双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达（CPDRW）2011年完成升级改造后观测的一次大范围层状云降水过程资料为例,讨论了该设备改造后探测资料质量的改进情况及其对降水粒子的探测性能,同时利用模糊逻辑法结合地物的常规特性和偏振特性,建立了一种运用双线偏振雷达观测资料识别地物及地物与降水混合回波的方法,并利用该雷达的观测资料对识别结果进行了分析检验,最后统计分析了降水回波的差分反射率因子(Z_DR)、零滞后互相关系数(ρ_HV（0）)与信噪比的关系,以及系统初始相位的稳定性及降水资料的一致性。分析结果表明,在常规参量的基础上添加偏振参量并采用模糊逻辑法构建的综合识别模式和常规识别模式都能较好地识别地物,但综合识别模式明显改善了常规识别模式0速度区过度识别的问题,且在地物与降水回波混合的情况下叠加混合回波识别模式具有更加明显的优势。雷达改造前,Z_DR及ρ_HV（0）在信噪比小于25 dB时受噪声影响很大,测量值存在较大误差,资料变得不可信;通过这次的升级改造,其信噪比探测阈值由25 dB降低到15 dB。系统初始相位比改造前更加稳定,随仰角和时间的波动性更小。利用垂直扫描数据进行系统误差订正后的Z_DR资料能较好地反映降水粒子的实际情况,Z_DR随信噪比的变化较之改造前更加平稳,而对差传播相移Φ_DP进行分类处理后拟合的差传播相移率K_DP资料也与实际情况一致。     

X波段双线偏振雷达青藏高原观测资料质量分析

云团东移研究项目组计划于2018—2019年夏季利用高原综合观测网对高原东移云团进行重点加密观测,通过获得水汽、云、降水粒子相态分布等云降水物理过程的新数据来深入研究夏季青藏高原云团东移引发长江流域暴雨的机理。本文以布设在四川甘孜的X波段双线偏振雷达2017年9—10月开展预观测试验获取的降水资料为例,分析了该设备在高原上的探测性能及观测资料质量。结果表明:预观测试验期间雷达性能稳定,获得的资料质量整体较好;经过订正处理后的雷达数据能客观反映实际的降水特征,可为观测试验的后续开展以及云和降水物理过程参数化方案研究奠定基础。     

C波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室C波段双线偏振雷达2011年完成升级改造后观测的一次降水过程资料为例,讨论其探测资料质量及其对降水粒子的探测性能,统计分析降水回波的差分反射率因子ZDR、零滞后互相关系数ρHV（0）与信噪比SNR的关系,以及系统初始相位的稳定性,反射率因子ZH分别与差分反射率因子ZDR和差传播...     

河北省双线偏振雷达数据质量分析和衰减订正

选取河北邢台X波段双线偏振全固态多普勒雷达观测到的典型降水过程资料,分析了偏振参量的数据质量及系统稳定性,用ΦDP对ZH和ZDR进行了初步的衰减订正,并对订正结果进行了评估.结果 表明,724XSP双偏振雷达初始相位ΦDP(0)随仰角、方位的变化都是较为稳定的,波动较小.分析垂直扫描数据,发现ZDR和CC能较好地反映降...     

双线偏振多普勒天气雷达的双通道一致性

针对同时发射体制双线偏振多普勒天气雷达,介绍其对双通道及双通道一致性的含义,提出了双通道幅度一致性和相位一致性的基本要求,并对影响双通道一致性的因素和关键器件,以及双通道不一致对雷达测量性能(差分反射因子测量误差、差分传播相位测量误差、特定的差分传播相位测量误差)的影响,进行了研究和分析。     

移动X波段双线偏振多普勒天气雷达差分相位数据质量控制

针对移动X波段双线偏振多普勒天气雷达,提出了一套差分相位数据质量控制算法,包括地物杂波抑制、退折叠、初始差分相位调整和滤波等,然后利用2个个例分析了这种差分相位数据质量控制算法的效果。结果表明,该算法能有效地识别和消除差分相位数据中的地物杂波、退掉折叠的相位和滤除正常的随机差分相位波动。     

双线偏振多普勒雷达测量降水

文章介绍了双线偏振多普勒雷达相对于常规多普勒雷达的一些技术特点，常用偏振参数的含义以及这些偏振参数间的联系，偏振参数与降水粒子物理性质和降水强度间的关系，以此来说明可用偏振参数阈值对降水粒子进行分类，进而求取降水率。     

