多普勒雷达径向速度退模糊的初步研究

基于雷达变分同化系统(Variational Doppler Radar Analysis System,VDRAS)中雷达速度退模糊方案的思想,建立了一个雷达径向速度退模糊的方案,用于我国多普勒雷达径向速度资料的质量控制,并对方案的质量控制效果进行了检验.该方案的优点是使用模式分析场得到的参考风在每个格点独立地进行退模糊,避免了径向速度大片区域被错误地退模糊,提高了准确度.方案主要包括三步:水平梯度检验、全局退模糊和局部退模糊.利用国家气象中心全球与区域一体化的同化与数值预报系统(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,GRAPES)快速更新循环(Rapid Update Cycle,RUC)系统提供的3h间隔的分析场资料对多个时次的雷达资料进行退模糊试验.结果表明,该方案能够有效地对模糊速度进行订正,剔除异常资料点,提高可直接用于变分同化的雷达径向风资料的质量,适合业务应用,为我国多普勒雷达资料的质量控制提供了一种新的有效方案.     

一种简易的多普勒雷达速度模糊纠正技术

多普勒天气雷达是监测强对流天气中尺度风场的重要手段。纠正速度模糊是多普勒雷达探测风场信息有效应用的前提。速度模糊纠正技术大多需要首先对模糊点集或非模糊点集进行识别,如果无法识别或识别错误,将造成纠正过程的失败或需要人工识别。文章提出了一种不需先对模糊点集或非模糊点集进行识别的纠正速度折叠的简便方法。它只需首先将存在折叠的速度场恢复为连续的速度场;然后对其速度数值是否存在整体偏移做出判断和调整。给出的存在严重模糊的台风个例的速度模糊纠正实例表明,这种方法对二次折叠也同样有效。     

一种抗噪声的天气雷达速度退模糊新算法

径向速度模糊是影响多普勒天气雷达资料质量的一个重要因素。针对模糊的问题,提出了一种抗噪声的速度退模糊新算法:基于速度场的空间连续性,采用无损的连续噪声抑制方案,由噪声分离、曲线拟合退模糊和噪声恢复3个步骤组成。用CINRAD-SA雷达4站3a的全部模糊数据(>40000个体扫文件)进行验证,结果表明:(1)抗噪声的速度退模糊新算法明显优于WSR-88D退模糊算法,正确率比其高30%;(2)以体扫文件为单位的退模糊正确率为89.4%,其中,台风、强对流和弱对流的退模糊正确率达92.9%。     

适用S波段多普勒天气雷达的径向速度自动退模糊方法

径向速度模糊问题限制了雷达速度资料的广泛应用,针对退速度模糊中孤立回波或被距离折叠隔离的回波出现模糊、受杂点干扰影响以及大多算法往往将径向直线作为初始参考等问题,提出了一种新的自动退模糊方法:（1）通过查找0速交界点插值得到两条0速线以进行正、负速度区域的大致分区;正、负分区后,分区域段识别杂点干扰区与非杂点干扰区;对杂点干扰区,逐点判断其是否满足模糊特征条件,对非杂点干扰区,识别模糊边界以圈定模糊区域块进行退模糊,并做遗留点的逐点扫尾退模糊处理。（2）对于未能确定0速线的情况,使用上层记录的0速线信息或搜索符合条件的径向直线0速线。（3）对于仍未能确定0速线的情况,用逐点判断的方法退模糊。利用S波段雷达观测的飑线、冰雹、强台风等事件11个个例3407个速度模糊体扫资料对该算法进行了验证,总体速度退模糊准确率高于98%。利用0速线确定正负分区、识别模糊区域块以及在逐点判断中考虑扩展邻域搜索,有助于孤立回波及被距离折叠隔离回波的退模糊处理,该方法比业务方法更有效, 2018年3月4日冰雹个例的速度退模糊准确率高于业务方法10%。对杂点干扰区使用逐点判断方法可正确退去模糊区,使其免受杂点影响。综合考虑上层0速线信息及图像中有助于确定0速线的相关信息,经严格把关和检验,确保0速线的准确性,有益于退速度模糊处理。      

暴雨的多普勒天气雷达速度辐合风场特征

多普勒天气雷达探测大范围强降水时,其多普勒速度回波特征既不同于单纯的暖(冷)平流的特征(S或反S形)也不同于纯粹的大尺度辐合(散)运动特征(弓状), 而是暖(冷)平流和辐合(散) 两种运动相结合的风场(称之为复合风场)所产生的多普勒速度特征.应用天津塘沽新一代天气雷达资料,并结合自动气象站资料和改进的EVAD 技术,分析2005年8月16日发生在海河流域的一次大范围、长时间的强降雨天气过程的多普勒天气雷达资料.结果表明:(1)当低层出现暖平流和辐合运动相结合的复合风场特征时,即多普勒天气雷达速度场产品表现为自雷达中心开始,在同一距离圈上,一侧的零速度线弯向正速度区的顺转程度明显大于另一侧的零速度线弯向负速度区的顺转程度,即负速度区面积大于正速度区的面积时,降水就增强或维持.(2)当低层出现暖平流和辐散运动相结合的复合风场特征时,对应降水减弱或停止.这种对雷达速度场的辐合辐散分析将对大范围强降水的形成、发展、维持和消散具有很好的临近预报指示作用.     

