广州CINRAD/SA雷达双偏振升级及数据质量分析

介绍广州CINRAD/SA雷达双偏振升级改造后的主要性能指标,并以观测到的一次层状云降水过程为例,分析了降水强度ZH与差分反射率ZDR、差分相移率KDP的一致性,信噪比SNR与差分反射率ZDR、相关系数CC的关系以及ZDR系统偏差的稳定性,结果表明:弱降水的ZDR和KDP接近于0,随着ZH的增加均呈上升趋势;SNR<15 d B时,ZDR和CC受噪声影响很大,存在明显误差,业务中建议将SNR>15 d B作为双偏振产品的可用阈值;ZDR的系统偏差随时间变化保持稳定,变化幅度<0.2d B;KDP在CC<0.9时没有被计算和显示。     

济南CINRAD/SA雷达双偏振升级关键技术分析

针对CINRAD/SA天气雷达双偏振升级,阐述了通过WRSP信号处理器、晶振频率源、标定技术、相位编码技术、信号处理新技术新算法等关键技术的升级,提升了雷达的整体性能。济南雷达升级后,接收机灵敏度由-109 dBm提升至-113 dBm,接收机动态范围由89 dB提升至101 dB,发射机输出改善因子由59.34 dB提升至61.64 dB,系统相位噪声由0.107°提升至0.041°,系统实际地物对消最大值由45.1 dB提升至49.7 dB,距离分辨率由1 000 m提升至250 m,改善了雷达对弱信号的探测能力,增强了对电磁干扰、超折射的识别能力,增强了地物抑制能力;天线伺服系统通过改碳刷结构汇流环为金属丝免维护汇流环,减少了天线动态故障报警率,提高了伺服系统运行的稳定性和可靠性;通过CW与TS信号在线标定技术,检验了升级后双偏振雷达双通道的一致性。     

雨滴谱数据在S波段双偏振天气雷达数据质量评估中的应用

结合T-Matrix方法和雨滴谱仪数据反演双偏振参量,设计了一种雨滴谱反演评估方法(雨滴谱法),利用其反演结果可对双偏振天气雷达数据进行评估。将此方法应用于不同类型降水过程的雷达偏振参量数据质量评估,结果表明:满足微雨条件时,雨滴谱法与传统的微雨滴法均能有效监测由雷达系统误差导致的观测偏差,且评估结果十分接近;不满足微雨条件时,雨滴谱法评估的不同类型降水过程的雷达数据质量与满足微雨条件下的评估结果十分接近,客观证明了系统调整后雷达运行良好、数据质量稳定;不同雨强(R)情况下,雨滴谱法的评估结果具有一致性。10 mm·h^-1≤R<20 mm·h^-1时,雷达观测的数据质量最为稳定。该雨滴谱法适用范围广,可动态评估双偏振雷达偏振参量质量,有助于雷达调整和数据校正。     

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_H与雨滴谱仪反演的Z_H对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP与Z_H的一致性较好,其中K_DP约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。      

一次雷暴过程的双偏振雷达观测量与闪电频次的关系分析

利用广州双偏振多普勒雷达和粤港澳闪电定位网数据,分析了2017年7月27日发生在广东深圳的一次雷暴个例中双偏振雷达观测量与闪电频次之间的关系。结果表明:水平反射率Z_H、差分反射率Z_(DR)和差分相移率K_(DP)能在一定程度上反映出雷暴发展变化的特征。零滞后相关系数ρ_(HV)主要用于雷达回波降水类型以及非降水(非气象回波)的判断,与闪电频次的相关性不高。     

双发双收双偏振天气雷达差分反射率工程标定方法

分析了利用小雨、太阳、边界层顶的Bragg散射、地物等外界目标对双偏振天气雷达差分反射率(Zdr)进行标定的原理和局限性,介绍了一种可以在线获得发射机、接收机和天线引入的Zdr偏差的工程标定方法,并提出了一种提高Zdr测量精度的方法,即在每个脉冲重复周期,实时测量每个通道的发射功率耦合测试信号和气象目标回波信号在接收机数字中频的输出值,用于补偿发射功率和接收机增益的变化。该文介绍的两种工程标定方法可用于水平通道和垂直通道同时发射同时接收的双偏振天气雷达系统,能够满足在线实时标定的业务运行要求。     

