新一代天气雷达布网设计的有效覆盖和地形遮挡分析

一般情况下,地形影响造成的雷达波束遮挡是长期保持不变的。研究雷达地形遮挡情况有助于提升雷达探测资料的有效性和可靠性。利用先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型地形数据,对我国已建成的208个新一代天气雷达站点进行地形遮挡分析,计算业务体扫模式(Volume Coverage Pattern modes, VCP)21的九个仰角下200 km范围内雷达反射率的波束阻挡系数,绘制观测仰角分别为0.5°、1. 45°、2. 4°和3. 35°时雷达有效观测区域的覆盖图,计算相应的有效覆盖面积。结果表明全国新一代天气雷达站200 km范围内0. 5°、1. 45°、2. 4°和3. 35°仰角平均遮挡比例分别为30. 7%、8. 5%、2. 5%和1.0%,平均有效覆盖面积分别为83210.5、109354.2、118170.9、121631.5 km~2,只有少数几个雷达站受邻近山脉地形遮挡影响严重,雷达站总体有效覆盖情况较好。     

基于气候统计特征的雷达回波质控方法

利用北京南郊S波段雷达2011—2016年的观测资料,从雷达气候统计的角度,利用不同强度回波发生频率的统计特征及其空间分布特征,对雷达地物杂波和波束遮挡的识别与订正方法进行研究。结果表明:①利用雷达回波出现频率特征,可以很好地识别雷达近中心地物杂波和受地形高度影响的地物杂波特征;同时还可以直观地识别出雷达波束遮挡区域以及遮挡程度。北京南郊雷达地物杂波主要分布在近雷达中心和北京西部、西北部的山前地区,地物杂波主要集中在0.5°仰角和1.5°仰角层上。雷达波束遮挡主要集中在由高大建筑引起遮挡的东南方位向和由于地形引起波束遮挡的西西北方位向,波束遮挡主要集中在0.5°仰角层。②采用局部可变区域平均垂直廓线方法利用高仰角回波订正低仰角回波,能有效订正地物杂波,并保留回波的局部特征。对于波束遮挡区域的回波填补,也能够较好地保持上下层仰角回波之间的连续性,同时兼顾了回波不均性分布等特性。③基于雷达气候特征进行地物杂波识别和波束遮挡识别,无需依照先验知识,相比于传统方法能更好地反映本地雷达回波真实情况,且具有方法简单、可快速复用、本地适用性强等优点。     

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。     

基于高分辨率高程数据统计分析新一代天气雷达组网的地形遮挡影响

新一代天气雷达由于受到地形限制产生波束遮挡导致波束能量衰减,从而造成雷达探测回波强度偏弱、雷达定量估测降水结果失真,因此对于雷达波束遮挡情况的统计和分析是一项重要的基础研究工作。利用SRTM （Shuttle Radar Topography Mission）数字高程数据对中国目前业务运行的212部新一代天气雷达波束遮挡情况进行模拟计算分析。计算结果包括雷达单站遮蔽角、VCP21模式0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角波束遮挡率、混合扫描及分区混合扫描波束遮挡率、雷达单站探测范围覆盖情况;计算并绘制全国天气雷达组网遮挡率拼图,统计全国天气雷达组网遮挡情况;利用2019年8月广东省11部天气雷达基数据对比验证单站及组网遮挡计算结果。结果表明雷达组网探测面积覆盖率超过70%,整体覆盖效果较好,遮挡计算结果与实际数据对比验证结果高度一致,对雷达数据订正、降水估测等产品具有正贡献。      

基于标准差分析法的X波段双偏振天气雷达资料质量评估

2015年9月,北京市气象局在北京地区架设4部X波段双线偏振天气雷达并开展了观测试验。本文利用其中3部雷达在2016年6月30日的观测数据,用标准差分布统计方法,对雷达的观测参量进行初步质量评估。结果表明:(1)3部雷达反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~77.9%,反射率的数据波动基本符合理论分布;(2)3部雷达差分反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的68.4%~81.4%,其中房山雷达数据波动较大;(3)3部雷达互相关系数标准差符合理论值的数据占总观测数据的45.7%~63.5%,其中房山雷达数据波动最大,其他2部雷达都有同程度的数据波动;(4)3部雷达差分传播相位标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~83.9%,其中房山雷达数据波动相对较大,与雷达其他观测参量相比,差分传播相位的波动较小。     

