C波段多普勒雷达双PRF模式速度混淆区识别和处理方法研究

中国C波段新一代天气雷达在双PRF工作模式下经常在正(负)速度区出现负(正)速度杂点的情况,严重影响了雷达资料的使用.为了提升雷达径向速度资料的质量,提出了一种对C波段新一代天气雷达在双PRF工作模式下径向速度正负速度混淆区(速度混淆区,下同)的识别和处理方法,并以CINRAD/CC雷达资料为例,分析了识别和处理方法的效果.利用哈尔滨和牡丹江雷达2010年夏季部分时段观测资料进行验证.结果表明,速度混淆区内径向速度值的跳动幅度约为雷达双PRF模式最大不模糊速度值.利用径向速度资料中各点与周围8点径向速度平均差值的分布规律和区域内正、负速度平均值的差值规律,能够正确识别速度混淆区,速度模糊区边界能够得到保留;以速度混淆区各点为中心,通过统计各点邻域内非速度混淆点的正、负速度点个数占非速度混淆点总数的比例,再将最大比例对应的径向速度算术平均值作为该点的径向速度替代值,能够消除并修正原始资料中的速度混淆区;对比原始资料,处理后资料中的速度混淆区被消除,资料质量得到提高.     

基于X波段双偏振天气雷达的SPRF与DPRF退速度模糊技术的对比分析

在介绍双重脉冲重复频率(DPRF)和参差脉冲重复频率(SPRF)两种退速度模糊方法原理基础上,设计了基于X波段双偏振多普勒天气雷达系统的体积扫描模式(VCP-PRF),在该扫描模式下同一仰角依次使用DPRF和SPRF方法进行观测试验。通过对比分析2个个例的观测数据,得出在k=2/3情况下,2个方法得到的最大不模糊速度都可以有1倍的提高;基于径向速度局地偏差值分析总结出2个个例的速度数据错误特征,由此订正非速度模糊区域的离散奇异值。对比订正前后的径向速度数据,SPRF方法比DPRF方法能更好抑制离散奇异值带来的污染,说明SPRF方法的径向速度数据质量优于DPRF模式的。     

一种抗噪声的天气雷达速度退模糊新算法

径向速度模糊是影响多普勒天气雷达资料质量的一个重要因素。针对模糊的问题,提出了一种抗噪声的速度退模糊新算法:基于速度场的空间连续性,采用无损的连续噪声抑制方案,由噪声分离、曲线拟合退模糊和噪声恢复3个步骤组成。用CINRAD-SA雷达4站3a的全部模糊数据(>40000个体扫文件)进行验证,结果表明:(1)抗噪声的速度退模糊新算法明显优于WSR-88D退模糊算法,正确率比其高30%;(2)以体扫文件为单位的退模糊正确率为89.4%,其中,台风、强对流和弱对流的退模糊正确率达92.9%。     

二维多途径退速度模糊算法的应用及效果研究

径向速度的模糊问题是制约新一代天气雷达径向速度资料应用的关键问题.本文将美国强风暴实验室Zhang Jian 提出的二维多途径退速度模糊方法应用到我国新一代天气雷达(SA、CB)观测的台风以及强对流风暴天气过程的资料质量控制中,进行了退模糊试验,详细分析了新算法的特点,并提出了数据预处理的方法.个例资料的分析表明:该算法不仅能处理连续性风场的速度模糊,也能处理存在大量数据缺失以及距离折叠的不连续性风场的径向速度模糊,但对于孤立回波的速度模糊的处理,也会出现问题.同时,在个例研究中发现,地物回波对于退速度模糊效果也有一定的影响.     