多普勒速度模糊的切向消除技术

根据多普勒速度模糊在速度随方位角分布廓线（切向廓线）上的特征,提出了切向消除速度模糊的技术。其主要步骤是：1.通过消除切向廓线上的孤立点将切向廓线分为缺测段,模糊段和非模糊段;2.按速度切向分布的连续性逐段进行模糊判别和修正;3.以切向廓线的拟合简谐曲线为参照,消除廓线上的模糊点;4.在各距离段内按速度径向分布的连续性进行模糊判别和修正。文中还提出了用切向廓线的拟合简谐曲线的振幅与速度绝对值的平均值之比值的大小来检验速度模糊是否已被消除。     

多普勒雷达速度图的初步探讨

在短时临近预报中,通过对多普勒雷达速度图与强度图的对比分析。可以了解气团内部风场结构,从而准确的预测出暴雨、大风、冰雹等强对流天气的发生和发展,本文简要的阐述了速度场的分析方法和步骤以及识别速度图的关键要点和注意事项。     

利用雷达垂直廓线对广州地区降水估测订正的初步分析

利用雷达反射率因子垂直廓线技术,对2010年4月29日广州地区一次较大范围内混合型降水过程进行了平均垂直廓线特征分析,并在此基础上对雷达定量降水估测进行了订正.结果表明,选定区域内雷达回波稳定少动,不同时段的垂直廓线的高低空变化均不大;在反射率因子垂直廓线中有一个极大值区为零度层亮带;在零度层亮带以上,反射率因子随高度增加迅速减小.进一步结合降水站点评估表明,直接利用雷达最低仰角估测的降水量偏低,而利用反射率因子垂直廓线技术订正后的降水估测的准确度提高,绝对误差率由订正前的28.9％下降到13.7％.     

二维多途径多普勒雷达退速度模糊算法的改进及效果分析

对Zhang Jian提出的二维多途径自动退速度模糊方法进行了改进。原方法从弱风切变区确定一系列参考径向,使用这些参考径向对其相邻库进行逐库连续性检测和模糊订正。由于中小尺度系统的扰动和弧立回波区的影响,有时很难获得比较准确的供参考的相邻库,这将对进一步的退速度模糊过程产生很大的影响。针对这个问题,在连续性检测的过程中,先确定疑似速度模糊边界,然后识别出速度模糊边界和速度模糊区域。在模糊订正的过程中,采用扩展邻域的方法,扩大参考库的范围进行模糊订正。为了检验改进方法的性能,采用大量的雷达体扫个例进行试验。结果表明,该文的改进方法能够较准确地识别出速度模糊的边界和区域,同时具有较好的退速度模糊效果。     

多普勒天气雷达风场退模糊方法的研究

文章提出了对多普勒天气雷达的风场信息进行预处理的“K-邻域频数法”,该方法物理统计意义比较明确,能够有效地处理风场信息中的“噪声”问题。在此基础上,设计了单径向的速度扩展算法,并提出了“双径向-双切向”的方法, 其效果与美国WSR-88D。NSSL和FSL的算法相当。该文还设计了一个界面十分友好的人机交互方法,可以达到约90%以上的速度扩展正确率,是对传统的人机交互方法的极大改进。     

华北回流天气多普勒雷达径向速度分布特征

使用多普勒雷达资料对四次华北回流天气过程进行了分析,结果表明:(1)回波具有较大水平范围的、连绵成片的均匀幕状特征.回波顶较平整,回流降雨过程中还存在零度层亮带.属层状云降水回波.(2)速度图上,在零速度线两侧常分布范围较大数值不等的正负径向速度中心,低空零速度线呈"S"型,风随高度顺时针旋转,有暖平流存在.在强降水时段出现前常伴有区域性的冷平流层.(3)风廓线图上,从低层到高层由东北风转为西南风,风向发生了近180度的顺时针旋转,存在强垂直切变.降水开始与结束时分别表现为低层偏东风与中高层西南气流叠加、低层偏东风与中高层西南气流任何一者消失.边界层顶部出现浅薄的冷平流层是降水强度加强的信号.     

多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征

不同的强对流天气造成的灾害和社会影响差别很大。通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计, 得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。“大风区”常伴随出现强风冰雹, 而“中气旋”则常伴随出现暴雨冰雹, 这对于判别冰雹云产生什么样的天气现象是有指示意义的。     

