地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。     

南京雷达数据的一致性分析和订正

运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。 以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6 a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6 a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在“3段特征”:时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75 dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。     

天气雷达反射率资料订正前后在ARPS模式中的同化试验对比

以TRMM/PR反射率资料作参照,对常州、南京天气雷达反射率资料进行一致性订正,再利用中尺度模式ARPS及其数据同化系统ADAS对订正前、后的天气雷达反射率因子进行同化,模拟2013年6月25日和2010年8月24日江苏地区两次暴雨过程。两次暴雨过程均包括3组试验:控制试验和雷达资料订正前、后的同化试验。结果表明:(1)雷达反射率因子的同化很好地改进了模式初始湿度场,使降水预报在分布和强度上更接近实况;(2)雷达资料的订正进一步改进了反射率因子同化试验,并且通过调整初始湿度场和上升运动场(调整作用主要体现在前2~3 h内)改善了对降水的模拟预报,其结果证明雷达反射率因子的订正改善了雷达资料的质量。     

星载雷达与C波段地基雷达数据一致性个例分析

为提高单部雷达与多部雷达组网探测降水的精度,对地基雷达进行了一致性定标。星载雷达作为标准参考源已应用于S波段天气雷达的一致性定标,但对于C波段天气雷达的适用性仍有待研究。为此,本文选择了位于较高纬度的兰州C波段业务雷达,设计了以星载雷达标定C波段雷达的方法。通过对两个降水个例进行分析发现:定标后的C波段雷达回波强度和降水反演精度均有一定改善。说明采用星载雷达对C波段雷达进行定标也是可行的,这有利于解决西部地区地基雷达组网探测的一致性定标难题,展现了良好的应用前景。     

星载雷达DPR与地基雷达CR的匹配对比及系统偏差初探

将GPM(Global Precipitation Measurement)卫星搭载的双频降水雷达DPR(Dual-frequency Precipitation Radar)和广东龙门观测站的地基Ka/Ku双波段雷达CR(Cloud Rader)在2019年4—9月的观测数据进行时空匹配,结合微雨雷达MRR(Micr...     

双偏振雷达和双频测雨雷达反射率因子对比

为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因,将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar,DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配,并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明：GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好,经过衰减订正和波段修正,两者的相关系数约为0.86,达到0.001显著性水平,均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式,在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正,二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好;受干雪几何形状影响,探测干雪回波的相关性较低;探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异,DPR NS模式对强回波敏感,而DPR HS模式对弱回波敏感。     

星载雷达在订正地基天气雷达标定误差中的应用

在雷达反射率数据定量应用中,标定误差是导致结果产生偏差的重要原因之一。星载雷达（TRMM PR）长期工作的稳定性和连续性已被验证,本文将星载雷达数据转换到S波段,通过对比星载雷达和南京雷达同时段不同高度（相对于融化层的位置）不同降水类型（层云降水或对流降水）的数据,得到两部雷达对融化层以下层云降水的观测相关性高,差异稳定。通过对比分析星载雷达和南京雷达同时段零度层以下层状云降水的观测数据,得出两部雷达反射率因子值的回归关系式。以星载雷达观测数据为基准,使用该关系式对南京雷达反射率数据进行订正,并通过雨量计数据对订正结果进行验证,结果显示使用本文订正关系式订正后雷达估计的降雨量更接近雨量计的观测值。     

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。     

毫米波云雷达与探空测云数据对比分析

应用中国气象局大气探测综合试验基地2015年8—12月数据,对Ka波段毫米波云雷达与L波段探空云底高、云顶高及云垂直结构的探测进行对比分析,从分析结果可以看出,毫米波云雷达发射的电磁波能够穿透厚度较大的云层,探测出云垂直结构,所探测的云底高和云顶高与L波段探空结果保持良好的一致性。进一步分析一些云底、云顶高度差异较大的个例,得知与探空气球的漂移造成地域偏差和L波段探空相对湿度探测的误差相关。研究结果表明,Ka波段毫米波云雷达不仅探测能力强,探测精度也较高,是地基云探测的一种有效手段。     

地空基GPS探测应用研究进展

GPS大气探测(GPS气象学)目前已成为国际GPS应用的热点问题，可分为地基和空基应用两个方向。目前，地基的研究和应用技术已基本成熟，并从技术研究走向业务应用；在空基探测方面，国际上很多国家和地区都实施并发射了GPS应用气象小卫星，美国国家极轨环境卫星(NPOES)和欧盟极轨气象卫星系列(METOP)也都将搭载星载的GPS接收机，用于对地的掩星探测。GPS气象学已成为卫星气象学的一部分，它所获得的稳定的覆盖全球的对流层和平流层温度、气压、水汽和空间电子浓度的廓线资料，对气象预报、气候变化和空间天气的研究业务应用具有重要的应用价值。     

Comparison of Precipitation Observations from a Prototype Space-based Cloud Radar and Ground-based Radars

A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars.     

地面观测中云的自动化识别

针对目前地面观测中对云仍依靠目测,记录难免存在主观性偏差的问题,提出以集体观测云况记录为基础,综合考虑云图的颜色和形状,从建立云图颜色、梯度方向角数据库入手,用云图检索的方法判断云况信息.检验结果表明,该方法在天空能见度较好、云图数据库较大的情况下识别正确率较高.     

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。     

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.     

天气雷达回波衰减订正算法的研究(Ⅱ):数值模拟与个例实验

通过数值模拟研究雷达反射率因子呈均匀分布情况下的“可订正厚度”，计算了“无误差”情况下的订正效果以及“观测误差”、“k的误差”、库分辨等因素对订正效果的影响，还用实际观测个例进行衰减订正实验，并与解析算法和迭代算法的订正结果进行比较。结果表明，逐库算法，尤其是逐库近似算法，比迭代法计算效率高，比解析法有更大的稳定范围。     

探空高度与雷达高度的比较研究

利用2009年1月南京探空站L波段高空探测的试验记录,以GPS所测的高度数据作为标准,分别从探空高度和雷达高度作了详细分析.结果表明:探空高度与GPS高度的差值随着探测高度的升高而增大,并且随着高度升高,增大的幅度越快;雷达高度与GPS高度的差值有正有负,随着探测高度的升高,总体上高度差值变大,且差值变化幅度出现较大起伏,其稳定性较差.100 hPa以下,探空高度比雷达高度的可信度大,选取探空高度较好;100hPa以上,雷达高度比探空高度可信度大,选取雷达高度较好.     

基于雷达资料的增雨过程分析

应用天津WSR-81S雷达体积扫描资料和地面降水实况资料对2000年8月2日天津市武清区进行的一次雹云高炮人工增雨作业进行了分析。作业后从地面降水实况资料上看,在作业炮点的上游出现了大降水中心,表明人工增雨作业可以改变自然降水的原始分布,增加局部地区的降水。利用降水时段的雷达体积扫描资料分析表明:循环往复的爆炸作业使雷达回波的强度减弱、高度降低、移动速度减慢。由于迎着雹云的移动方向作业,造成上游地区降水较大,大于45 dBz的强回波滞留在作业炮点的上游。     

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明：相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。     

基于风廓线雷达资料的暴雨天气过程分析

2008年6月1～2日大理市暴雨过程的风廓线雷达资料和每小时的雨量资料分析发现：暴雨过程具有明显的中小尺度系统影响特征,雷达水平风廓线资料可以很直观地显示随时间变化风场的垂直结构;高空气流的向下脉动与降水强度的增强有着紧密的联系;风廓线雷达产品（垂直速度、折射率结构常数和信号噪声比）清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度。