雷达定量测量降水中的异方差性及加权判别函数处理

利用Z-I关系法,通过2006年两次积层混合云降水过程的回波和雨量资料分析A,b值的变化规律.针对Z-I关系的非线性和不稳定性,发现Z-I统计关系拟合中存在着异方差性,提出了对传统的最小二乘法和最优判别函数法进行加权处理的方法,并与其他方法的计算结果作了对比分析.研究结果表明:使用加权判别函数法,可以在符合Z-I关系实际变化规律的前提下抑制异方差性在计算过程中的不稳定,同时保持回波反演降水与实测降水之间的偏差最小化.     

FY-2红外云图中强对流云团的短时自动预报算法

目前气象预报业务中,预报员主要借助卫星云图,定性判断云团的移动趋势,缺乏形式化的定量评判方法。本文基于FY-2C与FY-2D的高时间分辨率的近红外影像(10.3—11.3μm),采用亮温和面积阈值方法进行云团识别,然后根据最大相关系数云团匹配技术进行追踪,系统地实现强对流云团的自动临近预测。实验结果表明,本文提出的最大相关系数追踪比传统的交叉相关系数法具有更高的匹配精度和运行效率,而且研究发现云团质心外推明显优于最低亮温外推,平均亮温、面积、圆形度对云团的分裂合并有较好的指示作用,经列联表法检验,本文提出的自动识别追踪技术具有较高预测精度和预测时效,并且为卫星云图业务化应用提供了定量科学依据。     

713测雨雷达测定区域降水量初探

本文应用1983年7月14日、1984年8月30日和9月1日三次降水回波资料,初探了雷达探测区域降水量的可能性。试验表明:雷达测量能满足一定精度。若采用雷达—雨量计系统联合探测降水的方案,精度可进一步提高。如用Apple—Ⅱ微机与713测雨雷达联接组成的天气雷达探测与资料处理系统,还能实时提供区域降水量信息。     

国内外W波段毫米波云雷达定标技术的研究进展

为了利用毫米波雷达的回波数据精确地反演得到云的宏微观物理特性,必须对研制的毫米波雷达进行定标.本文重点介绍了国外几种定标方法：单个系统各参数贡献的定标;大雨滴对毫米波雷达的定标;三角反射器以及金属球对毫米波雷达的定标;利用海洋表面后向散射技术的定标以及Cloudsat 作为雷达校准器的定标.这些定标方法对于国内毫米波雷达更好地应用于实际探测具有重要的研究价值.     

1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅰ:谱宽和速度

为揭示多普勒雷达速度谱宽资料对1522号台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变规律的指示作用,基于常规观测资料、多普勒雷达资料和ECWMF再分析资料,分析3个衍生龙卷的超级单体速度谱宽和中气旋速度演变特征。研究表明,速度谱宽可提前10~30 min预示强对流风暴的变化。根据速度谱宽σ与湍能耗散率ε的关系分析,提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型。当对流单体进入新的发展阶段时,谱宽值加大呈增强状态;当对流单体处于维持稳定阶段时,谱宽值减小则呈减弱状态。衍生汕尾海丰水龙卷的中气旋最大切向速度19.5 m/s,属中等强度中气旋。衍生顺德龙卷和番禺龙卷的中气旋最大切向速度＞27 m/s,均属强中气旋。用多普勒雷达中气旋算法识别的中气旋在距离较远（＞80 km）和较近(＜17 km)距离上有漏报现象,人工纠正有利于更正预报结果,更准确地指导防灾减灾。      

W波段毫米波云雷达技术的研究进展

毫米波雷达相比于厘米波雷达对非降水云的观测具有更高的灵敏度,因此世界发达国家已经广泛利用毫米波雷达进行云的观测实验。国内的毫米波云雷达受器件及加工工艺的限制仍处于发展阶段,在此背景下本文从地基、机载以及星载3个方面对国内外W波段毫米波云雷达进行总结,根据毫米波雷达的天线、发射电路、接收电路以及信号处理4个方面分析其原理框图及性能参数,最后利用英国Chilbolton观测场的94GHz Galileo雷达对2008年4月4日的非降水云进行回波数据的分析,结果表明Galileo毫米波雷达能够很好地对云以及雾进行探测,其结论为国内W波段毫米波云雷达的设计提供借鉴。     