双线偏振多普勒雷达估算降水方法的比较研究

用美国KOUN双线偏振多普勒雷达2003年5～6月观测的两次强对流降水的天气过程资料，研究了从冰雹云降水回波中剔除冰雹回波得到液态降水区域的方法，冰雹回波剔除的结果保证了估测降水量不受冰雹的影响；分析了S波段双线偏振多普勒雷达几种估测降水强度方法的差异，并与地面雨量站资料进行对比，研究了KDP计算方法本身对降水估测的影响。结果表明：在实际的估测降水中，不同降水估测方法得到的结果有较大的差异，利用KDP估测降水的方法不适合小雨阶段的测量。     

X波段双线偏振多普勒雷达共极化差分相移资料的滤波方法研究

为了提高X波段双线偏振多普勒雷达的共极化差分相移Ψ_C质量,利用714XDP-A型车载X波段双线偏振多普勒雷达在北京顺义的探测资料,构造了一个综合滤波方法。将其应用于滤波处理,得到结果:（1）综合小波去噪滤波方法在滤波处理及差分传播相移率K_DP的估算方面相较于中值滤波、综合滑动平均、综合卡尔曼滤波及综合有限脉冲响应（FIR）滤波都是最优秀的,其能较好地保留原始Ψ_C平均趋势及细节特征（偏差基本在±2°可信范围内,部分区域由于对原始Ψ_C细节特征的保留会略有超出）,避免探测误差零值对滤波产生的影响（误差零值订正值回归平均趋势水平,偏差在±2°可信范围内）,对原始Ψ_C距离廓线的平滑程度达到了94%~97%[平滑了超出±1.5° Gate-1（Gate表示雷达距离库）的波动,对±1.5° Gate-1内波动保留];（2）估算的K_DP整体在±5° km-1边界阈值内,避免了探测误差零值、环境噪声和δ对K_DP估算产生的误差影响,K_DP对较强降水指示明显（在回波强度30 dBZ ≤ Z_H < 37 dBZ的层积云降水中K_DP普遍大于0.25° km-1,峰值可达到4.3° km-1;在回波强度30 dBZ ≤ Z_H < 50 dBZ的积雨云降水中K_DP普遍大于0.1° km-1,峰值可达到1.95° km-1）。本文工作对于降水估测和水成物粒子识别有着改善效果,这对雷暴天气预警预报具备重要意义。     

双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用

介绍了双线偏振多普勒天气雷达的基本原理和双偏振参量。阐述了几种较常使用的估测降水强度的算法,并分析了不同算法之间的差异。讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别冰雹区的方法,其中,基于模糊逻辑技术的冰雹识别模式,不仅可以反映出实际的冰雹区位置,而且还可以对其分类。     

线性规划在X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移质量控制中的应用

对X波段双线偏振多普勒天气雷达而言,差分传播相移（φ_DP）数据质量是影响雷达应用的关键因素,需要开展其数据的质量控制。首先利用相关系数（ρ_HV）,差分反射率（Z_DR）纹理和差分传播相移纹理特征信息剔除非气象回波,然后采用一种新的方法——线性规划来开展差分传播相移的数据质量控制。比较分析了雷达原始差分传播相移数据经过3、5、7点不同平滑点数对线性规划结果的影响,分析数据表明不同平滑点数对线性规划结果几乎无影响。将线性规划方法应用到北京组网的X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移数据质量控制上,结果表明,差分传播相移经过线性规划后,可以有效提升其数据质量,表现在:（1）差分传播相移具有累积递增属性和差分传播相移率（K_DP）的非负属性,与差分传播相移和差分传播相移率应该具备的物理属性一致;（2）可以有效剔除因冰雹等大粒子产生的后向差分传播相移（δ）对差分传播相移的影响,提升其计算差分传播相移率的准确度。      

单多普勒雷达径向风同化的改进

基于现有的单多普勒雷达径向速度资料直接同化和间接同化方法,提出了一种改进同化方法,通过引入反演方程组作为观测算子,将分析单元内径向风的空间变化信息作为同化变量。同时,根据模式的分辨率和精度要求调整分析单元大小,从而能够有效地弥补数据稀释化所带来的高分辨率数据遗失问题。相对于直接同化只同化雷达观测径向风,改进方法不仅包含径向风信息,而且包含径向风的空间变化信息;相对于传统的间接同化,改进方法不直接使用强约束求解析风场,避免了将反演风场完全等同于"观测风场",能够较大程度地克服反演误差对同化效果的影响。通过理想实验和观测系统模拟试验表明:改进方法对于传统的直接同化和间接同化具有一定的兼容性,应用灵活,具有积极的改进意义。     

