双偏振雷达水凝物分类算法优化及在雹暴云的应用分析

为提升我国多普勒双偏振雷达水凝物分类的应用水平,在美国强风暴实验室(NSSL)研发的水凝物分类算法(HCA)基础上,通过增加冰雹区与三体散射区水凝物类型的订正识别、选用数值模式温度分析场识别融化层、引入水凝物类型垂直分布限制条件等,建立了优化方法(HCA-Opt)。利用HCA-Opt分析了2021年7月9日济南市章丘区一次雹暴云的水凝物分布特征,对冰雹落区与水凝物分类结果进行比对检验,得到如下主要结论:HCA-Opt可以正确识别冰雹与三体散射区的水凝物类型,修正了HCA将其识别为地物的问题;HCA-Opt利用模式温度分析场可准确识别融化层高度,解决了强对流天气下HCA使用的融化层自动识别算法(MLDA)无法有效识别融化层的缺陷;与HCA相比,HCA-Opt识别的水凝物在垂直分布上更加合理。HCA-Opt给出的水凝物分类结果较好描述了雹暴初生、降雹不同阶段的水凝物空间分布,初步揭示了不同高度水凝物粒子相态转化特征。HCA-Opt识别的水凝物分类中,中(小)雨与霰的可信度最高,冰晶与湿雪的可信度较低,且容易与干雪混淆;总体而言,HCA-Opt提高了水凝物分类识别技巧,对冰雹预警和落区判别具...     

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。     

双偏振相控阵雷达误差评估与相态识别方法

选取2020年3—9月深圳求雨坛的X波段双偏振相控阵雷达探测数据, 与同位置的S波段双偏振雷达进行对比。通过一定限制条件定量分析引入误差的原因, 发现反射率因子ZH和差分反射率ZDR的标定误差和随机误差较大, 其中ZH误差变化范围为-0.5~4.5 dB, ZDR误差变化范围为-0.7~0.2 dB。在上述较大误差影响下, 传统模糊逻辑相态识别方法的水凝物相态识别结果不可靠, 因此根据不同相态的雷达参量特征范围以及融化层高度建立基本结构为二叉树的决策树相态识别方法。针对上述方法的实际应用效果, 分别从水凝物相态识别结果对误差的敏感性和空间分布的合理性进行评估, 结果表明: 决策树相态识别方法的水凝物相态识别结果稳定性高于模糊逻辑相态识别方法, 且在对流云中的水凝物相态分布更加合理, 能够发挥X波段双偏振相控阵雷达在研究云内水凝物相态演变的优势。     

利用极化雷达分析层状云中水凝物粒子性状分布

使用中国科学院大气物理研究所的X波段双线极化雷达系统探测资料, 讨论了双极化雷达各种观测参量所反映的水凝物粒子的物理本质。提出了对存在融化层的层状云使用雷达探测变量确定零度层高度以及结合地面温度反演温度廓线的方法。在存在融化层的层状云中, 对雷达探测资料在层状云降水期间的RHI资料进行分层统计, 结合国际上已有的研究结果, 获得了几种主要水凝物粒子的极化雷达参数 (即反射率、 差分反射率、 单位差分传播相移、 相关系数) 范围; 在此基础上使用模糊逻辑方法, 对水凝物粒子进行分类, 分类结果反映了层状云的相态结构分布特点。最后, 根据两个实例, 使用反射率、 差分反射率衰减订正后的数据, 结合层状云的基本特点, 分析了层状云的垂直结构和粒子的相态结构以及层状云中可能的降水机制, 并使用反演的粒子分布结构代替雷达反射率因子结构对降水微物理过程进行了讨论, 结果验证了顾震潮 (1980) 在20世纪60年代提出的层状云降水的三层概念模型。本文结果为使用双极化雷达研究云降水机制提供了方法, 表明双极化雷达在云降水物理的研究中具有广阔的应用前景。     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