天顶扫描模式在双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差订正中的应用

双偏振天气雷达Z_(dr)系统偏差是影响雷达数据质量的关键因素,本文利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达,对90°仰角天顶扫描数据在Z_(dr)系统偏差订正中的应用进行了分析,同时增加90°仰角定点观测模式,讨论并确认了方位旋转关节对Z_(dr)测量结果的影响,在双偏振天气雷达雷达Z_(dr)系统偏差订正中加入了方位旋转关节因素。研究结果表明:选择合适的90°仰角数据,不仅可以对接收双通道不一致造成的Z_(dr)固定系统偏差进行订正,还能够进一步检测由方位旋转关节衰减不同引起的误差;利用90°仰角数据对Z_(dr)的系统偏差进行订正,稳定性和精度较高,满足双偏振天气雷达Z_(dr)精度要求。     

一次强降水对流风暴的三维风场特征分析

使用S波段天气雷达和X波段相控阵天气雷达资料,通过三维变分方法反演风场,分析了2020年6月6日发生在广东佛山的强降水对流风暴三维风场特征:(1)SA雷达因低仰角体扫受遮挡和水平分辨率不够精细,无法反演出对流风暴内部低层水平风场真实特征;SA雷达仰角间隔大和扫描同时性较差致使其反演风场比较平滑.(2)相控阵雷达仰角密集...     

新一代天气雷达负仰角探测能力分析

由于地球曲率的影响,当CINRAD.SA新一代天气雷达使用目前最低仰角同定为0.5°的模式探测时,探测肓区较大,对低层降水回波的探测能力严重不足.在实地展开试验的基础上,推导了负仰角探测时雷达最低探测高度计算公式,计算出仰角为0.5°、0°、-0.3°、-0.5°时不同探测距离上的雷达最低探测高度,对比分析不同仰角观测模式的主要雷达产品特点,探讨新一代天气雷达使用负仰角观测模式的局限性,提出了新一代天气雷达使用负仰角观测的建议.     

利用低仰角扫描改进高山雷达低层回波探测能力浅析

应用昆明高山新一代天气雷达探测大范围暴雨个例的0.仰角资料,与我国高山雷达目前采用最低仰角为0.5°扫描模式(VCP11或VCP21)的回波分布情况进行了对比分析.结果表明:在雷达警戒区域,0°较0.5°仰角能更早地发现过程的降水云系;0°或负仰角能明显提高高山雷达远距离回波探测效果;低仰角(文中指低于0.5°仰角)可弥补常规业务扫描模式下高山雷达探测低层回波能力不足的问题.对另一次文山雷达对冰雹过程的探测分析,可见低仰角扫描模式对强对流天气也能获得较好的低层探测效果.又通过实验获得云南另外4部高山雷达的0°仰角及负仰角睛空资料,分析了高山雷达晴空资料的0°及负仰角低层回波资料质量.发现受周围山脉影响,不同高山雷达最佳探测低仰角是不同的,实际业务工作中应根据当地地形的具体情况选取恰当的低仰角.     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正法对比分析

X波段双线偏振雷达的衰减是影响其回波强度(ZH)和差分反射率因子(ZDR)应用的主要问题,影响了雷达的探测精度以及降水估测的精度。考虑到传播相移率(K_(DP))在低信噪比情况下数据质量问题,本文对比了4种订正方法(Z_H-K_(DP)法,整段ZPHI法,20库ZPHI法,80库ZPHI法)的订正效果,将广州S波段双线偏振雷达数据作为标准来评判佛山X波段双线偏振雷达衰减订正效果,由于两部雷达的位置差异,为了得到精确的点对点(方位角、仰角、距离库)的数据对,对广州S波段双线偏振雷达数据进行坐标转换以及插值处理,通过与广州S波段雷达数据进行对比分析相对偏差以及相关系数等,得出ZPHI订正法的效果要优于Z_H-K_(DP)综合订正法。     

