X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

双偏振雷达的一个重要应用是进行定量降水估测(QPE),常用的双偏振雷达降水估测方法主要有基于反射率(Z_H)的R(Z_H)关系、基于Z_H和差分反射率(Z_DR)的R(Z_H, Z_DR)关系、基于差分传播相移率(K_dp)的R(K_dp)关系、基于K_dp和Z_DR的R(K_dp, Z_DR)关系四种。本文利用厦门X波段相控阵雷达组网试验的36个降水时段的小时降水资料,采用最优化处理法,对S波段双偏振雷达适用的四种降水估测方法分别进行优化,使其适用于X波段相控阵雷达,并将优化后估测方法的测雨效果与X波段雷达自带的定量降水估测产品(X-QPE)进行对比评估,结果表明：(1) 使用偏振参量K_dp的降水估测关系能够改善雷达的降水估测效果,R(K_dp)、R(K_dp, Z_DR)的测雨效果相对于R(Z_H)、R(Z_H, Z_DR)有明显提升。其中R(K_dp, Z_DR)在降水估测的误差以及稳定性方面表现最优,其效果优于X-QPE。(2) R(K_dp, Z_DR)对于稳定性以及混合性降水的估测效果略差于X-QPE,对于大雨量级的降水效果略差于R(Z_H),但对于暴雨量级的降水、对流性质的降水以及深对流降水,R(K_dp, Z_DR)测雨效果的提升非常显著。

     

Study of Different Attenuation Correction Methods in Association with Rainfall Estimation for X-Band Polarimetric Radars

Different attenuation correction methods for the X-band dual linear polarimetric radar are analyzed in this paper.The specific differential phase shift K DP is always considered as an effective factor in radar signal attenuation correction.However,the values of K DP for light rains are too small,which results in unstable quality and large errors of rainfall estimation.Therefore,radar horizontal reflectivity Z H and specific differential phase shift are combined together in the Z H –K DP method to correct th...     

X波段双偏振雷达相态识别与拼图的关键技术

X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点,但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究,提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中,融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布,有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题,识别的降雹区与地面观测相符。     

闽中北前汛期多普勒雷达定量估测降水分析

使用2002、2003年福建中北部27个气象站5—6月自记雨量资料及相应的雷达体扫资料,通过用最优化法统计得出不同区域的Z-I关系,并将统计结果用于2005年5—6月的降水估测。同时利用实时雨量资料采用卡尔曼最优（卡尔曼滤波＋最优插值）、变分等估测方法对2005年几次混合型降水过程进行实时雨量校正,用福建北部武夷山九曲溪流域雨量计检验校正后的雨量值,并对上述几种方法的测量精度进行比较、分析。结果表明：卡尔曼最优、变分法及100km距离范围内的最优化法的过程平均相对误差小于25％,100km距离范围以外最优化法的过程平均相对误差明显增大,Z=300I^1,4估测的误差最大。     

Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with an X-band Doppler radar and S-band operational radar

An X-band phased-array meteorological radar （XPAR） was developed in China and will be installed in an airplane to observe precipitation systems for research purposes.In order to examine the observational capability of the XPAR and to test the operating mode and calibration before installation in the airplane,a mobile X-band Doppler radar （XDR） and XPAR were installed at the same site to observe convective precipitation events.Nearby S-band operational radar （SA） data were also collected to examine the reflectivity bias of XPAR.An algorithm for quantitative analysis of reflectivity and velocity differences and radar sensitivity of XPAR is presented.The reflectivity and velocity biases of XPAR are examined with SA and XDR.Reflectivity sensitivities,the horizontal and vertical structures of reflectivity by the three radars are compared and analyzed.The results indicated that while the XPRA with different operating modes can capture the main characteristic of 3D structures of precipitation,and the averaged reflectivity differences between XPAR and XDR,and XDR and SA,were 0.4 dB and 6.6 dB on 13 July and-4.5 dB and 5.1 dB on 2 August 2012,respectively.The minimum observed reflectivities at a range of 50 km for XPAR,XDR and SA were about 15.4 dBZ,13.5 dBZ and-3.5 dBZ,respectively.The bias of velocity between XPAR and XDR was negligible.This study provides a possible method for the quantitative comparison of the XPAR data,as well as the sensitivity of reflectivity,calibration,gain and bias introduced by pulse compression.     