不同强度强对流云系S波段双偏振雷达观测分析

通过厦门S波段双偏振天气雷达观测到的超级单体、普通降雹单体和非降雹单体三种不同强度的强对流个例,分析其在发展、成熟阶段出现的双偏振参数特征差异,包括差分反射率(Z_(DR))、差分相位差(K_(DP))、相关系数(CC)等,发现:Z_(OR)柱和K_(DP)柱是不同强度强对流云体内部普遍存在的动力特征;超级单体和普通降雹单体在近地层还有表征入流区的CC谷特征;此外在超级单体成熟阶段低层还出现了Z_(DR)弧、K_(DP)印,以及高层对应着大冰雹的CC低值区等特征。Z_(DR)柱不仅可用于识别过冷水区还具有预测强对流云体未来发展趋势的能力,利用CC谷可识别强单体的入流区,K_(DP)柱、K_(DP)印及其空缺可识别强降水、大冰雹区等,因此双偏振参量特征识别在强对流短时临近预警预报、人工防雹方面都具有很强应用潜力。     

X波段双偏振雷达探测数据分析与校验

保证移动X波段双偏振多普勒天气雷达在野外探测中雷达探测数据源的正确性,是预报员开展后续应用研究的重要前提。简要分析了差分反射率、相关系数、差分传播相移与差分相移系数的理论意义,同时结合多次观测经验,重点研究并验证了各双偏振产品在纯降水中的数值,研究双偏振参数对雷达硬件故障的指示意义,确保在探测时及时发现硬件故障与差损,提高探测数据质量。讨论了双偏振参数自测试校验,进行水平通道与垂直通道参数偏差校验,确保在探测之前获得双偏振通道的一致性。     

国产双偏振天气雷达差分反射率测量性能分析

双偏振天气雷达对气象目标差分反射率(Z_(DR))的精确测量是我国新一代天气雷达双偏振升级过程中的一个重要环节。本文介绍了采用机外仪表、机内测试信号、太阳、小雨等方法对双偏振天气雷达系统引入的Z_(DR)偏差进行测量的原理,分析了影响Z_(DR)测量精度的关键因素,即发射机、接收机和方位旋转关节引入的Z_(DR)动态偏差。比较了各种标定方法的优点和局限性。以南京大学C波段双偏振雷达为例,给出了采用机外仪表、太阳、小雨方法对雷达系统引入的Z_(DR)偏差的实测结果,并对测量结果进行了比较分析,发现3种方法的测量结果具有较好的一致性;且Z_(DR)测量值随方位角的变化具有一定的规律,因此随着双偏振雷达的长期运转,方位旋转关节的影响不可忽略。本文对未来我国双偏振雷达的业务运行和组网观测具有一定的参考价值。     

双偏振多普勒天气雷达差分反射率因子的测量误差

针对同时发射、同时接收体制双偏振多普勒天气雷达,论述了测量差分反射率因子时雷达应满足的基本要求,提出了测量差分反射率因子时能够引入误差的3类因素,即雷达测量基本要求不满足、接收机噪声和散射粒子相对运动引起的回波功率起伏、云雨目标对水平极化波和垂直极化波衰减的不同,并分别对影响差分反射率因子测量误差的各种因素及其影响程度,进行了深入研究和分析.     

X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法

利用双偏振参量在弱降水过程中性质均一、随时空变化缓慢的特征,选取北京、佛山地区弱降水过程的观测资料,通过将较长时间观测结果沿径向或方位累积的方法,分析双偏振参量测量精确度受地物、避雷针、旋转及俯仰关节的影响,并提出相应的质控方法,得出以下结论:(1)差分反射率(ZDR)、相关系数(ρhv)及差分传播相位(ΦDP)比水平反射率(Z)对地物更敏感,其中在地物处ρhv小于0.85,ZDR低于-1 dB。根据降雨与地物之间偏振参量特征的不同,将ρhv长时间累积能有效的识别地物回波。(2)每根避雷针对双偏振参量影响的方位和幅值是近似一致的。在以避雷针为中心的±15°的方位范围内,ZDR增大0.4~1.5 dB,ρhv降低0.01以下、Z降低1~2 dBZ,且均在避雷针中心处影响达到极值。通过基于上述方位的统计订正可以较好的去除避雷针对双偏振参量的影响。(3)雷达旋转关节的异常会导致ZDR在水平方向上不平稳变化,而俯仰关节异常会使ZDR在高、低仰角差距较大,通过ZDR沿方位一段时间的累积得到各层仰角ZDR变化曲线,用此曲线来实现ZDR的误差标定。通过检验,本文提出的质量控制方法有效的提升了X波段双偏振雷达的数据质量,为其在业务中的进一步推广提供了支持。     

双偏振多普勒天气雷达探测雷电的初步研究

利用S波段双偏振多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年6月5日发生在南京地区一次雷暴个例的双偏振雷达参量特征与闪电之间关系及雷达水平反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR和零滞后相关系数ρhv等偏振参量在3 km、5 km、7 km等3个不同高度上的CAPPI图,结果表明：负地闪主要落在强回波中心及其附近,少数...     