郴州天气雷达估测降水量误差分析

新一代天气雷达系统使用Z-I关系式反演降水,在估测降雨时不同地域具有不同误差;在观测降水时受到水平阵风或短时大风、回波强度、地形、大气折射等因素影响,可能降低雷达定量估测降水的精度。本文利用湖南郴州雷达基数据不同低仰角反射率因子分别估算出降水量,对比分析了不同仰角雷达反演估测降水量与自动雨量站雨量数据之间的误差。通过对雷达估测降水的误差来源分析、估测降水误差并应用数学统计分析误差,初步得出:2.4°仰角估测降水与雨量站的观测数据线性相关系数最高,雷达估测的降水较为真实。而0.5°、1.5°仰角受地型影响估测降水可行性不高。     

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究北大核心CSCD

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。     

多部X波段天气雷达测量偏差分布及组网拼图结果分析北大核心CSCD

在与附近新一代天气雷达对比的基础上,利用自2013年6月起中国科学院大气物理研究所的三部X波段天气雷达在江苏开展了组网观测试验的观测资料,初步对雷达的探测能力和雨区衰减做了分析和订正,同时使用了中国气象科学研究院三维组网系统,将X波段天气雷达与业务雷达资料组网,探索了X波段天气雷达的对业务雷达的补充效果。结果表明:(1)X波段天气雷达的观测数据分别受到了地物回波、遮挡及雨区衰减的影响,已对基数据做了初步的质量控制;(2)通过回波结构和廓线图的对比,经地物抑制、衰减汀正等方法质控后的数据存一定范围内具有较高的可靠性,同时三部X波段天气雷达能够有效探测到60 km内的降水结构,其回波分布较为合理,准确的反映了降水区域的特征;(3)将三部X波段天气雷达观测资料与业务中的新一代天气雷达组网后,得到了结构连续、分布更广、平滑作用更低的资料,补充了新一代天气雷达的低空盲区。     

台风“艾云尼”（2018）外围两次近距离龙卷的环境条件和雷达特征

2018年6月8日在距台风“艾云尼”中心80 km、160 km的广州市南沙区横沥镇、佛山市南海区大沥镇两地罕见地先后出现了龙卷天气。利用X波段双偏振雷达组网、广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达和区域加密自动站等观测资料对两次近距离台风龙卷过程的环境条件和雷达特征进行了分析。环境条件分析表明,两次龙卷发生地位于低层西南急流和东南急流辐合区,所处环境为弱的对流有效位能（CAPE）、低的抬升凝结高度和强的低层垂直风切变环境中,0~1 km垂直风切变值超过15×10-3 s-1。中小尺度雷达特征分析表明:（1）两地龙卷由台风外围微型超级单体引起,超级单体在发展强盛阶段有钩状回波、入流缺口、中层回波悬垂等典型特征,最强反射率因子55~60 dBz,强度≥50 dBz强回波发展高度在4 km以下,微型超级单体有水平尺度2~3 km的中气旋,由于速度模糊影响,仅在南海龙卷发生前9 min广州S波段雷达能自动识别中气旋。（2）与南沙龙卷相联系的中气旋核心高度低,强度进一步加强紧缩导致龙卷发生;而与南海龙卷相联系的中气旋从中层发展,中气旋加强紧缩下降到更低导致龙卷发生。（3）两地弱龙卷发生时广州和南海双偏振雷达没能捕捉到龙卷碎片（TDS）特征,南海X波段雷达能提前30 min监测到入流急流,提前27 min探测出钩状回波等特征,并通过分析ZDR弧和KDP弧可判断低层强盛的上升气流和强的垂直风切变利于风暴的发展。（4）佛山四部X波段组网雷达反演的1 km水平风场可分析出小尺度涡旋结构,对应钩状回波尾端有强的风向切变,这对龙卷发生地点的判断和风暴的流场结构有较好指示意义。      

