深圳多普勒天气雷达数据合成系统的实现

介绍实时合成广州、深圳雷达基数据的业务系统的体系结构与实现等.该系统通过建立多普勒雷达基数据合成算法,较好地解决了深圳雷达的探测遮挡问题,在现实中取得了较好的使用效果.     

雷达径向风资料的四维变分同化试验

在MM5四维变分同化系统(MM5 4D-Var)的基础上开发出雷达径向风资料的同化模块,利用改进后的同化系统对2002年7月22日湖北宜昌多普勒雷达的径向风观测资料进行四维变分同化试验,分析雷达径向风资料的同化对中尺度数值模式初始场的调整以及对中尺度强降水模拟的影响.研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了中尺度对流系统低层100km左右范围内的风场辐合.调整后的风场具有更明显的β中尺度特征.利用14 min的雷达径向风资料可以改进3 h之内的强降水模拟,尤其是对雷达站东南侧强降水的模拟.     

雷达径向风观测在华北区域数值预报系统中的实时三维变分同化应用试验

以实现业务应用为目标开展了区域多部雷达径向风观测资料的三维变分直接同化应用研究。重点对背景场误差协方差的方差和尺度因子进行调整,形成能够与其他常规观测资料协同同化的雷达径向风同化方案,并建立了京津冀6部多普勒雷达观测资料的实时预处理系统。基于上述工作开展2011年汛期京津冀多普勒雷达径向风观测资料在华北区域快速更新循环同化和预报系统中的实时同化和对比试验,并对应用效果进行了初步评估。实时同化试验期间京津冀地区6部雷达经过质量控制后的径向风数据质量和同化情况的分析结果表明,同化系统有效地吸收了雷达径向风的观测信息并形成合理的分析增量,其中,S波段雷达观测的径向风数据数量、质量和稳定度均明显优于C波段雷达;整体来看,雷达径向风同化对地面和高空要素预报性能的影响基本为中性,且主要影响时段集中在最初的6 h。但降水预报评分结果表明,雷达径向风同化从降水强度、落区和范围等方面均明显提升了系统对对流尺度降水的短时预报性能。同时也应该看到,受制于目前3 h一次的同化更新频率,雷达资料同化的效果往往到对流临近时次才能体现。     

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.     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

GRAPES_3Dvar中雷达径向风同化改进观测算子的应用

在GRAPES_3Dvar系统中添加雷达径向风预处理模块以及雷达径向风同化模块(包含传统观测算子与改进算子)。对GRAPES_3Dvar系统中雷达同化算子进行正确性检验后,利用该系统对2014年6月6日03时(UTC)北京南郊多普勒雷达径向风资料进行同化试验,分析不同观测算子对于初始场以及降水模拟的影响。研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了对流系统低层中小尺度辐合辐散信息,同时综合分析风场的径向分量与切向分量,改进算子对于初始场的调整效果优于传统观测算子。对比分析累计降水模拟,采用改进算子的结果在能够准确模拟出降水雨带的位置和量级的同时极大程度地抑制了虚假降水的范围,降水评分也较好地验证了改进观测算子的优越性。     

基于线性规划方法处理C波段双线偏振多普勒天气雷达差分相位φ_C数据

高质量的差分相位数据能够有效地提高雷达识别粒子、估测降水的能力。本研究针对南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP),提出一套差分相位φ_C数据的质量控制算法。其中将雷达观测到的差分相位φ_C分为5个部分:差分传播相位φ_(DP)、后向散射差分相位δ、非降水回波的波动ε_(NP)、系统误差ε_S以及电磁波信号的随机扰动ε_R。在线性规划方法的基础上,采用模糊逻辑法、小波分析法与迭代滤波法分别将差分相位φ_C数据中的ε_(NP)、ε_R和δ剔除,然后依据滤波后的数据,将各径向中第一个降水回波的值作为该径向的系统误差ε_S。结果表明,该算法能够有效地平滑由非降水回波引起的大振幅波动以及因电磁波信号造成的小振幅扰动,且可以剔除差分相位φ_C数据中存在的δ。此外,处理后的数据满足随径向距离递增的条件。     

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。     

多普勒雷达径向速度退模糊的初步研究

基于雷达变分同化系统(Variational Doppler Radar Analysis System,VDRAS)中雷达速度退模糊方案的思想,建立了一个雷达径向速度退模糊的方案,用于我国多普勒雷达径向速度资料的质量控制,并对方案的质量控制效果进行了检验.该方案的优点是使用模式分析场得到的参考风在每个格点独立地进行退模糊,避免了径向速度大片区域被错误地退模糊,提高了准确度.方案主要包括三步:水平梯度检验、全局退模糊和局部退模糊.利用国家气象中心全球与区域一体化的同化与数值预报系统(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,GRAPES)快速更新循环(Rapid Update Cycle,RUC)系统提供的3h间隔的分析场资料对多个时次的雷达资料进行退模糊试验.结果表明,该方案能够有效地对模糊速度进行订正,剔除异常资料点,提高可直接用于变分同化的雷达径向风资料的质量,适合业务应用,为我国多普勒雷达资料的质量控制提供了一种新的有效方案.     

