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。     

X波段双线偏振天气雷达双通道一致性测试及分析

对房山X波段双线偏振天气雷达的天线性能、接收动态范围、噪声系数、系统定标能力以及接收双通道一致性进行测试分析,结果表明:天线增益和交叉极化隔离度最小值分别为44.73dB和36.1dB、双通道差分反射率ZDR和差分传播相位ΦDP标准差分别为0.02dB和0.26°、双通道的噪声系数最大平均值为2.02dB,均满足该雷达系统相应的指标设计要求;双通道的动态曲线特征和回波强度定标性能一致性存在差异,会对雷达系统探测数据质量造成不利影响。同时对该雷达系统的差分反射率ZDR标定方法进行了探讨,对雷达探测降水个例数据进行了分析。     

双线偏振多普勒雷达测量精度的理论分析

双线偏振雷达的主要任务之一是定量测量降水，反射率因子ZH、差反射率因子ZDR、差相移率常数K_DP都可以用来反演降雨强度，而K_DP的测量误差大小是影响反演降雨强度效果的关键。本文从理论公式出发，计算和分析了不同方位平均、距离平均、不同谱宽σV等因素对差传播相移ΦDP测量精度的影响。理论计算结果表明:ΦDP的测量误差随着样本对数M、距离平均区间的增大而减小，随σV的增大而增大(σV=1 m/s时例外)，此外，还总结了3种由ΦDP计算K_DP的方法，并对这3种方法的测量误差进行了比较，发现方法二的测量误差很大，方法一和方法三在一定的条件下都能使K_DP测量精度达到0.1°/km。     

基于S波段双极化雷达的变分法的定量降水估计算法

基于比差分传播相移(K_DP)的降水估计算法R(K_DP)相较于传统基于水平反射率因子(Z_H)的算法R(Z_H)的表现更优。在雷达实际运行中,由于随机误差和后向散射相位(backscattering phase)的影响,可能出现负的K_DP。运用一种基于变分的雷达定量降水估计混合算法(V-RQPE)。该算法用变分拟合方法重构差分相位(Φ_DP),用一种新的稳健的边界条件求解方法,在消除随机误差的同时获得非负的K_DP,进而进行降水估计。随后我们使用2017年5月7日广州S波段雷达的回波数据和地面雨量站观测数据进行验证,同时使用了六种不同的算法进行对比,结果显示,在1小时累计降水估计中,V-RQPE表现最好,在24小时累计降水估计中,V-RQPE和基于变分拟合的K_DP的降水估计算法(R-VKDP)表现最好,实验结果表明变分拟合方法对雷达降水估计能力有显著提升。      

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。     

双线偏振多普勒天气雷达遥测降水强度和液态含水量的方法和精度研究

利用雨滴谱的Г分布和散射计算模式,研究了C波段双线偏振多普勒天气雷达遥测降水强度、液态含水量和识别降水粒子相态的方法,给出了利用反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP反演降水强度和液态含水量的三种公式以及这三个物理量的关系公式,并从雨滴谱的变化和雷达测量误差两方面比较了几种方法的测雨精度.结果表明:雨滴谱在很大范围变化时,利用ZDR和KDP可以很好地反演出降水强度和液态含水量,它受滴谱分布的影响不大,它的探测精度优于(ZH,ZDR)方法.单参数KDP方法优于传统的Z-R关系方法.同时给出的ZH与ZDR和KDP关系公式也基本不受雨滴谱变化的影响,它可以用于降水粒子相态的识别.双参数方法的测量误差主要来源于雷达测量ZDR和KDP的误差,特别是KDP的误差,改善KDP的测量误差是发挥双线偏振多普勒雷达探测降水强度或液态含水量潜力的关键.     

CINRAD/SA-D雷达差分反射率金属球标定试验

目前我国新一代天气雷达正升级为双偏振体制,CINRAD/SA-D双偏振天气雷达对气象目标差分反射率(ZDR)的精确测量是参数标定的重要环节。对徐州双偏振雷达配置VCP-sect扫描模式,采用目标方位±5°的扇扫组合,且关闭地物等所有雷达滤波算法,用无人机分别携带2种标准金属球开展ZDR标定试验。分析试验结果,发现采用40cm金属球,控制无人机与金属球间隔为68m时,ZDR平均值为-0.265dB,最小为-0.125dB,最大为-0.375dB,满足雷达定标ZDR的技术要求。研究结果为业务雷达开展双偏振雷达定标ZDR提供了技术方案。     