根据不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了基本形式为不对称的T型函数的模糊逻辑识别的隶属函数, 完善了该识别方法的流程, 并利用美国KOUN雷达的观测资料, 详细讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别降水粒子相态的方法, 并对其在实际业务运用中的合理性和可行性进行分析探讨.通过分析, 作者认为: (1)利用模糊逻辑方法处理双线偏振雷达测量到的偏振参数, 可以识别降水区域的降水粒子相态, 反映降水区域的相态结构, 识别的结果基本合理, 但还需要资料作进一步的研究.(2)从实际资料的分析结果来看, 虽然利用模糊逻辑法识别降水粒子相态得到的结果比较粗, 没有明确的数据特征值, 但是它基本上能反映各种降水粒子的相态结构, 其识别的结果对目前日常的天气预报参考和人工影响天气的作业指挥和效果评估来说还是符合可用的.为中国国内未来的双线偏振雷达业务运行提供参考和帮助.(3)根据有限的观测资料分析表明, 降水区域中出现60 dBZ以上的回波强度, 并不一定就会出现冰雹, 还有可能是大粒子的液态降水.综合考虑双线偏振雷达的测量参数, 可以得到更合理的结果.     

聚类分析在X波段双偏振雷达相态识别中的应用

X波段双偏振雷达在降水相态识别方面有较大优势,目前较为常用的方法为模糊逻辑算法,具有较好的识别能力,该方法主要依赖于水凝物的成员函数,但是对于不同雷达的系统老化问题,需要调整相对应的成员函数。针对此问题,本文提出采用聚类分析的方法进行降水相态识别,在完成相态识别后,可以统计不同水凝物雷达参数的分布特征,重新构建适合该雷达的成员函数。聚类分析方法在相态识别实验中表现良好,但仍存在一定的问题,在不引入温度的情况下部分水凝物无法识别。     

X 波段双极化雷达对云中水凝物粒子的相态识别

人工影响天气研究需对云中降水粒子的相态和分布结构进行准确识别,以便提高人工影响天气作业效率.中国科学院大气物理研究所的车载X波段双极化雷达可提供与云中降水粒子大小、形状、相态等特征密切相关的4个极化参数:反射率因子、差分反射率、差分相移率、水平和垂直极化相关系数.利用这4个极化参数加上环境温度作为5个输入参量,建立了降水粒子相态模糊逻辑识别算法,识别的降水粒子有10种:毛毛雨、雨、湿霰、干霰、小雹、大雹、雨加雹、湿雪、干雪、冰晶.利用此雷达的实际观测资料,并与地面和飞机空中实测资料对照,对我国南、北方地区观测的降水天气过程进行分析,结果表明:建立的模糊逻辑算法对云内水凝物粒子的相态识别分类合理.     

一次东北冷涡天气过程双偏振雷达降水粒子相态识别

本文利用双偏振天气雷达资料,对2019年6月7-9日辽宁地区一次东北冷涡强对流天气过程进行分析。分析了东北冷涡的演变过程以及双偏振雷达的偏振参量在降水粒子相态识别中的作用,研究了不同判别规则对模糊逻辑算法识别结果的影响。结果表明：双偏振雷达的偏振参量可以对水凝物的种类、空间分布、物理形态进行大致判断,但水凝物相态识别结果仍需细化。模糊逻辑算法在强回波区域的识别结果更准确,采用不同的判别规则得到的水凝物分类结果虽存在一定差异,但在大部分观测区域的分类结果基本一致,符合天气演变规律,能够为气象预报预警提供鉴别参考。具有广泛时间、空间适配性的模糊逻辑算法,仍需大量实测案例数据的验证与仿真。     

双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用

介绍了双线偏振多普勒天气雷达的基本原理和双偏振参量。阐述了几种较常使用的估测降水强度的算法,并分析了不同算法之间的差异。讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别冰雹区的方法,其中,基于模糊逻辑技术的冰雹识别模式,不仅可以反映出实际的冰雹区位置,而且还可以对其分类。     

基于相态识别的S波段双线偏振雷达最优化定量降水估测方法研究

为了提高雷达定量降水估测的精度,本文利用雨滴谱数据、实际雨量以及不同偏振参量建立起的降水估测公式,参考CSU-ICE算法降水估测模型,建立了一种基于相态识别的S波段双线偏振雷达最优化定量降水估测算法(简称HCALIQ)。利用广东珠海S波段双线偏振雷达数据和华南密集的地面自动站网的雨量,以两次华南夏季典型的降水过程为例,对该最优化算法的估测效果进行了统计分析,并进一步与CSU-ICE方法、传统的R(Z_H)方法进行了比较。结果表明:以地面雨量计为标准,HCA-LIQ最优化算法表现出与雨量计较强的相关性且有着较好的稳定性。雷达相对地面雨量计小时雨量估测的偏差分布与离雷达的距离关系不大。按过程分类的结果显示,强对流云降水时,两种最优化算法要明显优于传统的R(Z_H)方法;混合云降水时,最优化算法的效果并不比R(Z_H)方法好;HCA-LIQ最优化算法比CSU-ICE算法效果更佳。按雨强分类统计时发现,与传统的R(Z_H)方法相比,HCA-LIQ最优化算法对小雨的估测偏差降低了23%,对中雨的估测偏差相当,对大雨、暴雨的估测偏差分别降低了71%、68%。     

