S波段相控阵天气雷达与新一代天气雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短雷达扫描周期,但是由于相控阵雷达其波束宽度的增加以及波束宽度与增益不再是定值而是随着仰角而发生变化,必然在一定程度上牺牲雷达探测分辨率,造成其回波细节的缺失。为了比较该S波段相控阵天气雷达与S波段多普勒天气雷达在探测云反射率因子大小和结构方面的差异,采用双线性插值方法,模拟出空间分辨率很高的降水云团,并模拟相控阵天气雷达和S波段新一代天气雷达的波束特性对其进行扫描,通过模拟扫描得到的反射率回波,分析了对同一降水云团、相同距离位置,相控阵天气雷达与S波段常规多普勒天气雷达回波在水平方向和垂直方向的差异,结果表明:相控阵雷达对回波水平方向上和垂直方向上的平滑作用在一定程度上改变了回波的结构,减弱了回波的中心强度,使一些小的强回波中心消失。相对于S波段多普勒天气雷达,减少了极弱回波与强回波的面积,增加了中间强度回波的面积。探索了模拟分析相控阵天气雷达与多普勒天气雷达数据的方法,为相控阵天气雷达的定标和定量测量提供了理论参考。     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。     

相控阵天气雷达与多普勒雷达的探测精度与探测能力对比研究

相控阵技术应用到大气探测领域是一项崭新的课题,国外已开展了此项研究.为了研究相控阵天气雷达在大气探测领域的探测能力和探测精度,使用美国相控阵天气雷达与多普勒天气雷达同步探测的两次强天气资料,分析比较了两部不同扫描体制雷达的径向探测精度、切向探测精度、扫描时间、灵敏度以及在探测强风暴反射率因子特征、径向速度和超级单体的演变过程.结果表明:电扫描雷达的探测精度会随着波束指向角的变化而变化,而多普勒雷达在整个扫描范围内不随扫描方向角的改变而改变.相控阵天气雷达的切向分辨率比多普勒雷达低,提出了在方位上采用窄波束、俯仰方向上采用宽波束扫描,同时在接收时采用多个窄波束覆盖发射波束的接收方法.将存在模糊的速度场恢复为连续的速度场然后再对速度数值进行调整的退模糊方法也能剔除波束多路转换扫描方式下的速度模糊现象.     

风浪要素数值实景监测的设计与实现

运用现代数码技术,设计了风浪要素数值化实景监测,对近距离局域风浪进行非入侵式自动图像监测与风浪数值信息提取.在设计中采取不同于常规风浪遥感散射回波反演的方式,通过人机互动,应用相似性搜索判别原理,实现了风浪场中波峰线的自动识别与绘制,并以此为基础进行实况分析与运算,获得波长、周期、波速、波向、波龄以及波高、波陡等各项要素的统计值.针对波高与其他波浪参数无直接解析关系式问题,依据风浪非线性动力统计特性的谱模型,建立了波高逆运算函数方法,通过实验调试参数由实景监测的波长推导出波高等风浪结构要素.经实验室及室外自然条件测试,该监测系统能给出合理的观测时段的风浪要素统计特征值.     

平面相控阵脉冲压缩的雷达气象方程

在低发射功率条件下,相控阵多普勒天气雷达为了增加探测距离和提高分辨率,需要采用脉冲压缩技术.由于采用相控阵技术,波束扫描过程中,在平面阵非法线方向上会产生波束展宽,引起波束内功率下降,需要在计算雷达气象方程时弥补功率下降的误差.平面相控阵天气雷达在探测远距离目标时,使用宽脉冲发射,经脉冲压缩处理以提高分辨率,因此需要建立适用的雷达气象方程.首先讨论了脉冲压缩低峰值功率的平面相控阵多普勒天气雷达的结构、线性调频脉冲压缩的距离(多普勒测量)、调频波形的耦合问题以及目标距离的测量;然后给出了适用于脉冲压缩的平面相控阵雷达气象方程,此方程同时也适用于一维线性阵的脉冲压缩的天气雷达.     