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

雷达雨量计联合估算降水在城市内涝模型中的应用

为了满足城市暴雨内涝模型对面雨量精细化的需求,在天津城市暴雨内涝模型的基础上,将雷达估算降水产品应用到模型面雨量计算中,针对2012年7月25—26日天津的大暴雨过程,考察4种雷达估算降水产品和两种插值方法计算的内涝模型面雨量。经过对比发现,利用变分方法计算的雷达估算降水产品VAR用曲面插值方法计算内涝模型的面雨量整体效果最好。     

新一代天气雷达定量降水估测集成系统

降水的定量测量是天气雷达的重要应用之一,新一代天气雷达定量降水估测集成系统(QPEGS)是一套基于新一代天气雷达的雷达雨量计联合估测降水软件,利用多种雨量计校准雷达降水的方法,生成1小时降水分布。其产品的时间分辨率达10分钟,空间分辨率1 km×1 km,适合省市级业务台站使用。过去3年的数据评估表明:校准雨量计数量和估测精度有明显正相关,校准雨量计数越多,降水估测精度越高,2003年的小时降水估测误差约40%,过程降水量的估测误差小于20%;雨量计密度保持不变的情况下,降水时段越长,降水区域越大,降水估测的精度也越高。     

基于雷达组网拼图和XGBoost的雷达定量降水估测

针对传统方法采用天气雷达进行强降水的定量估测存在较大偏差问题,论文以1 h累计雨量为估测对象,基于雷达组网拼图资料,采用XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)算法,建立新的雷达估测降水模型。该模型设计以前1 h的雷达组合反射率因子作为输入,进一步采用若干个剔除异常样本的策略有效清除建模样本中的部分噪声,更好地构建了雷达组合反射率与估测对象之间的非线性映射关系。在32万个独立检验样本的估测结果中,其均方根误差(RMSE)为6.04 mm、平均绝对误差(MAE)为3.50 mm、预报偏差(BIAS)为1.05;与目前业务系统上使用的ZR(300,1.4)关系方法相比,前者的RMSE和MAE分别下降了20.6%和10.3%,而BIAS指标则显示后者对降水量级的估测明显低估。进一步对小时雨强大于10 mm样本的统计结果表明,新方案的RMSE、MAE以及TS评分均大幅优于ZR(300,1.4)关系方法,可进行实际业务应用。     

基于CINRAD-SA双偏振雷达新型定量降水估测方法研究

杭州下沙S波段天气雷达在双偏振升级的基础上增加了精细化探测技术,为了进一步提高雷达定量降水估测精度,本文参考小时雨量计订正雷达估测降水算法模型,建立了一种基于分钟级雨量计数据的实时定量降雨估测雨强订正方法(简称QPE-ADJUST法),利用雨量计资料对雷达的QPE数据逐体扫实时订正,累计完成1 h、3 h降水估测产品,提高了雷达降水估测精度。通过对雷达产品及自动站数据资料的评估,分别从降水估测算法、雷达分辨率影响及体扫周期速度影响3方面对QPE-ADJUST法的估测降水效果进行了统计分析。结果表明:QPE-ADJUST法在雷达高分辨率、快体扫周期的情况下均比其他算法更好地表现出降水时空分布特征,并将雷达小时定量降水估测的误差从50%降低至20%左右,有很高的估测精度和稳定性,具有业务应用价值。     

风云四号A星闪电成像仪程序自动上注系统设计与实现

风云四号A星闪电成像仪是中国首个采用在轨接收大量遥控指令,进而实现程序上注的高轨气象卫星。FY-4-(01)批地面应用系统在建设中通过设计程序上注策略和部署程序自动上注系统,实现了任务时间表生成、指令发送、上注结果辨识、错误指令重发等全自动化功能。仿真结果表明该系统能满足卫星在稳定性和时效性上的需求,并有效缩短了上注时间。程序自动上注系统的研发与应用对未来风云系列卫星多星统一指挥测控任务的开展具有重要的意义。     