二维多路多普勒雷达风场自动退模糊算法应用研究

本文选取Zhang Jian的二维多路自动退模糊算法做雷达径向速度退模糊应用研究,并做适当改进.它首先通过在一个仰角扫描数据中搜寻速度线附近的弱风区来确定初始参考点集,并对弱风区内三条邻近的径线进行连续性检测和模糊订正,然后从顺时针和逆时针两个方向进行两轮二维退模糊处理.改进后,在第一轮和第二轮二维退模糊过程中,先不在切向上对可疑模糊点进行订正,而是根据空间连续性原则,在切向上确定更多的非模糊点作为参考速度,然后在从径向上进行退模糊处理,这样可以有效避免了在真实的切变(辐合)区造成不恰当的模糊订正.对台风、龙卷、飑线等系统中的速度模糊订正试验结果表明,该算法退模糊的准确率高,在雷达观测资料无效点较多的情况下,该技术退模糊效果比WSR-98D更优,更加有利于实际业务运行和科研分析.     

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

C波段雷达在新疆区域数值预报系统中的应用初探

基于新疆区域数值预报系统（Desert Oasis Gobi Rapid Analysis Forecast System,下称DOGRAFS）,开展了同化C波段雷达资料对2010年10月6日发生在新疆的一次强降水过程预报结果影响的试验分析。其中设计包括不同化任何资料、同化常规资料、同化雷达反射率因子、同化雷达径向风、同时同化反射率因子和径向风五组试验,重点分析了雷达资料同化对此次天气过程降水、温度以及风速模拟效果的影响。结果表明：（1）同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子相对于其他三组试验,对降水预报的TS和ETs评分更高;（2）相对于其他三组试验,同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子对模式垂直方向上的温度、风速预报偏差具有一定的改善效果;（3）对于地面2 m温度和10 m风速而言,同化常规观测资料比其他四组试验预报的平均偏差和均方根误差更小;其它四组试验误差相当,差别不明显,表明同化雷达对近地面层温度和风的影响不明显。本研究旨在探索C波段雷达观测资料在新疆区域数值预报系统中的适用性,为今后雷达观测资料在业务系统中的应用提供参考。     

雷达资料同化对2016年6月23日阜宁龙卷模拟的改进

基于GSI（Community Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统和WRF（Weather Research and Forecasting）模式,探讨了多部多普勒雷达的反射率因子和径向速度资料同化对2016年6月23日江苏阜宁龙卷模拟的改进效果和影响过程。结果表明:（1）仅同化雷达反射率因子和仅同化径向速度均能在一定程度上改进模式对阜宁龙卷及其环境场的模拟,且雷达径向速度同化的改进作用更大;同时同化两种资料改进效果最佳。（2）雷达反射率因子同化是利用复杂云分析技术,直接修正了水凝物含量,增加了潜热释放,对低层大气热力场进行了正温度扰动调整,从而主要改进了初始场的水汽条件和热力条件;而雷达径向速度同化通过三维变分技术直接修正了风场,进而引起水汽输送变化影响水凝物的调整和大气热力场的变化,对初始场的动力条件和热力条件修正较大;同时同化两种资料修正了初始场的动力和热力结构,保证了两者物理上的协调,综合了两者的改进作用,从而取得最佳模拟效果。（3）同时同化雷达反射率因子和径向速度后,模式在阜宁附近模拟出了明显的涡旋结构,尽管涡旋强度和龙卷结构与实况仍有一定差距,但涡旋发生发展过程、路径、地面小时极大风和降水等模拟与实况吻合度均明显高于对照试验。      