新一代天气雷达径向速度质量分析

径向速度的模糊问题是制约新一代天气雷达径向速度资料应用的关键问题,且影响制约速度退模糊效果好坏的因素比较多。利用上海站和舟山站雷达资料,分析WSR-88D天气雷达和国内新一代天气雷达(SA、SB)径向速度资料质量上的差异,同时利用南京站、广州站及承德站雷达资料,详细说明信噪比对新一代天气雷达(SA、CB)径向速度质量的影响。从理论分析和个例资料的分析中发现:SA(SB)雷达相对于WSR-88D雷达而言,径向速度值跳跃性较大;同时,信噪比与径向速度质量及速度模糊之间存在一定的关系,信噪比越大,径向速度差值相对越小,则径向速度跳跃性较小,径向速度资料质量相对较好,发生速度模糊的可能性就越小;反之,信噪比越小,径向速度差值相对越大,则径向速度跳跃性较大,径向速度资料质量相对较差,发生速度模糊的可能性就越大。     

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。     

2005年7月13—14日强对流天气雷达回波特征分析

利用新一代天气雷达（CINRAD／CC）对2005年7月13日镇赉县宝山村出现的冰雹、雷雨大风及7月14日镇赉本站出现的暴雨观测资料进行分析，从而得出了不同类型的强对流天气的雷达回波特征。分析表明，冰雹、雷雨大风回波高度高，可达12km，暴雨过程回波高度仅9km；冰雹、雷雨大风这类强对流天气的雷达回波移动速度快，而局地暴雨的雷达回波移动速度缓慢。通过对多普勒径向速度图的分析，可以得出冰雹、雷雨大风与暴雨的动力结构有着明显差异。     

一种自动多普勒雷达速度退模糊算法研究

提出了一种能解决孤立风暴、高切变和强台风等情况下速度模糊问题的自动多普勒雷达速度退模糊算法。该算法首先通过搜索最弱风区,第一次确定的最多两组初始参考径向和参考速度库,其中使用了相邻仰角初始参考径向应具有方位连续性的约束条件,剔除假零速度线引起的不恰当备用初始径向;然后从初始参考径向和参考速度库开始,对其周围邻近的速度库进行连续性检查,如果当前库的径向速度与参考速度的差值大于给定阈值就对其进行纠正;完成两次全方位径向退模糊处理后,算法进行径向和方位方向的强风切变检查,如果还有强风切变存在,那么通过搜索弱风切变区中有效速度库最多的径向,第二次确定一组退模糊的初始参考径向和参考速度库,再重复前面的退模糊过程,这有利于远离雷达的孤立风暴的速度退模糊。在多次退模糊过程中,判断速度模糊的标准由紧到松,切变阈值由小到大,以确保用于后面退模糊处理的参考速度的可靠性。利用我国S波段多普勒天气雷达观测的龙卷、飑线、孤立强风暴及台风等事件的1 000多个体扫资料对该算法进行了测试和评估,结果表明,速度退模糊准确率>99.5%。对于孤立风暴、高切变及强台风等复杂情况下的速度退模糊来说,新算法要优于我国新一代天气雷达业务退模糊方案。     

河北暴雨的多普勒天气雷达径向速度特征

利用2004—2011年29次暴雨过程的多普勒天气雷达资料和常规天气资料,分类总结了河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征。发现形成河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征有5类:β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合、高空急流和深厚持久的低空急流。深厚持久的低空急流是大范围暴雨的主要速度特征之一。高空急流是大范围暴雨和区域暴雨共有的速度特征。β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合是大范围暴雨、区域暴雨和局地暴雨共有的速度特征和主要的中小尺度影响系统。列车效应是造成局地暴雨、大暴雨的关键原因。     

OIQC技术在雷达反演VAD廓线资料退模糊中的应用研究

多普勒天气雷达在强风速天气条件下经常出现的速度模糊误差,严重限制了风场信息的广泛应用,如反演VAD廓线等。本文将最优插值客观分析质量控制技术(OIQC),应用于雷达反演VAD廓线资料中速度模糊的质量控制。对用于反演VAD风廓线的那些格点圈层上的资料,以简化的多变量统计插值技术(Cressman插值),为被检查的资料提供一个对比分析的参考值,从而确定折叠次数,修正模糊速度。根据多普勒雷达径向速度资料的特点,水平方向采用非各向同性的单变量背景场误差协方差函数,垂直方向协方差函数取为高斯型。修正模糊速度后运用VAD技术得到水平风的垂直廓线。对强龙卷天气过程的数值试验结果表明,OIQC技术应用于雷达资料质量控制,无需引入外界风场,有能力修正模糊速度。结合VAD方法,可以从存在严重折叠的雷达资料中反演出较为准确的风廓线。     