QVP方法在双偏振雷达冬季降水观测中的应用

双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备,为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性,选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程,基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料,采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子ZH、差分反射率ZDR和相关系数ρhv的高度-时间廓线。基于QVP,结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据,分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征,同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明：QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化,并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时,对于非连续性或非均匀性质的降水系统,有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述,QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析,为冬季降水相态短时临近预报提供依据。     

Raindrop Size Distribution Parameters Retrieved from Xinfeng C-Band Polarimetric Radar Observations

The objective of this research was to acquire a raindrop size distribution (DSDs) retrieved from C-band polarimetric radar observations scheme for the first time in south China.An observation period of the precipitation process was selected,and the shape-slope (μ-Λ) relationship of this region was statistically analyzed using the raindrop sample observations from the two-dimensional video disdrometer (2DVD) at Xinfeng Station,Guangdong Province.Simulated data of the C-band polarimetric radar reflectivity Z_(HH)and differential reflectivity Z_(DR)were obtained through scattering simulation.The simulation data were combined with DSD fitting to determine the Z_(DR)-Λand log_(10)(Z_(HH)/N_0)-Λrelationships.Using Xinfeng C-band polarimetric radar observations Z_(DR)and Z_(HH),the raindrop Gamma size distribution parametersμ,Λ,and N_0were retrieved.A scheme for using C-band polarimetric radar to retrieve the DSDs was developed.This research revealed that during precipitation process,the DSDs obtained using the C-band polarimetric radar retrieval scheme are similar to the 2DVD observations,the precipitation characteristics of rainfall intensity (R),mass-weighted mean diameter (D_m) and intercept parameter (N_w) with time obtained by radar retrieval are basically consistent with the observational results of the 2DVD.This scheme establishes the relationship between the observations of the C-band polarimetric radar and the physical quantities of the numerical model.This method not only can test the prediction of the model data assimilation system on the convective scale and determine error sources,but also can improve the microphysical precipitation processes analysis and radar quantitative precipitation estimation.The present research will facilitate radar data assimilation in the future.     

北上台风强降水形成机制及微物理特征

利用NCEP FNL分析资料、青岛降水现象仪和双偏振雷达观测资料, 对北上台风利奇马(1909)和巴威(2008)引发的局地对流性强降水微物理特征进行分析, 结果表明: 在台风外围的东南暖湿气流内, 受地形或边界层锋区触发形成的强对流单体后向传播或原地合并加强造成了局地强降水; 雨滴的质量加权平均直径(Dm)和对数归一化浓度(lgNw)分别为1.89 mm和3.86, 与典型台风降水相比平均直径更大、浓度更低, 形状参数μ和斜率Λ的μ-Λ关系也有明显不同; 随着雨强增强, 小雨滴占比下降而中到大雨滴比例明显上升, 直径1~4 mm雨滴对短时强降水的贡献超过90%;雨滴的碰并增长和对云水的聚集作用在对流性降水中占主导地位, 同时深厚的凇附过程对极端强降水的出现也起到了重要作用。     

雷达估测降水在区域站降水质控中的应用

利用高分辨率雷达定量估测降水的格点数据,与自动站实际观测到的降水量进行分析对比,发现雷达估测降水映射得到的自动站估测小时降水量与自动站实际观测的小时降水量的比值服从正态分布,以此来反推区域自动站实际观测的小时降水量的可信程度,并通过建立回归方程来对那些降水失真自动站作估计。以“菲特”台风期间的区域站降水量为例作了分析计算,结果表明雷达定量估测降水对自动站实际观测降水有良好的质控效果,值得进一步分析研究。     

雷达定量估测不同类型降水

利用2002、2003年自记雨量资料及相应的雷达体扫资料,用最优化法统计得出福建中北部不同区域不同降水类型的z-I关系,并将统计结果用于2005年、2006年的降水估测.同时利用实时雨量资料采用卡尔曼最优(卡尔曼滤波 最优插值)、变分等估测方法进行实时雨量校正,用福建北部武夷山九曲溪流域雨量计检验校正后的雨量值,并对上述几种方法的点及面的估测结果进行比较.结果表明:卡尔曼最优法及100 km距离范围内的最优化法对站点及面平均降雨量估测误差最小,Z=300I1.4估测的误差最大.     

