偏振雷达在人工影响天气工作中的应用潜力

在人工影响天气作业时，实时了解被作业云中的水成物粒子大小、相态、密谋、运动等参数及其微物理变化过程是非常重要的。这些微观参量和微物理过程揭示了云降水发展的不同阶段，对于及时正确地评估云增水及消雹潜力，确定是否适合人工影响作业以及如何正确选择作业时机、作业部位和作业量，与了解云的宏观特征一样是至关重要的，它是提高作业效率的基础。本文借助国内外偏振雷达应用研究中成功的范例，探讨了偏振雷达在人工影响天气方面的应用问题。特别是介绍了不同偏振雷达在识别云内水成物粒子的相态、密度，观测云内水成物粒子微物理变化过程，以及被作业云的作业效果评估等方面的方法。这些方法对于发展我国偏振雷达技术，促进偏振雷达在人工影响天气方面的应用和提高我国人工影响天气工作水平方面有很好的参考与借鉴作用。     

碘化银播撒对云和降水影响的中尺度数值模拟研究

通过在WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度天气数值模式中引入碘化银与云相互作用过程, 建立了中尺度播撒碘化银数值模式。研究了碘化银播撒对于中尺度对流天气过程中云和降水的影响, 研究了不同播撒部位、 播撒时间和播撒剂量情况下碘化银的扩散、 传输及其对云中水成物和降水量的影响。研究结果表明, 碘化银在云中的扩散传输过程与播撒的位置有很大关系, 在最大上升气流区播撒的碘化银能随着气流更快地扩散到云体上部过冷水含量丰富的区域, 播撒在云上层入流区和云下层入流区的碘化银扩散到云中过冷水区需要时间更长, 同时有大部分停留在云体边缘。碘化银能与云中过冷水相互作用, 消耗过冷水使云中冰晶数浓度明显增加, 从而使霰粒子转化减少, 过冷水更多地转化为雪粒子, 过冷水凝结释放出潜热使上升气流增强, 促进了对流发展。由于雨水含量的增加, 地面降水也出现增加。碘化银播撒率对地面降水量影响很大, 当播撒率为0.6 g/s时, 播撒对降水的影响时间超过4小时, 增雨的效果更好。播撒率为0.1 g/s时增雨效果不明显, 当播撒率为1.2 g/s 时, 对总降水可能出现抑止作用。对比碘化银播撒率为0.6 g/s时12小时地面增雨量, 在云上层入流区播撒碘化银试验中, 地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%, 最大上升气流区播撒试验增雨效果最好, 地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。     

液滴催化暖云降水的最佳播撒技术

用液滴催化暖云降水，达到“以小得大”的降水目的，结果指出：液滴催化暖云降水的最佳播撒高度和最佳播撒效率受到云中垂直气流速度（ｗ），云含水量（Ｑ），云滴半径（ｒ）和云层厚度（△Ｈ）的制约。     

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。     

双线偏振雷达的扇形扫描技术

双线偏振数字化天气雷达增加了扇形扫描功能技术后，不仅满足了双线偏振雷达应用研究的需要，而且对普通数字化天气雷达的天线运行方式设计也有一定的参考价值。     

X波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究

第二次青藏高原综合科学考察研究项目在墨脱布设了一部X波段相控阵偏振雷达（X-PAR）,实现了首次对河谷地区云降水的雷达连续观测。为了揭示高原东南河谷地区云降水的宏观特征,本文利用墨脱X-PAR2019年11月至2020年10月的观测数据定量分析了墨脱地区云降水回波强度、回波顶高等参数的月变化、日变化和高度变化,并与那曲地区夏季季风时期多普勒雷达观测数据进行了比较。研究发现：（1）墨脱地区回波顶高、面积、强回波所占比例以及回波分布范围在4～10月大于11～3月,4～10月降水频次高、对流性降水多,其中以6月最为显著。而进入4月后弱回波数量的大幅度增加导致了4～10月回波强度小于11～3月。降水回波月变化特征结合高原季风指数,将一年分为旱季（11～3月）与雨季（4～10月）。（2）雨季降水回波频次、顶高、面积均大于旱季,说明雨季降水频次更高、对流性活动更旺盛。降水回波频次、顶高、面积的日变化表明,旱季日降水主要发生在下午与上半夜,雨季主要发生在下半夜。（3）墨脱降水回波强度大部分小于30 dBZ,旱季在海拔高度3 km以上回波发生频次高,雨季在3 km以下高。（4）夏季季风期间墨脱回波顶高...     