多部X波段天气雷达测量偏差分布及组网拼图结果分析

在与附近新一代天气雷达对比的基础上,利用自2013年6月起中国科学院大气物理研究所的三部X波段天气雷达在江苏开展了组网观测试验的观测资料,初步对雷达的探测能力和雨区衰减做了分析和订正,同时使用了中国气象科学研究院三维组网系统,将X波段天气雷达与业务雷达资料组网,探索了X波段天气雷达的对业务雷达的补充效果。结果表明:(1)X波段天气雷达的观测数据分别受到了地物回波、遮挡及雨区衰减的影响,已对基数据做了初步的质量控制;(2)通过回波结构和廓线图的对比,经地物抑制、衰减汀正等方法质控后的数据存一定范围内具有较高的可靠性,同时三部X波段天气雷达能够有效探测到60 km内的降水结构,其回波分布较为合理,准确的反映了降水区域的特征;(3)将三部X波段天气雷达观测资料与业务中的新一代天气雷达组网后,得到了结构连续、分布更广、平滑作用更低的资料,补充了新一代天气雷达的低空盲区。     

利用深度学习填补双偏振雷达回波遮挡

广州S波段双偏振天气雷达低仰角多方位存在遮挡,高仰角也存在部分遮挡。基于卷积神经网络等深度学习方法,构建垂直填补(vertical echo-filling,VEF)和水平填补(horizontal echo-filling,HEF)网络架构,基于两种架构,利用无遮挡区的反射率因子Z_H、差分反射率Z_DR,差传播相移率K_DP构建训练集,填补遮挡区的Z_H和Z_DR。针对仅0.5°仰角存在遮挡的区域,基于VEF架构,利用上层多个仰角、径向、距离库的三维数据,分距离段训练垂直填补模型。针对遮挡仰角较高的区域,则基于HEF架构,利用同一仰角左右相邻的多个径向、距离库的数据,分遮挡径向训练水平填补模型。根据解释方差、平均绝对偏差和相关系数3个指标和3个个例,对模型效果进行评估。结果表明:Z_H填补模型的解释方差最大为0.92,平均绝对偏差最小为1.69 dB,相关系数最高为0.96;Z_DR填补模型的解释方差最大为0.92,平均绝对偏差最小为0.12 ...     

基于雷达观测的2021年6月珠江口一次水龙卷过程分析

利用常规地面和探空资料、珠海S波段双偏振多普勒天气雷达和珠海横琴X波段相控阵雷达资料对2021年6月1日发生在珠江口的水龙卷过程进行分析。研究表明：此次水龙卷过程发生在高层强辐散、中层短波槽影响、低层西南风的背景场下;极低的抬升凝结高度、较大的0～1 km风矢量差、超过超级单体发生阈值的风暴相对螺旋度,为龙卷的发生提供了较好的动力条件。两部雷达均观测到超级单体结构特征,最强反射率因子超过65 d BZ。X波段相控阵雷达资料能够清晰展现水龙卷超级单体风暴精细化演变特征,0.9°仰角首先出现风切变,随后风切变出现高度逐渐增高,并加强为中气旋,切变最高高度达到17.1°仰角,随后高度逐渐降低,龙卷减弱。三维反射率因子图清楚地反映了龙卷母体风暴穹窿结构形成过程,以及强反射率因子区向上延伸,变细加强,龙卷触及水面后变粗的过程。S波段雷达探测到在龙卷发生前,出现Z_DR低值眼区和ρ_HV弧,这对于预报员提前预警以及识别龙卷具有一定帮助。     

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

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。     

利用相控阵及双偏振雷达对2016年6月3日华南一次强对流过程的分析

本文结合X波段相控阵雷达(XPAR)和S波段双偏振天气雷达(SPOL)及地面和探空观测资料,分析了2016年6月3日发生在华南的一次超级单体中小尺度特征,结果表明：(1)SPOL的多普勒参量和双偏振参量可以观测到超级单体的强度、速度和相态分布,超级单体的入流和出流影响钩状回波的形成。(2)XPAR可以获取时空分辨率远高于SPOL的观测资料,可以弥补SPOL仰角层严重不足的缺陷,观测到超级单体完整的垂直结构,可更精确地描述超级单体的短时演变。(3)超级单体钩状回波附近给地面带来了降温、大风和强降水,超级单体经过地区均有明显降温和风区。研究结果证明相控阵雷达和双偏振雷达对认识对流单体中小尺度系统的发展演变有较大帮助。