X波段双偏振雷达垂直指向法标定的应用

垂直指向法标定是双偏振雷达的差分反射率因子ZDR标定有效方法的一种,可以订正ZDR测量误差,提高雷达数据的质量。本文基于双发双收模式的X波段双线偏振天气雷达系统,通过分析雷达硬件系统和垂直指向法标定的数据,诊断了观测数值的一些质量问题,初步判断是方位旋转关节损坏而导致ZDR的数值在某一固定区域上出现较大偏差。更换新的方位旋转关节后,对比处理问题前后的垂直指向标定数据证明能有效解决此问题。最后,经过多次试验分析表明,当垂直指向法标定在回波强度为25.5~30.5dB之间的中等范围稳定的层状云降水情况下使用时,其标定的数据能有效订正系统ZDR偏移量。     

广州双偏振天气雷达在短时强降水中的初步应用

利用广州双偏振天气雷达和自动气象站资料,对2016年5月10日影响广州地区的一次短时强降水过程的双偏振参量进行了分析,结果表明:短时强降水的差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)都随着回波强度(ZH)的增加而增大,最大值分别达到了4 d B和4(°)/km;选择了10个1 h雨量50 mm的自动站点,计算其对应的ZDR平均值在1.25~1.66 d B之间,最大值在1.65~3.19 d B之间;KDP的平均值在0.8~1.48(°)/km、最大值在1.8~2.4(°)/km之间;相关系数的平均值都在0.95以上,最大值接近于1。较大的ZDR和KDP值表明降水粒子谱中含有大量较大的水滴,是造成该次短时强降雨的主要原因。     

差分反射率ZDR和反射率Ze测雨精度的对比分析

本文根据大量不同类型降雨的雨滴谱资料，分析了两种雷达测雨与滴尺度分布的关系，模拟计算了双线偏振雷达可测到的(R/ZH)-ZDR和常规天气雷达可测到的Z-R经验关系和它们在测量降雨率精度的对比分析。表明差分反射率ZDR对改进雷达测雨的精度有着明显的优势。     

STUDY ON RAINFALL MEASUREMENT AND RAINDROP SPECTRA WITH THE DIFFERENTIAL REFLECTIVITY Z_(DR)TECHNIQUE OF A DUAL LINEAR POLARIZATION RADAR

In this paper,it is shown that the differential reflectivity Z_(DR) is related to drop sizedistribution(DSD)and the spectral shape variation of different truncated diameters.Z_(DR) is asensitive function to variation of DSD of the spectra.The effects of shape variation of DSD onrainfall can be deduced with a(Z_H,Z_(DR))dual-parameter technique,which is effective to improvethe accuracy of rainfall measurement and is of the priority of identifying large particles ofhydrometeors(especially hailstone)from the rain region.     

DEVELOPMENT AND ASSESSMENT OF QUANTITATIVE PRECIPITATION ESTIMATION ALGORITHMS FOR S-, C-, AND X-BAND DUAL-POLARIZATION RADARS BASED ON DISDROMETER DATA FROM THREE REGIONS OF CHINA

The accuracy of quantitative precipitation estimation (QPE) for dual-polarization radars can be improved by using a localized rainfall estimation algorithm derived from the raindrop size distribution (DSD). In the present study, DSDs observed at Suzhou City, Jiangsu province; Yangjiang City, Guangdong province; and Naqu City, Tibet are analyzed during the rainy season together with the corresponding polarimetric variables for the above three regions. Most importantly, these DSD data are used to develop optimal “synthetic” QPE algorithms for S-, C-, and X-band dual-polarization radars, which will be built or upgraded in the three regions. Meanwhile, a new piecewise fitting method (PFM) is proposed. It has been found that the number concentration N(D) of small raindrops (D<1mm) is the highest in Suzhou, while that of larger raindrops (D>1mm) is the highest in Yangjiang. The characteristics of the differential reflectivity (ZDR) and specific differential phase (KDP) are significantly different in the three locations, suggesting that different rainfall estimators are needed for different locations. Further performance assessment of the QPE based on DSD data indicates that the PFM QPE algorithm (LDSD) performs better than the conventional fitting method (CFM), and the localized QPE algorithm can improve the QPE accuracy. Observations from S-band dual-polarization radars and rain gauges in the Southern China Monsoon Rainfall Experiment are implemented to verify the performances of the QPE algorithms proposed in the present study. It is found that compared with non-localized algorithms, the localized LDSD algorithm yields the best results with at least 7.66% and 8.43% reductions in the RMSE and NE, respectively, which implies that while polarimetric variables can reflect DSD characteristics, the localized QPE algorithm remains necessary.     