2012年春季宜春地区降水期间高空风的频谱分析

利用地面和梯度塔的风连续观测数据进行的频谱分析已经开展很多,而受资料限制,高空风的频谱分析仍较欠缺。本文使用风廓线雷达获取的长时间序列连续测风数据,运用傅里叶变换的方法,计算了风的脉动谱密度。脉动谱能够反映不同频率的风速涨落对风动能的贡献。使用2012年4月江西宜春前汛期期间的高空风连续数据,结合地面降水资料进行了1 000～3 000 m高度区间的频谱分析,发现地处前汛期雨带上的宜春地区降水存在着两种不同时间周期的天气系统影响,脉动谱的分布表现出时间周期为5～7 d和2～3 d的峰值区。分别对两种不同时间周期的天气系统频谱进行了分析,并与平稳天气时的频谱进行比较。5～7 d周期峰区的脉动谱密度数值为2～3 d的4～5倍,脉动谱峰区在2 000～3 000 m高度上较强,峰值强度向下迅速降低;2～3 d周期的脉动谱峰区在低层比较明显,峰值强度较弱。风的脉动谱分布与地面降水的时间周期较为吻合。     

风的空间不均匀分布对风廓线雷达数据质量影响研究

风廓线雷达基于均匀风场假定条件计算水平风,在不考虑雷达系统测量误差的情况下,探测波束内风的不均匀性是影响雷达数据质量的主要因素。通过5波束风廓线雷达计算出两组独立的水平风分量Ue、Uw和Vn、Vs,利用旋转坐标系方法将风的水平速度不均匀分布和垂直速度水平不均匀分布对雷达测风的影响进行分离,对北京延庆CFL-08风廓线雷达2012年全年数据进行时间一致性平均质控处理,针对一小时分辨率数据分析了两种不均匀对测风数据质量的影响程度。结果表明：(1) 雷达波束空间内的水平不均匀和垂直不均匀对水平风测风数据的质量均有影响,影响程度与风速大小有关;(2) 晴空条件下垂直速度较小,水平不均匀是影响测风质量的主要因子,水平不均匀与垂直不均匀对测风质量影响比约为2:1;(3) 降水期间水平不均匀和垂直不均匀程度均大于晴空,二者对测风质量影响比约为1:1。本文分别分析了晴空和降水情况下风的空间不均匀分布对测风质量影响的可能原因,是改进水平风数据质量算法的预研究。     

非球形冰晶粒子毫米波IWC-Z关系的研究

冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。     

STUDY OF THE RELATIONSHIP BETWEEN IWC AND Z FOR NONSPHERICAL ICE PARTICLES AT MILLIMETER WAVELENGTH

Ice water content (IWC) plays important roles in weather and climate change. Determining the IWCs of cirrus clouds with millimeter-wavelength radar can be problematic due to influences of ice particle rotation on their backscattering cross sections. We here introduce models to describe the radiation patterns of six nonspherical particles of specific sizes. Simulations using HFSS software were applied to describe the differences resulting from different orientations and equivalent spheres. A double exponential function was used for fitting to describe the relationship between the particles’ maximum sizes and backscattering cross sections. The backscattering cross sections of nonspherical ice particles were computed by the method of moment, and those of the equivalent spherical particles were computed by Lorenz-Mie theory for three different orientations: fixed, horizontal, and random. Assuming that a mixture of nonspherical ice particles follows the B-H mixing model, the size distribution of cirrus particles obeys the exponential distribution measured by NASA in 2007. By computing the IWCs of cirrus clouds, which follows the above mentioned B-H model and exponential distribution, the radar reflectivity factors of nonspherical ice particles and equivalent spheres at three different orientations can be computed. Subsequently, the IWC results can be acquired by inputting the radar reflectivity variables into the well-known IWC-Z formula. The analysis described here demonstrates that when using the radar reflectivity Z, the orientation must be considered in order to determine the IWC. Using equivalent sphere theory, the derived IWCs underestimate the actual IWCs. These results are important for accurately retrieving the microphysical parameters of cirrus clouds.