双线偏振雷达探测的云和地物回波的特性及其识别方法

双线偏振雷达在定量测量降雨量的过程中，经常受到地物回波的干扰和影响。研究云和地物回波的反射率因子ＺＨ、差反射率因子ＺＤＲ的取值大小及两者的关系、空间变化梯度的结果表明：云的ＺＤＲ大于零，且有明显的随ＺＤＲ大于零、且有明显的随ＺＨ增加而增大的趋势，这反映了在强降雨回波中大粒子占的比例较大；而地物回波的ＺＨ和ＺＤＲ无明显变化规律，ＺＤＲ可正可负；云回波的空间变化率也明显小于地物回波。     

双线偏振雷达测量精度的统计分析与降水估测

通过对双线偏振雷达１９８８－１９９０年一些观测资料的统计分析，我们发现：空间相关系数ρＶ、时序相关系数ρＴ、差示反射率因子ＺρＲ及其均方差σＤＲ各自遵从一定的统计分布规律；σＤＲ（ｄＢ）与ρＴ之间近似呈线性负相关；选择３２对预平均处理取样模型为最佳；当ρＴ＞０．９５，预平均本数为３２时σＤＲ可降到０．２ｄＢ以下。这些结论为我们提高双线偏振雷达的性能和探讨系统的气象应用提供了依据。另外，在选择最佳采     

双偏振雷达评估IMERG对不同类型降水的观测精度

采用地面雨量计校准后的南京信息工程大学 (Nanjing University of Information Science & Technology, NUIST) C波段双偏振 (C band Dual Polarization Radar, NUIST CDP) 雷达降水估测数据,研究全球降水观测 (Global Precipitation Measurement, GPM) 计划多星融合降水产品 (Integrated Multi satellite Retrievals for GPM, IMERG) 对苏皖地区梅雨、台风和飑线等不同类型降水观测精度,结果表明,①梅雨降水过程中,IMERG的累计降水量整体大于NUIST CDP的累计降水量;②台风降水过程中,IMERG一定程度上低估了累计降水量较大时的降水结果;③IMERG不能很好地观测到飑线降水的空间结构,几乎没有观测到这次降水过程中的强降水区域。     

双线偏振雷达的降水估测：II.误差分类分析

详细地定量地分析了降水估测中的Ｚ－Ｒ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的Ｚ－Ｒ关系之间无明显差别,ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大,双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小,Ｚ－Ｒ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可人为呈一偏差逼近０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。     

不同性质降水发生前退偏振比的激光雷达探测

利用微脉冲偏振激光雷达对三次不同降水性质的云在降水发生前的退偏系数进行探测,对照分析同步观测的多普勒天气雷达垂直剖面图,结果表明激光雷达对云的退偏振比探测具有较高的可靠性,三次降水过程的退偏振比峰值随降水时间的逼近从高层逐步下降,退偏振比大于0.2的峰值一般出现在5 km以上的高层,2～6 km的退偏振比多维持在0.1～0.15之间,2 km以下退偏振比都小于0.1,且始终没有明显变化.     

CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别技术

双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上,对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进,利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估,并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明：总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%,降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%,有待尝试利用深度学习方法改进。     

双线偏振雷达判别降水粒子类型技术及其检验

在综合分析国内外降水粒子相态识别方法的基础上,结合我国双线偏振雷达的应用需求,建立了一套利用双线偏振雷达探测资料识别降水粒子类型的识别模式,并根据美国KOUN雷达观测资料对该模式进行了分析验证,同时检验了模式中的几个偏振参数:差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP、水平偏振和垂直偏振回波功率零滞后互相关系数ρHV(0)对不同降水粒子的识别效果。通过分析认为:利用该识别模式得到的结果基本合理,可以反映降水区域内降水粒子的相态结构,但还需要对资料作进一步的研究。同时在识别各类降水粒子方面,ZDR的效果要高于KDP和ρHV(0),在缺乏相关资料的情况下可以考虑用ZH和ZDR配对识别的结果作为真实的结果。     

多普勒天气雷达在人工影响天气中的应用

文章应用多普勒天气雷达观测的一次层状云降水的一次降雹实测资料，对多普勒天气雷达在人工影响天气作业中的应用进行介绍。     

基于偏振雷达的积层混合云降水增雨潜力识别方法研究

强对流系统诱发的局地暴雨往往造成城市内涝, 带来严重的经济损失,危害人民生命、财产安全。为加强城市内涝预警能力、提高内涝预报精度、改善风险空间描述,急需研发高精度、高时空分辨率的城市降水监测产品。本研究基于深圳市1部S波段双偏振雷达和2部X波段双偏振相控阵雷达观测资料,研发了深圳市S波段双偏振雷达和X波段双偏振相控阵雷达定量降水估测（QPE）组网拼图系统。该系统主要包含以下4个模块：（1）雷达非气象回波的识别与去除;（2）复合平面扫描仰角信息计算;（3）S波段和X波段雷达单站降水率计算;（4）S波段和X波段雷达QPE拼图。基于新研发的S波段和X波段雷达定量降水估测拼图系统,产生时间分辨率1 min、空间分辨率30 m的QPE产品,并以自动气象站观测降水为标准,与深圳市目前天气预报业务QPE产品进行对比分析。结果表明,使用新研发的降水拼图系统产生的QPE产品,在精度和稳定性上优于业务产品。     

