利用无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定试验

文章针对天气雷达缺乏远场标定能力的现状,提出利用无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定的方案。通过给出无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定试验的测试项目与条件,完成了对雷达天线、发射通道和接收通道的标定测试,试验结果符合相关技术要求。后期将对标定仪做进一步改进和完善,以期更好地满足雷达标定业务需要。

郑州“7·20”极端暴雨的双偏振雷达回波与风场特征分析

为了细致地了解郑州极端暴雨的雷达回波特征与内部动力特征间的联系,利用地面自动站、探空、欧洲中期再分析资料以及双偏振雷达,分析了中尺度对流系统发展和成熟阶段的回波和雷达反演的风场结构,揭示了对流系统内粒子相态特征,动力特征等宏微观特征。主要研究结果如下:反射率因子特征为南北向的带状区域逐渐汇集为团状;径向速度特征为低层辐合和风向随高度顺转的强垂直风切变;基于雷达偏振量的分析,给出了对流系统局部结构,进一步的研究表明:差分反射率狭窄的强弧状区域可有效地指示对流系统内的强上升运动,其为极端降水系统的持续性发展提供了动力强迫;剖面上差分反射率柱与差分相位常数柱在空间分布上呈现出分离现象,两者体现出对流系统内的强上升运动,为暴雨的发展与增强提供了强有力的支持。

微波辐射计联合云雷达的相对湿度校正方法

基于中国气象局大气探测试验基地地基遥感垂直廓线系统中云雷达与微波辐射计同址观测的优势,使用2021年8月—2022年7月毫米波云雷达、探空数据,分析云雷达反射率因子与相对湿度特征关系,提出联合云雷达的微波辐射计相对湿度分段校正方法,实现云区微波辐射计相对湿度实时校正,并利用2023年1—8月探空和2023年7—8月ERA5(ECMWF reanalysis version 5)逐小时再分析数据进行误差分析。结果表明:入云区的相对湿度与反射率因子间呈正相关关系,云区中段相对湿度近似饱和状态,出云区与入云区相对湿度随高度变化近似对称;层状云条件下校正后微波辐射计与探空和ERA5相对湿度的均方根误差比校正前分别减小7.99%和8.91%,偏差中位数绝对值分别减小12.62%和13.05%,且连续观测时次经校正后误差均减小,校正效果较好;对流云条件下校正效果也较好,但部分个例存在过度校正。因此,联合云雷达的相对湿度分段校正方法能够实现微波辐射计相对湿度廓线的连续实时校正,可提高有云条件下微波辐射计的观测质量。

新型透波接闪杆在X波段天气雷达防护中的应用

针对X波段天气雷达受金属接闪杆或金属引下线干扰时出现反射率、差分反射率等参数劣化的问题,本文采用精细设计的非连续片段式金属箔片阵列作为引下线的导流结构,与高性能复合材料杆相结合设计了新型透波接闪杆,成功解决了透波与雷电通流的难题:接闪杆导流结构接闪时受雷电电场激发形成连续等离子体通道,成为承载雷电流通路;非连续的金属箔片大幅降低了雷达反射率。为验证新型透波接闪杆防护与透波能力,开展了试验测试:①高压附着接闪与冲击通流能力测试,结果表明新型透波接闪杆平均击穿阈值为4.45 kV/cm,冲击通流能力大于150 kA(±10%,10/350μs波形),满足GB50057和QX/T2-2016标准规定的第二类建筑雷电防护要求;②实地安装试验测试,结果表明相较于金属接闪杆,新型透波接闪杆对雷达反射率、差分反射率等关键参数的影响大幅降低。本文研究的新型透波接闪杆能够降低避雷系统对雷达探测性能的影响,可以在类似相控阵雷达直击雷防护中进一步应用和推广。

基于GNSS-RTK定位的无人机L波段探空系统标定方法

随着我国北斗卫星导航探空观测系统升级换代工作逐步推进,降低L波段探空系统测风数据差异的需求尤为迫切。利用无人机GNSS-RTK定位信息研究新的标定方法,相较传统标定手段,避免人为因素干扰、极大的降低测量误差,新的标定方法更加科学有效,对保证测风数据的有效性,提高高空气象观测数据质量具有重要应用意义。

银川机场多普勒雷达二次回波的识别与解除方法

为了解决多普勒雷达的异常回波问题,文章重点介绍了银川河东机场2022-07-04出现的异常回波及二次回波的产生机制,并对此次回波进行了分析识别;总结了批处理法去距离折叠和相位编码法去距离折叠的原理和优缺点。研究结果旨在为雷达的日常维护工作提供支持。

广东新一代天气雷达故障率及运行时效评估

文章对广东省范围内新一代天气雷达故障率及运行情况进行了系统性分析与评估,通过统计故障发生频次、故障发生时间、故障发生部位及故障持续时间数据,分析雷达在运行保障等方面的现状并提出改进方法。建立天气雷达运行能力评估指标体系,根据能反映雷达运行能力的各类数据,可以对全省的业务考核雷达进行评估。

