回波强度测量的误差因素分析及解决方法

回波强度测量误差主要由雷达本身的参数(如发射功率、波束宽度、天线增益、系统损耗等)、气象因子(如折射指数、衰减系数、充塞系数等)、信号处理方法等误差引起.通过对相关雷达参数的相对误差和回波强度绝对误差曲线分析得出,雷达参数天线增益优于0.1 dB、发射峰值功率优于10%、发射频率优于0.1%、脉冲宽度优于1%、波束宽度优于0.01°时,反射率因子测量误差将＜0.8 dBz,可满足新一代天气雷达反射率因子测量误差范围在±1 dB内的技术要求.     

新一代天气雷达回波强度异常分析与处理方法

根据新一代天气雷达回波强度在线定标修正原理,结合新一代天气雷达(CINRAD/要SA和SB)回波强度接收和定标及发射功率在线测量信号流程,对雷达回波强度出现的异常现象进行了详细分类和分析,总结提出了新一代天气雷达回波强度偏强、偏弱、回波面积减少等异常问题的分析思路和处理方法,列举了有效解决雷达回波强度异常故障的案例.结果表明:采用这种方法能提高处理新一代天气雷达回波强度异常故障的时效性和可靠性.     

新一代天气雷达回波强度自动标校技术

回波强度标定技术直接关系到定量测量的准确度,是新一代天气雷达组网定量测量的基础,是提高天气雷达探测精度的重要手段。简要介绍了新一代天气雷达系统的回波强度自动标校技术,并以CINRAD/CC雷达为例,对新一代多普勒天气雷达(CINRAD/CC)自动标校的技术原理作了详细分析,对其在自动标校中采用的DDS(Direct Digital Synthesis)技术以及标校技术的实施方法作了具体的介绍,对其回波强度自动标校的准确度进行了测量,给出了系统自动标校的实际检验结果。结果表明该系统发射参数、接收参数在出现较大变化时,能保证回波强度的测量准确度在1 dB以内。还对影响自动标校准确度的因素作了分析。     

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。     

天气雷达参数变化后反射因子(Z)值的订正方法

雷达常数(C)是由天气雷达本身的参数所决定的。雷达使用一段时间以后,有关参数的变化能够使雷达常数产生波动,造成反射因子(Z)值的变化。当发现天气雷达参数有变化后,台站就必须按照公式重新计算、点绘“距离-Z值图”和“回波强度分档图”。这无疑是很麻烦的。本文介绍一种在天气雷达参数发生变化后,对反射因子(Z)值进行订正的简便方法,供天气雷达台站参考。     

天气雷达间一致性评估算法影响因子分析及改进

基于基数据的雷达间一致性评估的基本方法,分析了雷达高差、地形遮挡、噪声、充塞、时空重叠率、衰减等对一致性评估算法的结果质量的影响,并采取了相应的改进措施：使用雷达的波束遮挡比例数据进行遮挡订正或直接剔除存在遮挡的重叠点;对信噪比较低、充塞不充分及存在异常的重叠点予以剔除;增加了时间、空间重叠率因子,分析了不同阈值时间、空间重叠率对评估结果的影响。改进措施对一致性评估结果中的偏差均值、标准偏差的质量均有了一定的提高。使用改进后的算法对岳阳站雷达系统偏差和苏皖地区雷达回波一致性做了评估。结果表明：岳阳站在维护前后与周边雷达的偏差值有明显的降低,并回到正常水平,标准偏差值也略有降低;苏皖地区雷达间偏差均值大部分在2 dB以内,雷达间偏差均值所组成的矢量三角形闭合度较好,标准偏差在2.9~3.3 dB,相关系数在0.40~0.55。     

哈尔滨强冰雹雷达回波特征

利用哈尔滨新一代天气雷达CINRAD／CC回波资料,对2003年6月18日发生在哈尔滨阿城市、五常县一次强对流天气的冰雹云雷达回波特征进行分析。采用强度场CAPPI资料作VCS和强度场与速度场作对比分析、在RHI径向速度场上对垂直风场的宏观推断等方法分析。发现虚假回波的出现与冰雹云相关,将虚假回波中的旁瓣回波在PPI上体现为“尖端回波”,在RHI上体现为“尖顶回波”和“三体散射”回波,可作为识别冰雹云的判据;另外可根据RHI径向速度场变化宏观推断垂直风切变。得到使用新一代天气雷达探测强冰雹云和识别虚假回波的方法,对0～2小时的冰雹临近预报有指导意义。     