冀西北地区一次大冰雹过程的双偏振雷达特征分析

利用常规气象资料、ERA5再分析资料以及雷达资料,对2022年6月10日发生在冀西北地区的一次大冰雹天气过程进行分析。结果表明:(1)此次冰雹天气发生在冷涡的东南象限、低空切变线前侧暖区,对流由局地的热力作用触发并在辐合线附近发展加强。(2)降雹过程可分为3个阶段,前2个阶段为2个不同的超级单体分别影响而形成,粒子相态识别结果主要为干冰雹粒子,雷达回波具有高反射率因子、低差分反射率因子、高相关系数和低差分相移率的特点;第3个阶段为2个超级单体合并后形成,除冰雹外还出现了局地的短时强降水,直径较大且数密度较多的大雨滴造成了短时强降水。(3)利用雷达反演的风场可以分析对流单体的动力结构,通过分析不同阶段单体的动力结构得到单体未来的移动方向与发展趋势,特别是垂直剖面中上升气流的强度对单体的发展趋势有重要指示意义。     

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...     

一次长生命史超级单体降雹演化机制及双偏振雷达回波分析

2019年3月21日一次长生命史超级单体导致浙江省中部多个县(市)降雹,为了研究超级单体得以长时间维持的环境背景及其云物理特征,利用常规资料以及宁波S波段双偏振雷达数据,结合粒子相态识别算法,对此次过程的演变进行了分析.结果表明:高空槽前、850 hPa切变线附近和地面冷锋为超级单体提供了合适的环流背景;风暴传播区域对...     

Improvement of X-Band Polarization Radar Melting Layer Recognition by the Bayesian Method and ITS Impact on Hydrometeor Classification

Using melting layer(ML) and non-melting layer(NML) data observed with the X-band dual linear polarization Doppler weather radar(X-POL) in Shunyi, Beijing, the reflectivity(ZH), differential reflectivity(ZDR), and correlation coefficient(CC) in the ML and NML are obtained in several stable precipitation processes. The prior probability density distributions(PDDs) of the ZH, ZDR and CC are calculated first, and then the probabilities of ZH, ZDR and CC at each radar gate are determined(PBB in the M...     

青藏高原那曲夏季云中水成物分布特征的毫米波雷达观测

结合2014年7—8月第三次青藏高原大气科学试验获得的毫米波雷达资料与探空温度资料,利用模糊逻辑法反演了西藏那曲地区夏季云中水成物的相态并对其分布特征开展了研究。首先,分析了层积云、雨层云以及深对流云的典型个例,发现三类云反射率因子、多普勒速度、速度谱宽以及退偏振因子垂直分布均有较大差别,相应的云中水凝物的回波特征与相态分布差别也较大。其次,研究了液相、混合相和冰相云层的云雷达探测特征,发现液相云层在0℃层以下的暖云层和0℃层以上的过冷水云层均具有反射率因子高值中心,混合云层的反射率因子高值中心随高度上升变化不大,冰云层的反射率因子高值主要集中在6 km以上,且随高度上升而趋于集中;三种相态云层出现频率高值分别集中在地面以上1、2～3、3～4 km高度层;液相云层在上午出现频率最高,混合相云层高频率发生在下午,冰相云层在晚上的出现频率最高。三种相态云层出现在上午的高度与下午和晚上相比较低,出现在晚上的高度范围最大;液相云层厚度一般小于0.3 km,冰相云层云顶位于9 km左右高度层时平均厚度最大,中云内的混合相和冰相厚度变化较小。     