晕渲图技术在气象模式数据可视化上的应用

晕渲法根据山体阴影值的原理,利用光照角度和方向、坡度和坡向的关系来计算光通量的明暗值,利用色调的明暗来展现气象模式数据的立体感。晕渲图的着色方法是将每个格点上的明暗值作为HSV色彩模式中的明度,结合饱和度和色度获得HSV色彩值,再通过HSV色彩模式和RGB色彩模型之间的转换,使用RGB色彩模型进行着色,实现气象模式数据彩色晕渲图的绘制。本文在气象模式数据的可视化工作中,利用晕渲图技术,实现对物理概念上与地形类似的气压、位势高度等数据的三维绘制。相比于传统的等值线填色方法,晕渲图技术能够直观表现大气形势场的立体分布,以凹凸效果表现高低值天气系统,通过坡面的陡度体现天气系统的梯度变化;能够展现数据的像素级细节,识别梯度较小的涡流扰动,显示等效地形影响,帮助气象工作者更好地解释数据,为气象模式中数据处理的改进提供参考。

风廓线雷达资料在典型天气过程预报预警中的应用

本文基于上海市宝山站2020年11月建成的探测高度16 km的对流层风廓线雷达(TWP16型)资料,结合多普勒雷达产品、宝山自动站观测和MICAPS高低空环流实况数据,对比分析了影响宝山地区的寒潮大风、强对流大风和台风大风过程中TWP16型风廓线资料的演变特征。结果表明:TWP16型风廓线资料对宝山地区上空垂直方向上高时空分辨率的风场变化有一定的刻画能力,能较好地反映出三类大风天气过程中高低空急流、垂直切变、冷暖平流的结构及变化,对影响本地的大风天气监测预警有一定的指示作用。

2007年7月8日特大暴雨过程的中尺度特征

利用雷达、卫星、闪电定位仪及NCEP资料分析了2007年7月8日在安徽沿淮西部出现的特大暴雨过程的中尺度特征。分析结果表明:造成特大暴雨的强对流回波带与近地面层925hPa辐合区位置一致,而且回波单体移向与回波带走向一致,另外发现该中尺度对流雨团(rainstorms)属于后向传播,其传播方向和单体的移动方向相反,使得强回波在特定区域保持相对静止,造成特大暴雨;逐时降水极值基本出现在对流发展旺盛和对流回波发生合并时。另外通过分析单多普勒雷达反演二维风场发现,中低层气旋性切变的维持是强降水形成和维持的重要条件。

利用雷达回波三维拼图资料识别雷暴大风统计研究

应用雷达回波三维组网拼图数据、加密自动站和地面灾害大风资料,对2008—2012年京津冀地区20次区域性雷暴大风天气过程进行了统计。检验了基于模糊逻辑建立的利用回波强度识别大风的算法,分析了大风出现的位置。该大风识别算法确定了雷暴大风的6个雷达识别指标及其对应的权重系数和不同季节的隶属函数。检验分析块状回波、带状回波和片状回波3类大风过程的识别效果,结果表明:块状回波类大风是由孤立的强单体风暴引发的,风暴单体具有回波强、回波顶高、垂直积分液态水含量大和移动快等特点,雷暴大风多出现在风暴单体附近且二者移动路径一致;带状回波的长度远大于宽度,主要包含飑线和弓状回波,大风影响范围广且多位于带状回波的前沿一带;片状回波多指大面积层云回波中镶嵌着强回波单体块的混合回波,对应出现的雷暴大风多位于风暴单体的周边区域。3类回波识别到的可能出现大风区域与实测大风范围基本吻合,块状、带状和片状3种类型的雷暴大风命中率分别为96.2%、68.6%和45.3%,漏报率分别为3.8%、31.4%和54.7%。由于垂直积分液态水含量偏低和回波强度弱,片状雷暴大风识别漏报相对较多;空报原因除了与测站分布稀疏有很大关系外,也与识别算法本身有关。识别检验证明雷暴大风综合识别方法是合理可靠,切实可行的,可以为雷暴大风的短时临近预警业务和系统开发提供技术支撑,这一工作也为进一步预警大风出现的位置提供了基础。

基于X波段双线偏振天气雷达的雷暴云粒子识别

为了进一步认识雷暴云中影响起电的主要水成物类型,联合714XDP天气雷达观测到的偏振参量(Z_H、Z_(DR)、K_(DP)和p_(HV)),在利用模糊逻辑方法的基础上引入温度(T),对中国西北地区夏季雷暴云中的水成物类型进行识别,将水成物分为11种。参考S和C波段及少量的X波段偏振雷达的粒子识别研究,得到11种粒子对应的各偏振参量阈值。分析了2007年7月24日的一次观测过程几个时刻的偏振参量、地面电场、放电频数及识别结果,并与利用三维雷暴云动力电耦合数值模式模拟出来的粒子分布结果做了对比。结果表明,选取的偏振参量阈值基本合理,采用的模糊逻辑方法能有效、合理地识别出雷暴云内水成物的相态和分布,而且利用K_(DP)可以大致判断云内电荷区。