S波段相控阵天气雷达与新一代天气雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短雷达扫描周期,但是由于相控阵雷达其波束宽度的增加以及波束宽度与增益不再是定值而是随着仰角而发生变化,必然在一定程度上牺牲雷达探测分辨率,造成其回波细节的缺失。为了比较该S波段相控阵天气雷达与S波段多普勒天气雷达在探测云反射率因子大小和结构方面的差异,采用双线性插值方法,模拟出空间分辨率很高的降水云团,并模拟相控阵天气雷达和S波段新一代天气雷达的波束特性对其进行扫描,通过模拟扫描得到的反射率回波,分析了对同一降水云团、相同距离位置,相控阵天气雷达与S波段常规多普勒天气雷达回波在水平方向和垂直方向的差异,结果表明:相控阵雷达对回波水平方向上和垂直方向上的平滑作用在一定程度上改变了回波的结构,减弱了回波的中心强度,使一些小的强回波中心消失。相对于S波段多普勒天气雷达,减少了极弱回波与强回波的面积,增加了中间强度回波的面积。探索了模拟分析相控阵天气雷达与多普勒天气雷达数据的方法,为相控阵天气雷达的定标和定量测量提供了理论参考。     

强对流天气雷达回波强度相关性对比分析

为了提高山区复杂地形条件下局地强对流天气监测预警能力,有效减小天气雷达之间对降水目标物回波的测量误差,选取贵阳、毕节、遵义三部多普勒天气雷达同步观测体扫资料,以贵阳多普勒天气雷达站为基准,对比分析了强对流天气的雷达回波强度的变化特征。初步分析结果表明:贵阳与遵义、毕节雷达之间观测的回波强度具有一致性的波动特征,且存在较大的相关性;贵阳雷达观测的回波强度总体低于毕节、遵义雷达观测数据结果;两部雷达之间回波强度差异主要是由云和降水对雷达波的衰减所产生。     

CINRAD/SC新一代天气雷达回波地物检测与校正方法探讨

文章提出了一种基于CINRAD/SC新一代天气雷达地物回波强度和速度数据的质量检测方法。通过采集天气雷达按统一的参数进行标定后的晴空标准地物回波强度作为模版,与实时采集的回波强度进行比较和误差分析,以及通过移相来自动检测速度数据理论值和实测值的误差大小,对回波强度数据和速度数据质量进行检测和校正,以此来实现对天气雷达探测精度的提高。     

基于单站CAPPI格点数据的相邻天气雷达均一性评估系统研究

基于经过严格质量控制后的单站CAPPI格点数据,对相邻天气雷达观测重叠区域内等距离线上的回波强度一致性状况进行研究,根据雷达不同探测距离、不同海拔高度、不同降水强度等因素编制相邻雷达自动配对程序和等高面自动选择程序,建立了相邻天气雷达均一性算法。制定了适合我国天气雷达回波观测差异特征的均一性评估的3类标准(可信、可疑和疑误),并给出了评估标准的满足条件,从而建立了全国天气雷达均一性实时评估系统。从评估效果来看,均一性评估系统能够实时高效检测出全国不同波段、不同型号以及不同省份相邻雷达之间的回波一致性状况,并给出评估结果;对浙江、福建、广东3省雷达一次降水过程的均一性评估,发现参与评估的27部S波段雷达整体可信率为85.19%,可疑率为11.11%,疑误率为3.7%,成功检测出雷达回波强度偏低、波束阻挡以及电磁干扰等问题;对临沂站雷达回波均一性分析,评估系统能及时报警,检测出该站雷达回波位置指向存在偏差,天线方位顺时针偏移16.88°,缩短了故障发现时间。     

