C波段双偏振多普勒天气雷达资料分析及在定量估计降水中的应用研究

基于南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP)的观测资料,结合南京龙王山SA天气雷达数据、南京信息工程大学大气综合观测基地的OTT Parsivel雨滴谱仪数据、南京市地面雨量计数据,分析NUIST-CDP探测资料的质量及定量降水估计(QPE)精度情况。将NUIST-CDP与SA雷达的回波强度数据进行了对比,发现NUIST-CDP回波强度偏弱;将滴谱仪上方NUIST-CDP测量的反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR与滴谱仪数据对比,雷达参量Z_H、Z_DR与滴谱仪数据变化趋势一致,但整体略偏小;比较差分传播相移率K_DP与Z_H的变化情况,由差分传播相移Φ_DP经最小二乘法计算得到的K_DP与Z_H数据一致性很好。利用南京地区2015年夏季(5—8月)收集的滴谱数据计算偏振雷达参数,拟合测雨方程,进行两次降水过程个例的QPE分析,并与南京地区雨量计数据进行了对比。结果表明:R(K_DP)测雨精度最高,R(K_DP,Z_DR)次之,使用偏振参量能明显提高降雨估算精度;R(Z_H)、R(Z_H,Z_DR)方法测雨反演结果低于地面雨量计雨量值,且低于SA雷达反演结果。      

S波段双线偏振雷达KDP参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量的参数K_DP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测K_DP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制。探讨总结了K_DP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的K_DP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法K_DP计算的影响;同时研究了雷达实测K_DP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系显示,5 km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;同时,K_DP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用K_DP来估算反演降雨强度。     

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。      

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。     

影响双线偏振雷达相位探测精度的分析

从理论公式出发,讨论了不同谱宽、相关系数、雷达波长等参数对差传播相移ΦDP的探测精度δ的影响,并根据实际的雷达探测资料进行了验证和分析。结果表明,在其他参数不变的条件下,δ随着样本对数M的增加而减小,M较小时,减小的幅度很大,随着M的增大,减小的幅度逐渐变小;δ随着谱宽的增大而增大,只有在σv=1 m·s-1时除外;δ...     

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。      

X波段双线偏振多普勒雷达共极化差分相移资料的滤波方法研究

为了提高X波段双线偏振多普勒雷达的共极化差分相移Ψ_C质量,利用714XDP-A型车载X波段双线偏振多普勒雷达在北京顺义的探测资料,构造了一个综合滤波方法。将其应用于滤波处理,得到结果:（1）综合小波去噪滤波方法在滤波处理及差分传播相移率K_DP的估算方面相较于中值滤波、综合滑动平均、综合卡尔曼滤波及综合有限脉冲响应（FIR）滤波都是最优秀的,其能较好地保留原始Ψ_C平均趋势及细节特征（偏差基本在±2°可信范围内,部分区域由于对原始Ψ_C细节特征的保留会略有超出）,避免探测误差零值对滤波产生的影响（误差零值订正值回归平均趋势水平,偏差在±2°可信范围内）,对原始Ψ_C距离廓线的平滑程度达到了94%~97%[平滑了超出±1.5° Gate-1（Gate表示雷达距离库）的波动,对±1.5° Gate-1内波动保留];（2）估算的K_DP整体在±5° km-1边界阈值内,避免了探测误差零值、环境噪声和δ对K_DP估算产生的误差影响,K_DP对较强降水指示明显（在回波强度30 dBZ ≤ Z_H < 37 dBZ的层积云降水中K_DP普遍大于0.25° km-1,峰值可达到4.3° km-1;在回波强度30 dBZ ≤ Z_H < 50 dBZ的积雨云降水中K_DP普遍大于0.1° km-1,峰值可达到1.95° km-1）。本文工作对于降水估测和水成物粒子识别有着改善效果,这对雷暴天气预警预报具备重要意义。     

降水粒子空间取向对双线偏振雷达观测影响模拟研究

该文从降水粒子散射和衰减理论出发, 采用数值模拟方法, 分析了雷达波束通过均匀雨区时, 双发双收偏振模式与单发单收偏振模式下, 水平、垂直偏振波之间的耦合关系, 比较了两种收发模式下, 由于雨滴倾斜引起的水平反射率因子Z_H及其误差ΔZ_H, 差分反射率因子Z_DR及其误差ΔZ_DR, 差传播相移Υ_DP、差传播相移率K_DP及其在不同偏振模式下的差异ΔK_DP随距离的变化情况。结果表明:因实际大气中雨滴倾斜角较小, 雨滴倾斜引起的模式间Z_H, Z_DP的差别不大; 而受雨滴倾斜影响, 单发单收模式的K_DP要大于双发双收模式。该文还提出了Z_H, Z_DR真值的两种定义方式, 分别为考虑与未考虑雨滴倾斜对散射效果的影响。未考虑雨滴倾斜的真值代表了雨滴实际的微物理结构, 剔除了传播效应的影响, 更能精确反映雨滴的实际大小, 在定量估测降水等雷达资料的应用中具有更好的代表性, 因此以未考虑雨滴倾斜作为Z_H, Z_DR真值较为合理。     