主编语

相控阵天气雷达是雷达探测技术的最新发展方向,目前国际上的龙卷探测技术已经由传统的以强度探测为主转变为流场结合强度的探测为主。佛山作为我国龙卷等强对流天气最为频发的地区之一,已于2019年12月完成了一期4部相控阵雷达的建设,并将于2020年完成二期3部相控阵雷达的建设,建成由7部相控阵雷达组成的阵列天气雷达,并由雷达控制中心协调各部雷达协同扫描,是我国第一套针对龙卷监测的分布式协同探测相控阵天气雷达系统,能实时获取精准三维流场。这将推动龙卷风预报预警方法和思路的变革。     

环境扫描电子显微镜工作原理及其气象学应用

大气颗粒物具有吸附性、吸湿性以及对光的吸收和散射性等特性,对环境、气候和人类健康造成许多不利影响。扫描电子显微镜和能谱分析技术,可在观测大气组成的微小颗粒的微观结构的同时,实现对微结构元素组分分析的目的,为气象学中开展微观物理化学研究提供一个有效的手段。文章简要介绍了环境扫描电子显微镜(ESEM)的基本工作原理及特点,指出环境扫描电子显微镜在气象科学研究中的独特作用、适用领域,并通过对人工影响天气焰剂产生的大气颗粒的物理化学性质研究的实例来说明其应用。     

相控阵天气雷达波束特性

为了缩短雷达的探测周期, 相控阵天气雷达必须采用宽波束发射, 多波束接收。该文在天线口径为均匀分布和非均匀分布情况下讨论了相位扫描天线的方向图, 对波束特性进行分析, 提出采用非均匀划分子空间方法可对相位扫描天线带来的波束展宽效应和增益减小进行补偿, 并模拟设计了一个相控阵天气雷达天线方案, 给出宽波束和多个窄波束方向图及波束参数。结果表明:海明加权方法可使副瓣电平降低到-25 dB, 能基本满足天气探测需求; 采用非均匀划分子空间能够对波束宽度和天线增益进行补偿; 文中所设计的天线方案不仅能够缩短雷达的探测周期, 还能充分利用雷达的照射能量。     

中法海洋卫星微波散射计近海岸产品在台风遥感监测中的应用

中法海洋卫星(Chinese-French Oceanography Satellite,CFOSAT)搭载的微波散射计(CFOSAT Scatterometer,CSCAT)采用 Ku 波段扇形波束旋转扫描体制,具有观测几何信息丰富、观测样本数多的特点,是一种新型的海面风场遥感仪器。CSCAT 的原始空间分辨率可达10 km×12-5 km,是目前空间分辨率最高的微波散射计,为开发高质量的近海岸高分辨率海面风场产品提供了可能性。首先,回顾了 CSCAT 近海岸风场遥感的原理,并利用辅助数据验证了这种新的科学产品的有效性。 然后,利用 CSCAT 近海岸风场开展了台风灾害监测研究。与标准 25 km 分辨率的产品相比, CSCAT 近海岸风场可以更细致地描绘台风结构,能够为气象和海洋防灾减灾提供更精准的信息支持与决策服务。     

相控阵技术在天气雷达中的初步应用

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短了雷达扫描周期,但是由于相控阵天气雷达其波束宽度与增益不是定值,而是随着仰角发生变化,同时相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术,因此需要对Probert-Jones提出的经典...     

风云二号静止气象卫星图像杂散信号分析

该文利用GMS 5原始数据、GMS 5展宽数据、FY-2A展宽数据和FY-2B展宽数据, 采用伪彩色增强和灰度直方图分析方法, 分别对这4种数据的红外、水汽、可见光通道图像进行了针对杂散光的对比分析以及对杂散信号来源分析。分析表明这三颗静止气象卫星的图像中都存在一定的杂散信号。该文提出了解决杂散光问题主要依靠优化辐射计光路设计; 地面系统在实时处理、展宽图像时采取简单剔除处理, 可以减小或消除图像冷空间区域的杂散信号, 但是去掉地球圆盘图像内部的杂散信号将非常困难。     

Characteristics of acoustic scattering from a wind-created water surface covered with monomolecular organic films

A spectrum of amplitude fluctuations of the acoustic signal scattered from a wind-driven water surface coated with a monomolecular film of well-defined viscoelastic surface properties was studied under laboratory conditions. The presence of an oil film causes a shift of the peak frequency to higher frequencies and increases the fall-off in the high-frequency band of the spectrum compared with clean surface scattering. The effect turned out to be unequivocally related to rheological parameters of the surface film. Similar features of the scattered signal and wind-generated wave spectra observed for film-covered surfaces can be treated by the Marangoni theory of damping of water surface waves by viscoelastic films.     