一次大到暴雪天气的多普勒雷达产品综合分析

利用常规资料和大同多普勒雷达产品,对2009年11月9日一10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒天气雷达径向速度PPI图像识别技术,定性分析此次降雪的冷暖平流与大尺度辐合辐散运动叠加的图像特征和由零线的朝向和正负速度面积、径向速度值的大小判断风向风速辐合辐散的图像特征,与根据零速度线的弯曲程度以及一定距离圈上零速度点与雷达中心连线的夹角推导出的定量计算大气辐合辐散值的算法计算出的大气平均散度值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每半小时的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

多普勒雷达产品在两次人工增雨中的对比分析

对两次人工增雨作业时段局地天气变化在多普勒雷达资料中的反映进行对比分析，初步探讨垂直液态含水量、风廓线及相对径向速度在作业前后的变化以及其对整体天气系统的指示作用，并就此得出一些使用新一代天气雷达产品的结论。     

多普勒天气雷达地物回波识别算法改进

针对现有的地物回波识别算法在"新一代天气雷达建设业务软件系统开发及应用(ROSE)"前期评估中存在的地物回波漏判和气象回波误判问题,提出了地物回波识别改进算法。新算法在地物回波识别前对径向速度和速度谱宽资料作了处理,改善了因采用双PRF技术造成的径向速度资料质量下降对地物回波识别的影响,并增加了回波强度与径向速度处理阈值、回波强度垂直梯度参数,调整了回波强度沿径向的库间变化的判定阈值,减小了对气象回波的误判。利用SA、SB和CB雷达共432个地物与降水回波体扫资料进行数据统计和典型个例分析,对比算法改进前后的识别效果,结果表明:径向速度处理改善了径向速度资料质量,使地物回波的平均径向速度接近于零,将地物回波识别命中率提高了6.25%;阈值的设定和特征参数的改进,改善了对气象回波的误判,虚警率降低了1%~2%。     

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.     

北京短时局地暴雨多普勒天气雷达观测分析

中小尺度天气系统造成的短时局地暴雨的临近预报目前仍是预报中的难点,也是2008年奥运会提供精细化预报需要进一步研究的问题。了解不同云系的结构及雷达回波的特征,还可以为人工增雨制定最佳作业方案,选择最佳作业时机。用每小时的地面自动站雨量资料结合北京市气象台的多普勒天气雷达资料,查找出造成北京2004年夏季(6~8月)的短时局地暴雨天气的雷达回波单体。对多普勒雷达回波资料分析表明:在多普勒径向速度图上“辐合点”、“中气旋”的图像特征出现有利于局地暴雨发生,并提前于暴雨。对突发性局地暴雨的临近预报有一定的指示意义。     

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年 11月9-10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年11月9—10日发生在大同地区的暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点。利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有较好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理的雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪风场的垂直结构及其变化,直观地反映降水过程中的风场变化特征。     

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。     

北京局地暴雨过程中近地层辐合线的形成与作用

由近地面层辐合线（切变线）引发的局地暴雨是北京夏季一种较为常见的天气类型。利用常规气象资料、数值预报产品难以分析预报出引发局地暴雨的中小尺度系统、进而不能正确把握降雨出现的时间、落区和量值的大小。本文利用北京S波段多普勒天气雷达（CINRAD-SA）监测资料、风廓线仪、微波辐射计等新型探测资料,以及北京加密自动站观测资...     

贵阳市3.28经典超级单体雷达资料分析

应用天气图、数值预报、单站铅直能量廓线图资料,重点应用贵阳新一代多普勒雷达产品资料,着重分析超级单体在多普勒雷达径向速度场和回波强度图上的特征.指出在有利的潜在性不稳定条件下,南支槽过境引起地面辐合线锋生,造成局地小尺度冰雹天气过程.