基于功率谱的风廓线雷达回波强度定标方法

风廓线雷达已在我国得到大范围的业务布网应用,现有业务产品主要为风场信息。为了充分发挥风廓线雷达的作用,获取更多的天气过程信息,该文提出仅使用风廓线雷达返回信号功率谱进行数据定标（DCNP）的方法。使用雷达系统噪声功率对返回信号功率谱单位幅度进行标校计算,基于标校后的雷达探测功率谱分布数据计算回波强度功率谱密度分布、回波强度、大气折射率结构常数。利用2017年北京风廓线雷达、2016年南京风廓线雷达和2018年梅州风廓线雷达观测数据,对我国业务运行的3种主要型号风廓线雷达进行算法评估试验。定标方法的计算结果稳定,风廓线雷达不同探测模式之间的一致性较好。使用每个测站定标结果与相邻天气雷达数据进行比较,风廓线雷达回波强度定标结果与天气雷达也有较好的一致性。DCNP方法与基于信噪比（SNR）的强度计算方法进行比较,与SNR方法相比,DCNP方法定标结果更加稳定可靠。     

风廓线雷达回波信号强度定标方法

风廓线雷达返回信号功率定标通常通过返回信号信噪比和系统噪声功率的估算得到。该方法存在着噪声电平的确定、外部噪声等不确定性因素,影响了定标的精度。采用信号源分别对接收机和信号处理器进行定量测试,进而对雷达系统进行定标,是另一种可行的办法,该文利用这种方法对CFL-03风廓线雷达进行了定标,并利用该雷达在东莞2009年7月和8月探测资料与广州S波段天气雷达和地面雨量计资料进行比较。结果表明:用该定标方法得到的回波强度与天气雷达回波强度和地面雨量计资料估算的回波强度基本一致,平均标准差在1 dB左右,表明这种定标方法是可行的。     

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。     

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

天气雷达回波区域拼图实现方法

针对目前天气雷达存在型号繁多、开机时间不定等问题，提出天气雷达回波图像功率、时间、空间的归一处理方法，将不同雷达的回波图像归一化，为拼图提供统一的数据源，利用重叠区域回波技术构成组网雷达回波图像，采用球面投影技术，得到较为理想的天气雷达区域回波图。     

多普勒天气雷达组网拼图有效数据区域分析

在正常情况下, 由于天线仰角和地球曲率原因, 雷达波束位置在远距离处要比近距离处高。当雷达电磁波能量被部分阻挡时, 回波强度观测值低估; 被完全挡住时, 探测不到地物后的目标。该文利用高分辨率地形高程数据计算波束阻挡率, 确定组网拼图有效数据区域以及波束部分阻挡时的回波强度订正方法。根据业务观测模式VCP11及VCP12的14个仰角值, 在标准大气假定下, 对湖南、江西、浙江、福建、广东、广西和海南已建多普勒天气雷达组网的数据有效区域进行计算, 绘制出海拔1500 m, 3000 m和6000 m高度上有效区域图。分析结果表明:CAPPI数据有效范围比等射束高度图更能反映出多普勒天气雷达业务观测范围; 若采用VCP12模式观测, 与采用VCP11或VCP21模式观测相比, 不仅增加低层探测密度, 而且可扩大雷达实际探测距离, 其回波数据更适合于组网拼图。     

CINRAD/SA雷达标定技术研究

从雷达数据质量需求出发,在4个方面对CINRAD/SA标定技术进行了研究。1结合雷达回波强度定标原理,分析了目前回波强度定标过程中存在的问题,在此基础上详细制定了回波强度定标测试方法、操作步骤和技术要求,实现了SA雷达回波强度定标方法和操作流程的规范化、标准化,从而消除将人为因素或测试原因引入雷达系统造成定标误差。2对全省雷达波导长度进行实际测量,并修正了各雷达发射支路馈线损耗出厂测试数据;研制了能注入微波信号的专用测试波导,实现台站准确测量出SA雷达收、发支路馈线的实际损耗数值,应用于雷达回波强度定标中。3将太阳作为微波信号源,根据发布的太阳能流密度等数据,结合实际测量接收到的太阳射电功率,来检验全链路雷达接收系统回波强度。4取相邻雷达等距离线(中点)的低仰角同步观测反射率因子数据,开展两部雷达、多部雷达对比观测检验等。从而提高了回波强度定标的客观性和一致性,更好地为组网雷达提供一致性的雷达数据。     

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。