dB提升至61.64 dB,系统相位噪声由0.107°提升至0.041°,系统实际地物对消最大值由45.1 dB提升至49.7 dB,距离分辨率由1 000 m提升至250 m,改善了雷达对弱信号的探测能力,增强了对电磁干扰、超折射的识别能力,增强了地物抑制能力;天线伺服系统通过改碳刷结构汇流环为金属丝免维护汇流环,减少了天线动态故障报警率,提高了伺服系统运行的稳定性和可靠性;通过CW与TS信号在线标定技术,检验了升级后双偏振雷达双通道的一致性。     

基于江西省雷达回波拼图的TREC方法应用及效果检验

基于江西省及周边16部新一代多普勒天气雷达拼图资料,利用交叉相关跟踪法(TREC)计算江西地区雷达回波的移动矢量(TREC风),并对求解的TREC风进行异常值更正和空洞补齐等质量控制,最后利用后向外推法对江西地区2017年6月29日09:54的雷达回波进行2 h内的外推。结果表明,TREC方法能较好地获得江西地区未来2 h内的雷达回波位置和空间结构,且在0—1 h的外推回波非常接近实况。通过对2018年6月1—9日201个天气过程0—2 h外推的TS评分统计表明,基于该方法外推的2 h内的雷达回波精度都较高(TS评分0.3),但TS评分随外推时间的增长而快速降低,当外推时间为30 min时TS评分高达0.61,外推时间增至60 min时TS评分降至0.48,外推时间延长至120 min时TS评分进一步减至0.31。