Operational Evaluation of the Quantitative Precipitation Estimation by a CINRAD-SA Dual Polarization Radar System

In this paper, the quantitative precipitation estimation based on hydrometeor classification (HCA-QPE) algorithm was proposed for the first operational S band dual-polarization radar promoted by the CINRAD/SA radar of China. The HCA-QPE algorithm, the localized Colorado State University-Hydrometeor Identification of Rainfall (CSU-HIDRO) and Joint Polarization Experiment (JPOLE) algorithms, and the dynamic Z-R relationships based on variational correction QPE (DRVC-QPE) algorithm were evaluated with the rainfall events from March 1 to October 30, 2017 in the Guangdong Province. The results indicated that even though the HCA-QPE algorithm did not use the observed rainfall data for correction, its estimation accuracy was better than that of the DRVC-QPE algorithm when the rainfall rate was greater than 5mm h^(-1); and the stronger the rainfall intensity, the greater the QPE improvement. And the HCA-QPE algorithm worked better than the localized CSU-HIDRO and JPOLE algorithms. This study preliminarily verified the improved accuracy of QPE by a dual-polarization radar system modified from CINRAD-SA radar.     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

CINRAD-SA偏振雷达定量降水估测算法改进及应用评估

为了提高雷达定量降水估测的精度,建立一套高精度的双偏振雷达定量降水估测方法,并对其在业务应用中的表现进行评估。本文利用雨滴谱仪数据使用非球形粒子的散射模型（T-Matrix模型）进行不同偏振量的模拟计算,根据计算结果对实测雨滴谱数据（DSD）进行分类拟合,实现对CSU-HIDRO（Colorado State University-Hydrometeor Identification Rainfall Optimization）优化降水估测算法的改进。为了评估改进后CSU-HIDRO优化算法（简称CSU-HIDRO_I）的应用效果,本文选取2016～2017年两年汛期发生于中国华南地区的6次大范围强降水过程为评估对象,分别采用单偏振雷达定量降水估测的R(Z_H)关系法（WSR-88D Precipitation Processing System,简称PPS法）和CSU-HIDRO_I法进行小时降水量估测。按照不同降水率大小以及距离雷达20～60 km和60~100 km范围分别对两种降水估测方法进行评估,并将雷达估测的小时降水量同地面雨量计小时降水量资料进行对比,结果表明:（1）CSU-HIDRO_I法在应用评估过程中取得了较好的评估效果,其估测精度及稳定性均较好。（2）PPS法对小雨（降水率R<2.5 mm/h）存在一定的高估,对大雨及暴雨（R>8 mm/h）存在明显低估,而CSU-HIDRO_I法能够有效的降低强降水的低估情况,同时提高了小雨的估测精度。与PPS法相比,CSU-HIDRO_I法对小雨、中雨、大雨及暴雨的估测偏差分别降低了38%、24%、17%、15%。（3）PPS法在降水估测中对离雷达的距离更为敏感,相同降水率下不同距离处的相对误差波动较大,CSU-HIDRO_I法对距离敏感性较弱,相同降水率强度下,相对误差随距离的变化波动较小。     

登陆台风短时定量降水预报方法初探

利用登陆台风的GMS-5 IR1 TBB资料及地面自动站逐时雨量资料,初步建立了适用于登陆台风的定量降水估计(QPE)方法,基于QPE结果,采用外推法,初步实现了对登陆台风未来0~3 h的短时定量降水预报(QPF)。应用于0104号登陆台风“尤特”和0414号登陆台风“云娜”两个例表明:对单站逐小时雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,01、、23、h的QPF准确率分别达20%~70%、30%~80%、30%~70%、20%~60%;对于单站过程雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,0、1、2、3 h的QPF准确率基本都达60%~80%;对未来0~3 h的面雨量也具有一定定量预报能力。0~3 h QPF结果对实际短时登陆台风降水业务预报工作具有一定的参考价值。