基于变分技术的天气雷达速度退模糊算法的改进研究

为有效地识别和提取多普勒天气雷达风场信息,对Gao和Droegemeier提出的基于变分技术的多普勒雷达径向速度数据退模糊方法进行了改进。原方法中将背景风场、方位和径向速度距离梯度信息同时作为约束条件,对Nyquist数进行校正。但是该方法在迭代过程中使用了大量的数值分析和偏微分方程计算,造成径向速度场过度平滑和数据失真。针对这个问题,改进算法在得到径向速度分析场后,结合原始径向速度观测场,通过图像变化检测法,自动识别存在速度模糊的区域及计算需要校正的Nyquist数,对观测场的模糊区域进行校正。利用强对流天气和台风过程的雷达体扫数据验证了改进算法的可行性,并与原始算法及业务应用的WSR-88D算法对比。结果表明:改进算法有效地解决了原始算法中的不足,恢复真实的风场结构和分布特征,改善了退速度模糊的质量,从而得到更为合理的径向速度观测场;并且该算法退模糊效果优于WSR-88D算法,有助于为科研和业务应用服务。     

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。     

多普勒天气雷达资料同化对江淮暴雨模拟的影响

利用GSI同化系统 (Gridpoint Statistical Interpolation System) 对我国多普勒天气雷达资料进行直接循环同化分析,并采用WRF-ARW 3.5.1中尺度模式对2013年我国夏季江淮流域典型暴雨过程进行模拟试验。结果表明:经过质量控制的雷达径向风、反射率因子资料经GSI同化系统同化后,可形成合理的分析增量。仅同化径向风,模拟的风场与实况更接近,模拟的降雨落区与观测雨带位置更加接近。仅同化反射率因子,对水平风场的直接调整比较小,通过水凝物含量调整,对水平和垂直风场进行调整,对降水的落区影响较小,主要影响模拟的降水强度。同时同化两种资料,能更好地反映风场特征,并改善强降水的落区和强度的模拟。模拟改善最明显是在积分12~36 h时段内,该时段有效雷达资料量较多,表明同化雷达资料对暴雨模拟确实具有正效果。     

A Ka-band Solid-state Transmitter Cloud Radar and Data Merging Algorithm for Its Measurements

This study concerns a Ka-band solid-state transmitter cloud radar, made in China, which can operate in three different work modes, with different pulse widths, and coherent and incoherent integration numbers, to meet the requirements for cloud remote sensing over the Tibetan Plateau. Specifically, the design of the three operational modes of the radar(i.e., boundary mode M1, cirrus mode M2, and precipitation mode M3) is introduced. Also, a cloud radar data merging algorithm for the three modes is proposed. Using one month's continuous measurements during summertime at Naqu on the Tibetan Plateau,we analyzed the consistency between the cloud radar measurements of the three modes. The number of occurrences of radar detections of hydrometeors and the percentage contributions of the different modes' data to the merged data were estimated.The performance of the merging algorithm was evaluated. The results indicated that the minimum detectable reflectivity for each mode was consistent with theoretical results. Merged data provided measurements with a minimum reflectivity of -35 dBZ at the height of 5 km, and obtained information above the height of 0.2 km. Measurements of radial velocity by the three operational modes agreed very well, and systematic errors in measurements of reflectivity were less than 2 dB. However,large discrepancies existed in the measurements of the linear depolarization ratio taken from the different operational modes.The percentage of radar detections of hydrometeors in mid- and high-level clouds increased by 60% through application of pulse compression techniques. In conclusion, the merged data are appropriate for cloud and precipitation studies over the Tibetan Plateau.     

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

Ground-Based Radar Reflectivity Mosaic of Mei-yu Precipitation Systems over the Yangtze River–Huaihe River Basins

The 3D radar reflectivity produced by a mosaic software system, with measurements from 29 operational weather radars in the Yangtze River–Huaihe River Basins(YRHRB) during the mei-yu season of 2007, is compared to coincident TRMM PR observations in order to evaluate the value of the ground-based radar reflectivity mosaic in characterizing the 3D structures of mei-yu precipitation. Results show reasonable agreement in the composite radar reflectivity between the two datasets,with a correlation coefficient of 0.8 and a mean bias of -1 dB. The radar mosaic data at constant altitudes are reasonably consistent with the TRMM PR observations in the height range of 2–5 km, revealing essentially the same spatial distribution of radar echo and nearly identical histograms of reflectivity. However, at altitudes above 5 km, the mosaic data overestimate reflectivity and have slower decreasing rates with height compared to the TRMM PR observations. The areas of convective and stratiform precipitation, based on the mosaic reflectivity distribution at 3-km altitude, are highly correlated with the corresponding regions in the TRMM products, with correlation coefficients of 0.92 and 0.97 and mean relative differences of -7.9% and -2.5%, respectively. Finally, the usefulness of the mosaic reflectivity at 3-km altitude at 6-min intervals is illustrated using a mesoscale convective system that occurred over the YRHRB.