CINRAD/SA雷达双偏振升级数据质量分析评估

广州CINRAD/SA雷达完成双偏振升级改造后,本文评估分析了其探测灵敏度、地物抑制能力以及差分反射率ZDR,差分相移Φ_(DP)、差分相移率K_(DP)及相关系数的数据质量,结果表明:双偏振升级后雷达灵敏度与升级前基本一致,地物杂波抑制效果有明显改善;ZDR系统偏差变化稳定,随Z的增长趋势与经验值一致,测量误差不超过0.2dB;Φ_(DP)的初始相位具有较好的稳定性,K_(DP)对强降水敏感,与强降水有很好的对应关系;相关系数能够很好地区分气象和非气象回波。     

双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究

利用冰雹形状和空间取向的模型及降雹和降雨的滴谱分布,分析了C波段双线偏振雷达探测的降雨和冰雹的反射率因子ZH、差反射率因子ZDR和差传播相移KDp的取值范围,及混合区降水中不同大小的降雨降雹强度对这些参量的贡献.结果表明:对于C波段双线偏振雷达来讲,当降雹达到一定强度后,反射率因子反而随降雹强度的增大而减小,反射率因子和降雹强度不一定是一一对应关系,降雹的KDp与相态、空间取向和雹块的尺度均有关系.在混合性降水中,ZH的主要贡献来自冰雹,而KDp主要取决于降雨的大小,降雨和降雹对ZDR均有明显的影响,降雨的ZH和KDP有比较好的对应关系.在此基础上给出了利用ZH、ZDR和KDp定量估测相态混合区冰雹和降雨对应的反射率因子、降雨强度的方法,并从滴谱变化、雷达探测精度和冰雹对KDp的影响分析了这种方法的估测精度.     

线性规划在X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移质量控制中的应用

对X波段双线偏振多普勒天气雷达而言,差分传播相移（φ_DP）数据质量是影响雷达应用的关键因素,需要开展其数据的质量控制。首先利用相关系数（ρ_HV）,差分反射率（Z_DR）纹理和差分传播相移纹理特征信息剔除非气象回波,然后采用一种新的方法——线性规划来开展差分传播相移的数据质量控制。比较分析了雷达原始差分传播相移数据经过3、5、7点不同平滑点数对线性规划结果的影响,分析数据表明不同平滑点数对线性规划结果几乎无影响。将线性规划方法应用到北京组网的X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移数据质量控制上,结果表明,差分传播相移经过线性规划后,可以有效提升其数据质量,表现在:（1）差分传播相移具有累积递增属性和差分传播相移率（K_DP）的非负属性,与差分传播相移和差分传播相移率应该具备的物理属性一致;（2）可以有效剔除因冰雹等大粒子产生的后向差分传播相移（δ）对差分传播相移的影响,提升其计算差分传播相移率的准确度。      

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。      

X波段双极化多普勒天气雷达极限降水的估计能力

首先分析了X波段双极化多普勒天气雷达降水估计的误差来源及其影响,然后分析了信比、积累阶数对降水估计精度的影响,明确雷达系统本身的测量误差所能达到的理想程度,结果表明在双通道的积累次数M=64,信噪比SNR=10dB的条件下差分反射率的σ(ZDR)=0.32dB,则相应R(Z,ZDR)的降水估计精度最好能达到44%,同样条件下差分相位的σ(ΦDP)=0.08°,那么在降水率R=50mm/h时R(KDP)的降水估计精度最好能达8.6%。     

C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模

双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模.基于2015—2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模...     

C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

天气雷达可为中尺度对流系统研究提供高时空分辨率资料, 但降雨衰减和地形遮挡等因子会对雷达信号产生严重影响。针对广东省韶关市新丰县C波段双偏振天气雷达, 选取了2018年6月8日台风“艾云尼”、8月30日华南季风降水和9月16日台风“山竹”三次降雨过程, 采用基于差分相位(Φ_DP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(Z_H)数据进行了降雨衰减和部分地形遮挡衰减订正研究, 并将订正结果与广州S波段双偏振天气雷达探测结果进行了直接对比检验, 与中国气象局龙门云物理野外科学试验基地的4台二维视频雨滴谱仪(2D Video Distrometer, 2DVD)实测雨滴谱数据反演的雷达仿真探测量及国内外Z_H-K_DP经验统计公式进行了间接对比检验, 获得较好结果。最后选择具体降雨个例, 订正结果清晰展现了台风螺旋雨带中对流单体雷达回波强度从地面到高空的垂直结构特征, 提高了复杂地形区域雷达对极端天气的近地面探测能力。