EnKF循环同化相控阵雷达数据与变分雷达反演方法的对比研究:对一次台风外围龙卷个例的分析北大核心

针对2018年9月17日发生在广东省佛山市的一次台风龙卷过程,对比分析了EnKF和变分方法同化X波段相控阵雷达得到的风场结构。结果表明,EnKF方法和变分方法在同化了X波段相控阵雷达资料之后,都可以得到龙卷母体风暴的涡旋特征。相比之下,EnKF同化分析的涡旋强度更强,台风龙卷母体风暴及其周边三维风场的结构更加完整,与回波结构匹配更好。变分方法同化得到的流场不够连续,台风龙卷母体风暴的涡旋强度偏弱,弱回波区入流也明显偏弱,并不符合概念模型。而两种方法在没有同化相控阵雷达数据时,都无法产生龙卷母体风暴的流场特征。总体而言,相对于变分方法,EnKF同化系统在同化X波段相控阵雷达数据后可以产生更为合理的涡旋结构,台风龙卷母体风暴及其周边动力场结构更合理,这为以后X波段相控阵雷达的业务应用提供了思路。     

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Z_H和差分反射率Z_DR的标定误差和随机误差较大, 其中Z_H误差变化范围为-0.5~4.5 dB, Z_DR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。     

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料.但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难.本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其...     

基于北斗反射信号的支持向量回归机海面风速反演研究

随着全球导航卫星系统的发展,一种基于导航卫星反射信号(GNSS-R)的海洋遥感技术成为近年来研究的热点。为研究GNSS-R测风方法,分析了海面风速与反射信号时延功率之间的关系,同时结合机器学习方法中的支持向量回归机方法,将反射信号时延功率作为训练标签,最终完成海面风速的反演。将"北斗反射信号海风海浪探测系统——山东示范站"项目期间海风海浪系统的探测结果与同期风速仪探测结果进行对比分析,结果表明,两者具有很好的一致性,海面风速的反演精度为2.4 m/s,证明了基于北斗反射信号的支持向量回归机海面测风方法是可行的。     

改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用

互相关函数法是一种常用的时延估计方法,但在低信噪比和闪电存在多分叉的情况下,该方法的效果不理想。针对这一问题,该文选取广州地区2009年8月24日19:08:04和2012年5月5日08:01:00的两次闪电过程的雷声记录,结合高速摄像资料,比较了互相关函数法和改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用效果。首先,利用互相关函数法和改进的互功率谱相位法计算声源点的方向信息,定位结果与高速摄像照片对比具有较好的一致性,证明了定位方法的可靠性,对比结果表明:在低信噪比环境和多分叉闪电情况下,改进的互功率谱相位法能够获得比互相关函数法更好的定位效果。最后给出了综合利用改进的互功率谱相位法计算得到的方向信息和声源点与观测点的距离信息得到的雷声声源三维定位结果。     

相控阵天气雷达数据压缩技术

相控阵天气雷达较新一代天气雷达在时空分辨率上有明显的优势。随着探测能力的提高,相控阵雷达数据量急剧增长,数据传输和存储问题凸显。现有天气雷达数据压缩算法可以减少传输和存储的数据量,但现有算法并未充分考虑相控阵雷达特点,数据压缩率有较大提升空间。本文提出时空预测的相控阵雷达数据压缩算法(PARDC),使用径向预测压缩数据相关冗余。使用CHATOR雷达数据对PARDC的算法性能进行评估,试验结果表明PARDC较通用的压缩算法压缩率性能大约提升了24%。     

声雷达阵列式天线的初步研究

文章计算并测试了声雷达阵列式天线的波瓣特性，讨论了天线波瓣特性与波长、阵列喇叭数量、喇叭间距以及气温的关系。结果表明，实测的4×4阵列的波瓣特性和理论计算值基本相符，比较了用不同喇叭作的天线的性能，指出压电陶瓷高音喇叭的声电转换效率最高，1600Hz时是一般纸盆扬声器的3倍，是最佳换能器件；国产号简式高音喇叭YH5-4性能价格比较好，适于声天线的制作。