风廓线雷达回波信号强度定标方法

风廓线雷达返回信号功率定标通常通过返回信号信噪比和系统噪声功率的估算得到。该方法存在着噪声电平的确定、外部噪声等不确定性因素,影响了定标的精度。采用信号源分别对接收机和信号处理器进行定量测试,进而对雷达系统进行定标,是另一种可行的办法,该文利用这种方法对CFL-03风廓线雷达进行了定标,并利用该雷达在东莞2009年7月和8月探测资料与广州S波段天气雷达和地面雨量计资料进行比较。结果表明:用该定标方法得到的回波强度与天气雷达回波强度和地面雨量计资料估算的回波强度基本一致,平均标准差在1 dB左右,表明这种定标方法是可行的。

半干旱地区卷云特征的激光雷达探测

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2007年4~11月微脉冲激光雷达（MPL-4B）观测资料,统计分析了卷云的高度、厚度及其变化特征。采用透过率方法计算了卷云光学厚度,得到了卷云光学厚度与卷云厚度和云底高度的相关关系。结果表明,SACOL卷云出现的平均海拔高度为10.16±1.32 km;卷云厚度分布范围为0.30~2.80 km,平均值为1.10±0.49 km;光学厚度分布范围为0.003~1.057,平均值为0.17±0.16,SACOL卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主;6、7、8月卷云出现高度较其他月大,厚度和光学厚度较小;卷云光学厚度与卷云厚度呈正的线性相关关系。

S波段多普勒天气雷达非降水气象回波识别

在气象条件为晴空或有云但无降水的情况下,在雷达站附近经常可观测到大面积的非降水气象回波,这些回波对定量估测降水和雷达资料同化效果产生重要影响。为了有效识别这些非降水回波,该文发展了基于模糊逻辑识别和回波分块的非降水气象回波识别算法(NPMDA)。该文首先利用地面和卫星资料为标准,提出了非降水回波的确定标准,并利用北京SA雷达,对非降水气象回波特性进行了统计分析,得到了隶属函数。在非降水回波识别时首先采用SCIT算法将回波组合成片,然后对整个PPI进行初步的判断。对不能初步判断为降水的PPI,采用模糊逻辑的方法计算成片回波的属性值,依据成片回波的属性值得到片内回波逐点识别时的阈值,从而实现了回波的动态阈值识别。结果表明:对大部分非降水气象回波识别效果较好,对较强降水回波误判较少,弱降水回波有时会出现一定的误判。与NCAR使用的ICADA方法相比,NPMDA方法能明显提高非降水回波的识别率,减少降水回波的误判率。

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达(WPR)联合RASS(Radio Acoustic Sounding System),GPS/PWV(Global Position System/Precipitable Water Vapor)进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿(q_0)反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg^(-1),误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS,GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg^(-1)。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n^2与谱宽σ_(turb)~2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。

空管气象工程中雷达监测站的使用研究

为了提高空管气象工程中雷达监测站的气象探测能力和监测数据的可信度,降低系统故障发生率,本文以某机场空管气象工程中风温廓线雷达监测站为例,首先分析了国内机场雷达监测站使用存在的主要问题,并提出了多元气象探测数据融合等多项优化解决措施,然后在linux环境下采用PCI驱动程序对雷达监测系统进行了设计开发,保证数据检测准确度的同时提高了雷达监测站的工作效率,对未来空管气象工程中雷达监测站的使用研究具有一定的借鉴意义。

确定风廓线雷达功率谱噪声功率方法

风廓线雷达以测风为主要目的设计,没有充分考虑强度的定量测量。如果能够实现强度定量测量将大大扩展风廓线雷达的应用范围。首要的扩展应用就是可以获取雨滴谱分布、解决降水定量测量准确性问题。若实现强度定量测量,需要解决的一个关键技术问题是如何由其功率谱数据准确计算噪声功率。该文根据风廓线雷达功率谱估计方法、依据噪声频域统计特性,提出了一种计算风廓线雷达功率谱噪声功率的方法,并利用风廓线雷达实测功率谱数据进行检验。检验结果表明:即便在有降水或存在地物时,该方法仍可以准确、快速分辨出噪声功率谱,且客观有效。

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵(简称收发子阵),通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°～90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。

VIL中心区自动识别、跟踪和临近预报

利用多普勒天气雷达体扫数据资料计算垂直累积液态含水量(VIL),用逐步增大初始阈值法识别VIL中心区;利用动态预测面积比法、分类跟踪法以及中心区面积守恒原则相结合的方法对中心区进行跟踪;运用线性最小二乘法、线性集成法和线性外推法对中心区的重心位置进行临近预报。实例结果表明:所使用的方法能很好地识别、跟踪和预报VIL中心区。