车载X波段双线偏振多普勒天气雷达及其数据处理系统

文章介绍了车载X波段双线偏振多普勒天气雷达及其数据处理系统,并对其资料质量和应用问题进行了分析和讨论。该雷达采用的单发双收的工作机制,实现对Z_H、Z_(DR)、Φ_(DP)、K_(DP)、ρ_(HV)(0)以及L_(DR)等参数的探测。这些信息反映了云和降水粒子的范围、大小和运动变化等特征,是研究云和降水特别是灾害性天气的形成机制及其物理过程变化的有效工具。基于该雷达的数据处理系统是在利用这些测量参数的基础上,可以实现降水处理和降水粒子相态识别功能,为用户提供有效的气象服务。     

双偏振天气雷达测雨误差及水凝物识别分析

利用北京2011年12次降雨过程的C波段双偏振天气雷达资料和自动站雨量资料,统计了不同雨强下的差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数ρhv值分布,重点对4种雷达测雨方程的测雨效果和误差进行了分析,并运用实例分析了双偏振产品在水凝物识别中的应用。得到了如下结论:①随着雨量的增强,ZDR、KDP和ρhv逐渐变大;冰雹对应的ZDR为负值,KDP比大雨大但小于暴雨;小雨到暴雨ρhv都超过0.90,冰雹的平均ρhv最小,仅为0.804。②对于4种雷达测雨方程,在小中雨时均高估了雨强,在大雨时均低估了雨强,但3种含KDP、ZDR的测雨方程比I-ZH方程的低估误差要小,在短时暴雨时,这3种方程的估测效果有明显的提高,4个方程中I-KDP-ZDR方程的估测效果最优,稳定性最好。③水凝物识别实例分析表明,利用双偏振产品可以更直接有效地判断冰雹等水凝物,能清晰地揭示出零度层亮带上下的水凝物相态并判断出零度层亮带高度。     

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     

X波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究

对云中水凝物粒子分类识别是双偏振雷达的主要应用之一。本文利用IAP-714XDP-A X波段双偏振雷达观测数据,在对其进行质量控制的基础上,利用滑动自适应订正算法对雷达反射率及差分反射率进行衰减订正,进而采用纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）区分气象回波与非气象回波,最后建立基于X波段双偏振雷达偏振参量（Z_H、Z_DR、K_DP、ρ_HV）、环境温度T和纹理参数（SD（Z_H）、SD（?_DP））的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法。本文通过对2016年8月7日一次低仰角的观测,检验了纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）对气象回波和非气象回波的识别效果,结果表明:SD（Z_H）与SD（?_DP）两者结合可有效区分气象回波和非气象回波;用2015年8月7日北京一次较大范围的降雹个例,对建立的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法进行效果验证,识别降雹落点与地面观测降雹落点一致,表明各种水凝物粒子对应偏振参量取值范围合理;对2016年9月14日一次处于不同发展阶段的多单体对流云进行水凝物粒子分类识别,结果显示处于发展阶段对流云中存在过冷水柱,其形成的微物理过程是对流云中强烈的上升气流将暖层的水滴抬升到0℃层之上形成过冷云雨水,进而冻结形成雹胚并发展成为冰雹。     

Convective Scale Structure and Evolution of a Squall Line Observed by C-Band Dual Doppler Radar in an Arid Region of Northwestern China

A long-lived and loosely organized squall line moved rapidly across Urumqi, the capital city of Xinjiang Uygur Autonomous Region of China on 26 June 2005, generating hail and strong winds. The squall line was observed by a dual Doppler radar system in a field experiment conducted in 2004 and 2005 by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and the local meteorological bureau in northwestern China. The 3D wind fields within the squall line were retrieved through dual Doppler analyses and a variational Doppler radar analysis system (VDRAS). The formation and structure of the squall line as well as the genesis and evolution of embedded convective cells were investigated. During its life period, the squall line consisted of six storm cells extending about 100 km in length, and produced hail of about 25 mm in diameter and strong surface winds up to 11 m s^-1. Radar observations revealed a broad region of stratiform rain in a meso-β cyclone, with the squall line located to the west of this. Two meso-γ scale vortices were found within the squall line. Compared to typical squall lines in moist regions, such as Guangdong Province and Shanghai, which tend to be around 300--400 km in length, have echo tops of 17--19 km, and produce maximum surface winds of about 25 m s^-1 and temperature variations of about 8^oC this squall line system had weaker maximum reflectivity (55 dBZ), a lower echo top (13 km) and smaller extension (about 100 km), relatively little stratiform rainfall preceding the convective line, and a similar moving speed and temperature variation at the surface.