多普勒雷达的速度图像特征及其在一次降雪过程中的应用

该文首先介绍了大面积降水的多普勒天气雷达径向速度PPI图像识别技术, 包括:①冷暖平流与大尺度辐合辐散运动叠加的图像特征; ②由零线的朝向和正负速度面积、径向速度值的大小判断风向风速辐合辐散的图像特征, 然后介绍了利用EVAD技术由雷达基数据定量计算大气平均散度和平均垂直速度的方法, 最后应用图像识别技术和EVAD方法对石家庄2004年冬季的一次大面积降雪过程进行了详细分析, 发现:此次大面积降雪过程有明显的辐合辐散图像特征, 径向速度值小, 辐合辐散弱, 始终存在暖平流。另外, 降雪强度和散度、垂直速度关系密切:辐合层厚度加大, 辐散抬高, 则降雪加强; 辐合、辐散层高度降低, 则降雪减弱。同时, 由EVAD技术定量计算的散度和相同时刻由径向速度图像产品定性分析的辐合、辐散基本一致。     

河北暴雨的多普勒天气雷达径向速度特征

利用2004—2011年29次暴雨过程的多普勒天气雷达资料和常规天气资料,分类总结了河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征。发现形成河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征有5类:β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合、高空急流和深厚持久的低空急流。深厚持久的低空急流是大范围暴雨的主要速度特征之一。高空急流是大范围暴雨和区域暴雨共有的速度特征。β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合是大范围暴雨、区域暴雨和局地暴雨共有的速度特征和主要的中小尺度影响系统。列车效应是造成局地暴雨、大暴雨的关键原因。     

GRAPES_3Dvar中雷达径向风同化改进观测算子的应用

在GRAPES_3Dvar系统中添加雷达径向风预处理模块以及雷达径向风同化模块(包含传统观测算子与改进算子)。对GRAPES_3Dvar系统中雷达同化算子进行正确性检验后,利用该系统对2014年6月6日03时(UTC)北京南郊多普勒雷达径向风资料进行同化试验,分析不同观测算子对于初始场以及降水模拟的影响。研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了对流系统低层中小尺度辐合辐散信息,同时综合分析风场的径向分量与切向分量,改进算子对于初始场的调整效果优于传统观测算子。对比分析累计降水模拟,采用改进算子的结果在能够准确模拟出降水雨带的位置和量级的同时极大程度地抑制了虚假降水的范围,降水评分也较好地验证了改进观测算子的优越性。     

西宁强降水的多普勒雷达径向速度图特征研究

分析2010—2016年西宁强降水多普勒天气雷达径向速度图特征及预警指标,结果表明:西宁强降水的径向速度图上往往会出现逆风区,且直接受影响的混合性强降水Ⅰ类逆风区略多,对流性强降水多为Ⅱ类,总体上逆风区以东北向移动为最多。逆风区较强降水出现时间有一定的提前量,且强降水落区在逆风区及其移动路径附近,逆风区既是强降水预警的时效性判据,也是识别强降水落区及路径的有用判据。逆风区切变流场的辐合(散),将增强(减弱)强降水的发展,且辐合(散)的出现提前于强降水的开始(结束)时间。强降水前1 h的垂直风切变特征为混合性强降水低层最大、中层最小,对流性强降水各层则均明显大;低一中一高层冷、暖平流配置的混合性强降水主要表现为深厚暖平流,对流性强降水则平流不明显或低、中层有暖平流。对流性强降水最大回波高度和零速度层均较混合性强降水高,但其总体差别较小。综合应用径向速度得到的强降水临近预警指标,其准确率达到78.6%。     

暴雨模拟中多普勒雷达径向速度变分同化的应用

针对2008年6月广东地区的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),进行了多普勒雷达径向速度变分同化对暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度,同化后的主要影响在于改进了初始动力场,使得初始场包含有更详尽的中尺度特征信息,进而显著提高模式对广东局地暴雨过程的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,是提高中尺度降雨预报的关键。     

脉冲多普勒气象雷达发射机相位稳定性分析

简要介绍了低相位噪声多普勒天气雷达发射机的特点和组成,脉冲多普勒气象雷达对发射机相位稳定性的要求,发射机满足脉冲多普勒气象雷达的要求所面临的关键技术问题。为了改善相位噪声,在发射机中采用了全固态调制器、回扫充电技术、充电校平技术和同步交流方波稳流灯丝电源等技术。分析了发射机影响脉冲多普勒气象雷达检测性能的主要因素以及射频脉冲信号受寄生调制的影响而产生的边带相位噪声,发现在发射机射频信号中不需要的寄生调制和噪声是由一系列源产生的,影响脉冲多普勒气象雷达相位稳定性的主要因素有射频激励源、电源纹波、脉冲时间抖动、幅度调制、颤噪效应、电磁感应和电磁干扰辐射源等。这些不需要的边带噪声限制了脉冲多普勒气象雷达在杂波中探测目标的能力。     

雷达径向风资料的四维变分同化试验

在MM5四维变分同化系统(MM5 4D-Var)的基础上开发出雷达径向风资料的同化模块,利用改进后的同化系统对2002年7月22日湖北宜昌多普勒雷达的径向风观测资料进行四维变分同化试验,分析雷达径向风资料的同化对中尺度数值模式初始场的调整以及对中尺度强降水模拟的影响.研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了中尺度对流系统低层100km左右范围内的风场辐合.调整后的风场具有更明显的β中尺度特征.利用14 min的雷达径向风资料可以改进3 h之内的强降水模拟,尤其是对雷达站东南侧强降水的模拟.