A model for retrieval of dual linear polarization radar fields from model simulation outputs

An algorithm for retrieving polarimetric variables from numerical model fields is developed. By using this technique, radar reflectivity at horizontal polarization~ differential reflectivity, specific differential phase shift and correlation coefficients between the horizontal and vertical polarization signals at zero lag can be derived from rain, snow and hail contents of numerical model outputs. Effects of environmental temperature and the melting process on polarimetric variables are considered in the algorithm. The algorithm is applied to the Advanced Regional Prediction System （ARPS） model simulation results for a hail storm. The spatial distributions of the derived parameters are reasonable when compared with observational knowledge. This work provides a forward model for assimilation of dual linear polarization radar data into a mesoscale model.     

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

本文分析了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 作为衰减订正的一种有效途径,以及由于 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 与差传播相移率 进行衰减订正的 综合法。基于同样的考虑,在随后利用 、 进行降水估测时,提出了 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3.2cm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了一批观测资料,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, 综合法对 、 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日从15:08:03--22:05:46,间隔5-12分钟不等,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, 综合估测法比单因子 法、 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。 关系法中,利用订正后的 值,比利用订正前的 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。     

三维变分和物理初始化方法相结合同化多普勒雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分(3D-Var)同化系统WRF 3D-Var为平台,结合物理初始化方法(Physical Initialization,简称PI)来同化多普勒雷达径向风和回波强度观测资料.其基本做法是首先用物理初始化方法由雷达回波资料估计出比湿、云水混合比和垂直速度,然后用估计的比湿和云水混合比对模式的相应变量进行调整,最后再将估计出的垂直速度作为一种新的观测类型添加到现有的WRF 3D-Var目标函数中,同时以WRF 3D-Var提供的方法直接同化径向风.针对2002年6月19日的一次强对流性降水过程和2003年7月5日的一次梅雨锋暴雨过程进行了一组同化多普勒雷达径向风和回波资料的试验研究.同化结果表明:分析变量的增量场和观测的雷达回波有很好的对应关系.在雷达回波区,有正的比湿增量、云水含量增量和垂直速度增量,并且水平风增量在此辐合;在没有雷达回波的地方有负的垂直速度增量.预报结果表明,调整云水含量对降水预报改善不明显,调整比湿对降水预报改进明显,直接用物理初始化估计出的垂直速度替代模式的初始垂直速度,对降水预报改进不明显,但以新的方案同化雷达资料能有效地缩短模式的起转时间(spin-up time),明显改进短时降水预报.     

多普勒雷达资料对暴雨定量预报的同化对比试验

基于NCEP/NCAR再分析资料和连云港雷达探测资料,利用WRF模式及其三维变分同化V2.1系统,对发生在2008年4月19日连云港地区一次区域性暴雨过程进行了三维变分同化数值模拟对比研究.结果表明,同化了雷达资料后,模式预报效果比单独使用NCEP做初始场效果明显改善,暴雨落区和量值更接近实况.同化了雷达资料后,模式预报的垂直运动区、最大上升区、水汽输送通道和高空涡度分布等更接近强降水区,结构也更精细,说明初始场增加雷达资料后,对初始风场的结构、强度和初始云水分布有实质性的改进,从而提高了对暴雨定量预报的效果.     

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。      

双线偏振雷达资料在数值模式中的应用: 模拟器的构建

基于Rayleigh-Gans散射原理构造一个S波段双线偏振雷达模拟器。模拟器考虑了云冰、雪、雨和雹4种水凝物,以水凝物的混合比和数浓度以及水凝物粒子的轴比、相对介电常数、下落倾角为输入量,计算得到水平/垂直偏振反射率因子、差分反射率、比差分相位等偏振量。通过二维理想飑线模拟的试验结果表明,模拟器合理地再现了二维理想飑线系统成熟期的主要偏振特征:雹的反射率较高,差分反射率较低(又称Zdr洞);对流云区的Zdr柱;层云区的反射率和比差分相位的0℃层亮带特征;雨滴反射率与差分反射率因子的“雨线”统计特征。利用该模拟器建立了模式变量和偏振雷达观测的联系,有助于未来将偏振雷达观测资料应用于模式预报效果评估及对流尺度资料同化等方面的研究和应用。