双线偏振雷达差分传播相移的质量控制

利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达 (C-band Polarimetric Doppler Radar on Wheel,CPDRW) 的外场试验,在统计分析降水、地物回波差分传播相移Φ_DP数据的差别与信噪比关系等基础上,提出了一套数据分析和处理的方法。该方法通过Φ_DP的异常波动并结合回波的强度Z_H和速度V_r信息将地物回波信号分离出来,在降水估测或衰减订正等定量应用时将其剔除。对于气象回波则根据信噪比及零滞后互相关系数ρ_HV(0) 将Φ_DP资料分为较好、较差和差3类。对于较好数据直接进行后续的预处理,对于较差数据先订正后处理,而对于差数据将其剔除以保证Φ_DP资料的整体质量。经过大量资料的验证,该方法在最大程度上保留气象信息的同时也保证了Φ_DP资料的质量,并能估算出质量较高的差分传播相移率K_DP资料。     

C波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室C波段双线偏振雷达2011年完成升级改造后观测的一次降水过程资料为例,讨论其探测资料质量及其对降水粒子的探测性能,统计分析降水回波的差分反射率因子ZDR、零滞后互相关系数ρHV（0）与信噪比SNR的关系,以及系统初始相位的稳定性,反射率因子ZH分别与差分反射率因子ZDR和差传播...     

广州S波段双偏振雷达数据质量初步分析

广东省已经通过新布设或对CINRAD\SA雷达的升级改造完成5部S波段双偏振雷达的业务运行。受目前双偏振雷达技术水平限制,双偏振雷达偏振量很不稳定,因此偏振雷达资料使用前需要对数据可用性、偏振量的系统偏差等进行初步分析,以保证偏振雷达后续产品的可靠性。使用广州S波段双偏振雷达稳定运行后的2016年7—8月连续观测资料,分析了噪声对零滞后相关系数ρ_HV(0)及差分反射率因子Z_DR的影响和订正效果。结果表明:当SNR小于20.0 dB时,偏振参量ρ_HV(0)和Z_DR的稳定性变差,数据不可用;噪声订正后,数据可用的SNR阈值减小为17.0 dB。进一步分析了经过噪声订正后的Z_DR和Z_H之间的关系,并与雨滴谱反演结果及理论值进行对比。结果表明:广州雷达Z_DR较雨滴谱反演值和理论值均偏小,Z_DR观测值存在系统偏差。结合广州的气候特征,对偏振量系统误差估计的微雨滴法的指数进行了调整,基于此方法分析了Z_DR、初始相位Φ_DP (0)的系统误差随方位角的变化。结果表明:Z_DR系统误差随方位角在-0.29~0.22 dB之间波动,剔除遮挡后的平均偏差为-0.09 dB,与实测Z_DR值和雨滴谱反演值及理论值对比偏小的结论一致,但偏差大小有区别;同时,Φ_DP (0)随方位角有4 °左右的波动。分析还发现Z_DR、Φ_DP (0)系统误差有随时间波动的特征。最后挑选个例对Z_DR进行噪声和系统误差订正后发现,订正后的Z_DR得到改善。这些初步分析和结果对S波段双偏振雷达数据的使用有一定的参考意义。      

复杂地形背景下双偏振雷达数据质量评估方法

针对四川省复杂地形和雷达型号多样的特征,设计了一种以长时间序列统计单/双偏振天气雷达数据质量的评估方法,算法定性评估了天气雷达数据是否存在空回波、电磁干扰和地物干扰的问题,定量评估了雷达Zh(水平极化反射率因子)、Z_(dr)(差分反射率)、CC(相关系数)、Фdp(差分相移)和G_(C)(地物回波系数)的数据质量。通过评估2022年5—9月四川省12部新一代天气雷达基数据的数据质量,得到了如下结果:(1)同频电磁干扰严重影响四川省天气雷达数据质量,超过74%的宜宾和广元站数据存在电磁干扰回波;宜宾和乐山雷达站出现了较多空回波数据;超过77.91%的广元雷达站数据存在风电场地物回波干扰。(2)雷达性能正常时,地物回波系数G_(C)的均值变化不大,G_(C)系数的标准差可以有效反应出雷达数据问题,特别对空回波数据问题比较敏感。(3)四川省12部天气雷达Zh标准差总体较小,绵阳和宜宾站较优,乐山站较差。(4)四川省3部双偏振天气雷达的Z_(dr)和CC数据质量较好,?dp的数据波动较大。     