双线偏振雷达的降水估测：I.排序配对逼近法

提出使用新的途径－排序配对逼近法得出的双线偏振雷达降水估测Ｚ－Ｒ关系参数因子比线性拟合法具有更好的代表性,且能体现提高区域降水估测精度,也能根据实际情形采用其它的误差类型作获取及衡量参数的标准,对指数函数形式的Ｚ－Ｒ关系来说,其参数因子Ａ０,ＡＨ及ＡＤＲ分别为０．０１６８４,０．０９６和－０．４１６５。该方法可以推广以多个变元及参数因子的复杂函数中。     

双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析

联合利用3 GHz双偏振雷达RHI探测数据和温度廓线数据, 建立了云粒子相态反演的模糊逻辑算法, 算法采用Beta型成员函数, 成员变量包括:水平反射率因子、线性退偏比、差分反射率及温度0℃,-40℃对应高度, 反演出的相态包括毛毛雨、雨、低密度干冰晶、高密度干冰晶、湿冰晶、干霰、湿霰、小冰雹、大冰雹、雨夹雪和液态云滴等11种, 并利用雷达的连续探测数据对一次层状云降水过程中水凝物相态的演变情况进行了分析, 得到如下结果:初始阶段层状云相态呈现分层结构, 从上至下依次为高密度干冰晶、湿冰晶和液态云滴; 初始阶段云体中的回波大值区核心区域为大的冰相粒子, 其余部分为液态粒子; 在初始到成熟阶段演变中, 回波大值区上部液态粒子逐步向冰相转化; 消散阶段云中零度层亮带逐步消失, 零度层以上云粒子结构呈现高密度干冰晶包裹湿冰晶的情况。关键词:双偏振雷达; 模糊逻辑; 水凝物相态反演; 层状云降水过程; 水凝物相态演变     

基于S波段双偏振雷达资料的降水粒子类型识别算法及应用

基于质量控制的S波段双偏振雷达格点化观测数据,利用模糊逻辑算法,结合降雨粒子散射和空间取向等特征建立了降水粒子类型识别算法,用于分析降水过程中降水粒子的空间分布情况及粒子类型的演变过程.该算法可以将降水粒子分为液态、冰态、混合态等不同种类,有助于发现影响降水多寡的云微物理关键结构.首先根据不同降水粒子的雷达回波特性得到...     

双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析

基于常规气象观测资料、NCEP再分析资料以及长沙双偏振雷达、风廓线雷达资料,对湖南2021年12月下旬一次雨雪天气过程降水相态转变的大气环境条件和雷达双偏振特征进行分析,得到以下结论：(1) 降雪前干层消失,湿层增厚,整层湿球温度低于0 ℃,逆温层下冷垫的饱和层结对雪花丛集增长有利,有利于降雪增强。(2) 湘中及以北地区位于700 hPa西南急流出口区,600—800 hPa强烈水汽辐合和中低层强上升气流为暴雪过程提供充足水汽。(3) 25日夜间长沙出现间歇性小雨(雪)和多次短波槽过境密切相关;26日上午西南风转为偏西风导致长沙降雪出现短时减弱;冷垫上西南暖湿气流增强时段、冷垫内东南风转为东北风时段,分别对应26日长沙降雪两个峰值。(4) 不同相态降水时段相关系数(CC)、差分反射率(Z_dr)、水平反射率因子(Z_h)有一定差异,双偏振产品对本次雨雪天气过程中降水相态转变的识别有一定指示作用。(5) 低层“零速度线”成直线且有风速辐合特征,西南急流核增强、向下扩展等特征预示暖湿气流在冷垫之上的动力爬升增强,降雪得以长时间维持、且强度增强;而随着径向速度风场辐散特征出现,降雪逐渐减弱。

     

双线偏振雷达的降水估测Ⅱ. 误差分类分析

详细地定量分析了降水估测中的ＺＲ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的ＺＲ关系之间无明显差别;ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大;双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小;ＺＲ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可认为呈一偏差逼近于０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。