雨区衰减和雷达取样误差对713型双线偏振雷达测量精度的影响

为了确定713型双线偏振雷达的探测精度,本文利用电磁波的矩阵传播法计算了考虑椭球形雨滴在不同空间取向下,雨区衰减对713型双线偏振雷达的可测量反射率因子Z_H、差反射率因子Z_(DR)的影响。并利用已有的统计理论讨论了该雷达的取样误差,为实际雷达改装工作提供了依据。     

Utilization of Specific Attenuation for Rainfall Estimation in Southern China

This study uses rain gauge observations to assess the performance of different radar estimators R(ZH), R(KDP)and R(A) in estimating precipitation based on the observations of an S-band polarimetric radar over southern China during a typical convective storm and an extremely severe typhoon, i. e., Typhoon Manghkut. These radar estimators were derived from observations of a local autonomous particle size and velocity(Parsivel) unit(APU) disdrometer. A key parameter, alpha(α), which is the ratio of specific attenuation A to specific differential phase K_(DP) with three fixed values(α=0.015 dB deg~(-1), α=0.0185 dB deg~(-1) and α=0.03 dB deg~(-1)) was examined to test the sensitivity of the R(A) rain retrievals. The results show that:(1) All radar estimators can capture the spatio-temporal patterns of two precipitation events, R(A) with α =0.0185 dB deg~(-1) is well correlated with gauge measurement via higher Pearson's correlation coefficient(CC) of 0.87, lower relative bias(RB) of 16%, and lower root mean square error(RMSE) of 17.09 mm in the convective storm while it underestimates the typhoon event with RB of 35%;(2) R(A) with α=0.03 dB deg~(-1) shows the best statistical scores with the highest CC(0.92), lowest RB(7%) and RMSE(25.74 mm) corresponding to Typhoon Manghkut;(3) R(A) estimates are more efficient in mitigating the impact of partial beam blockage. The results indicate that α is remarkably influenced by the variation of drop size distribution. Thus, more work is needed to establish an automated and optimized α for the R(A) relation during different rainfall events over different regions.     

椭球雨滴群旋转轴取向对双线偏振多普勒雷达参量影响的计算分析

以椭球粒子的电磁波散射理论为基础, 主要研究椭球雨滴群旋转轴在空间的取向特征, 建立粒子旋转轴空间取向与风场、 雷达天线仰角间的关系。在考虑粒子传输效应的情况下, 分析了旋转轴取向对双线偏振雷达探测参数ZDR和LDR的影响, 为提高双线偏振多普勒天气雷达观测资料的精度提供了理论依据。     

偏振雷达观测强对流雹暴云

根据偏振雷达原理,用C波段双线偏振天气雷达观测得到4例强对流雹暴演变过程的水平反射率ZH(dBZ)和差分反射率ZDR(dB)垂直剖面RHI定量回波资料,分析了这些雹云不同演变阶段的回波参量和偏振特性的关系,说明ZH、ZDR双参量对判别降雹有着明显优势,用雨滴谱的ZH-ZDR分布边界关系对这些雹云回波进行判别降雹分析,给出我国用偏振雷达观测和识别冰雹的研究结果。     

X波段多参数气象雷达对强风暴云雷电个例的探测研究

利用多普勒双偏振多参数气象雷达,结合地面LD-Ⅱ闪电定位仪资料,对一次中尺度对流强风暴云的雷电过程进行观测分析。结果表明,闪电发生前后,对流云上部的差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和差相移φDP有明显的变化,反映出云中冰相粒子排列取向随云中电场分布结构的变化而变化。这种闪电发生时冰相粒子排列取向存在明显变化的信息,说明用多参数气象雷达探测的技术以及开展雷电预警预报是可行的。     

CINRAD/SA雷达天线的辐射特性分析及其支持双线偏振升级的可行性研究

文中较全面地测量了CINRAD/SA天线的水平和垂直共极化和交叉极化辐射数据,分析了CINRAD/SA天线的主瓣、旁瓣、交叉极化电平等天线辐射特性,并与美国WSR-88D雷达双线偏振改造前后的辐射特性进行了比较,提出了CINRAD/SA双线偏振升级后降低旁瓣电平的几个措施,讨论了同时发射和同时接收双线偏振收发体制下,由天线水平和垂直偏振辐射不均衡产生的ZDR误差和偏振交叉耦合项ICPR值。结果表明:(1)CINRAD/SA雷达天线具有较好的辐射性能,主瓣波束较均匀,旁瓣和交叉极化电平优于设计指标值;(2)CINRAD/SA的天线辐射性能接近于WSR-88D,CINRAD/SA天线经调整后旁瓣电平应可以满足双线偏振升级要求;(3)ZDR误差和ICPR值足够小且在统计误差范围内,能满足CINRAD/SA双线偏振改造对测量精度的要求;(4)现用天线的辐射性能可支持CINRAD/SA双线偏振升级。文中还讨论了天线馈源支撑杆对辐射特性的影响,建议CI NRAD/SA天线的偏振改造仍采用三杆支撑方式,由此产生的水平和垂直偏振与高旁瓣脊间的不匹配,可计入系统误差,通过定标予以消除。关键词:CI NRAD/SA,雷达天线,辐射特性,双线偏振。     

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。