双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达（CPDRW）2011年完成升级改造后观测的一次大范围层状云降水过程资料为例,讨论了该设备改造后探测资料质量的改进情况及其对降水粒子的探测性能,同时利用模糊逻辑法结合地物的常规特性和偏振特性,建立了一种运用双线偏振雷达观测资料识别地物及地物与降水混合回波的方法,并利用该雷达的观测资料对识别结果进行了分析检验,最后统计分析了降水回波的差分反射率因子(Z_DR)、零滞后互相关系数(ρ_HV（0）)与信噪比的关系,以及系统初始相位的稳定性及降水资料的一致性。分析结果表明,在常规参量的基础上添加偏振参量并采用模糊逻辑法构建的综合识别模式和常规识别模式都能较好地识别地物,但综合识别模式明显改善了常规识别模式0速度区过度识别的问题,且在地物与降水回波混合的情况下叠加混合回波识别模式具有更加明显的优势。雷达改造前,Z_DR及ρ_HV（0）在信噪比小于25 dB时受噪声影响很大,测量值存在较大误差,资料变得不可信;通过这次的升级改造,其信噪比探测阈值由25 dB降低到15 dB。系统初始相位比改造前更加稳定,随仰角和时间的波动性更小。利用垂直扫描数据进行系统误差订正后的Z_DR资料能较好地反映降水粒子的实际情况,Z_DR随信噪比的变化较之改造前更加平稳,而对差传播相移Φ_DP进行分类处理后拟合的差传播相移率K_DP资料也与实际情况一致。     

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。

     

基于标准差分析法的S波段双偏振雷达数据质量评估

文章针对S波段双偏振天气雷达设计了一种改良的标准差分析方法,用以评估雷达数据质量,通过评估2022年2月-10月成都雷达基数据的数据质量,得到了如下结果：（1）对于正常雷达数据,改良的标准差计算方法与原始方法能得到相同趋势的标准差分布结果,计算异常雷达数据的标准差时,能得到更优的标准差分布结果。（2）成都雷达Zh数据质量存在较大波动,标准差低于SDZh标准值的比例仅43.67%。（3）成都雷达Zdr和CC数据质量较好,标准差低于SDZdr和SDCC标准值的比例分别为84.09%和87.10%,φdp的数据波动较大,标准差低于SDφdp上限的比例仅34.54%。     

济南双偏振多普勒天气雷达在线自动标定数据质量分析评估

阐述了CINRAD/SA-D双偏振多普勒天气雷达（简称“双偏振雷达”）标定技术,统计分析了济南双偏振雷达试运行以来在线自动标定数据和该时间段内的维护维修情况,从雷达几十个标定状态性能参数中,遴选对雷达探测数据质量影响最大的发射峰值功率Pt、相位噪声σφ、噪声系数NF、反射率标定系数SYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分传播相移ΦDP等性能参数,分析评估在线自动标定数据质量。结果表明：1）峰值功率维持在679.68 kW,H（水平）和V（垂直）双通道的峰值功率长期运行吻合一致性较好。2）H和V双通道噪声系数均值分别维持在1.66 dB和1.73 dB,双通道数据总体分布稳定,且具有较好的一致性;标定数据的异常来源于外界干扰,占0.39%,受外界干扰H通道多于V通道,干扰造成接收机灵敏度降低了1.5 dB,导致雷达产品异常。3）反射率标定ΔSYSCAL最小值为-0.46 dB,最大值为0.25 dB,满足±2 dB的技术指标要求。4）I/Q相角法标定相位噪声均值为0.051 3°,实物对消能力60 dB与估测地物杂波抑制能力61.36 dB结果基本吻合,证实了雷达系统具有较好的地物杂波抑制能力。5）采用机内CW、TS双信号源标定法,接收双通道幅度和相位的标准差：ZDR-CW和ΦDP-CW分别为0.025 dB和0.735,ZDR-TS和ΦDP-TS分别为0.044 dB和1.116°,满足接收双通道一致性的技术指标,但CW信号标定结果明显小于TS信号标定结果,表明双路方位旋转关节对接收链路信号幅度和相位的一致性有影响,导致ZDR-TS和ΦDP-TS标定结果比ZDR-CW和ΦDP-CW出现更大的偏差,因此随着双偏振雷达的长期运行,对方位旋转关节带来的幅度和相位固有偏差进行测试和订正非常重要。