石家庄S波段和X波段双偏振雷达定量降水估测应用研究

基于石家庄S波段雷达和X波段雷达、雨滴谱仪观测资料以及地面雨量计数据,分析两种雷达的R(ZH)、R(ZH,ZDR)、R(KDP)和R(KDP,ZDR)四种定量降水估测方法。结果表明,利用雨滴谱仪数据计算出的雷达反射率因子与雷达实测具有较好的一致性,但整体偏大5 dB;两种雷达使用R(KDP,ZDR)方法估测降水结果优于其他方法,使用偏振参量KDP能明显提高降雨估测结果,使用ZDR后,测雨公式较单参量提高不明显;使用R(KDP)和R(KDP,ZDR)方法,利用X波段雷达估测降水的准确度略高于S波段雷达,可提升约10%,利用高空间分辨率的X波段雷达可以提升城市降水估测的精确度。

C波段双偏振天气雷达偏振参量标准差分析与改进

标准偏差分析方法是有效评估雷达数据质量的关键。本文采用标准差分析法对C波段双极化雷达偏振参数进行了深入分析,以找出主要影响因素并优化参数配置。通过观测实验考察了典型天气过程中极化参数标准差的改善效果。结果表明:现有观测模式对C波段偏振参数的精度较低,并且不同仰角之间存在显著精度差异。其中,在1.5°仰角处,极化参数数据的精度高于0.5°仰角处。驻留时间、脉冲重复频率和脉冲数直接影响C波段双线极化雷达极化参数的标准差。通过优化脉冲重复频率和脉冲数,在不改变观测模式的情况下,提高了在相同停留时间内偏振标准差的精度。对两个典型天气过程中极化参数标准差的分析表明,在进行参数优化之前,冰雹过程中极化标准差普遍高于强降水事件;然而,在改进后,强降水事件中极化标准差精度通常优于冰雹事件。经过改进后的观测模式在一定程度上提升了C波段双极化雷达偏振参数数据的精确性。

两次森林火灾的双偏振雷达探测特征分析

通过对2020年3月17日山东烟台、4月23日山东青岛发生的两次森林火灾的双偏振雷达探测资料进行分析,结果表明:(1)森林火灾燃烧产生的灰烬上升到空中,随环境风向下风方飘散,形成烟羽,烟羽的雷达反射率因子在20 dBZ左右,火灾点上空很小范围最大值达36 dBZ。(2)两次山火的灰烬飘浮物随环境风向下游扩散的最远距离分别是65 km和94 km,最高上升高度分别达3.7 km和4.8 km。(3)追踪烟羽的前沿可以估算相应高度上环境风的速度;两次火灾都发生在晴天,环境风速不大,除了烟羽边缘位置速度谱宽值较大外,其余部分速度谱宽都很小,大部分为1~2 m·s^(-1)。(4)相关系数(C_(c))、差分反射率(Z_(DR))和差分相移(ΦDP)探测到的范围与雷达反射率因子的演变形态和面积接近,同样随烟羽的扩散而逐渐增大;C_(c)值非常小,大多数区域小于0.9,少数距离库库元的C_(c)值低于0.5;火灾点上空的Z_(DR)值有相对较小的区域,为2~3 dB,而火灾点下风方,大部分Z_(DR)值都很大,大多超过5 dB。(5)两次森林火灾的双偏振探测特征表明,产生回波的反射物主要是干草、松针等燃烧后的灰烬形成的水平尺度较大的非球形粒子反射物。

X波段双偏振雷达不同衰减订正方法对比分析

利用旬邑X波段双偏振雷达数据,采用Z_(h)-K_(DP)综合法、Z_(h)-K_(DP)综合分类法、ZPHI降水廓线法和初始相位法进行衰减订正对比分析,并将订正后数据与西安C波段天气雷达数据进行对比检验。结果表明,4种订正方法均能对反射率因子进行有效订正,订正后强回波中心与K DP强中心基本吻合,可基本还原降水分布特征;采用ZPHI降水廓线法订正后出现条纹状误差回波,订正效果较差;不同订正方法均可使X波段雷达反射率因子与C波段雷达反射率因子间的相关性提高;采用Z_(h)-K_(DP)综合法、Z_(h)-K_(DP)综合分类法和初始相位法订正后,强回波中心位置与C波段雷达较接近,订正后的反射率因子平均值与C波段雷达反射率因子值接近,绝对偏差和相对偏差减小;Z_(h)-K_(DP)综合分类法和初始相位法订正效果相对不稳定,Z_(h)-K_(DP)综合法订正效果较好且稳定。

“6.24”宁波强冰雹过程的双偏振雷达观测分析

本文通过利用气象观测站资料,NCEP(National Centers for Environmental Predicition)再分析资料以及宁波S波段双偏振雷达资料,分析了2022年6月24日宁波地区的一次强冰雹过程。结果表明:本次强冰雹过程在弱冷空气和地面辐合共同作用下产生,风暴A和B先以强的对流单体形态移动,在自西向东移动过程中风暴B加强为超级单体,雷达资料具有典型冰雹特征。风暴单体中低层出现三体散射、有界弱回波区,风场辐合,中气旋;中高层回波悬垂,伴随辐散风场。BWER(bounded weak echo region)对应明显ZDR柱(>4 db),对应相关系数低于0.9;风暴中高层有Z_(DR)“冰雹信号”和KDP空洞,低层形成K_(DP)柱(>4.0(°)/km)。根据双偏振特征,归纳出本次强冰雹过程的概念模型,给出各种典型特征的水平和垂直位置关系,分析其形成的物理基础。

雨滴谱数据在S波段双偏振天气雷达数据质量评估中的应用

结合T-Matrix方法和雨滴谱仪数据反演双偏振参量,设计了一种雨滴谱反演评估方法(雨滴谱法),利用其反演结果可对双偏振天气雷达数据进行评估。将此方法应用于不同类型降水过程的雷达偏振参量数据质量评估,结果表明:满足微雨条件时,雨滴谱法与传统的微雨滴法均能有效监测由雷达系统误差导致的观测偏差,且评估结果十分接近;不满足微雨条件时,雨滴谱法评估的不同类型降水过程的雷达数据质量与满足微雨条件下的评估结果十分接近,客观证明了系统调整后雷达运行良好、数据质量稳定;不同雨强(R)情况下,雨滴谱法的评估结果具有一致性。10 mm·h^(-1)≤R<20 mm·h^(-1)时,雷达观测的数据质量最为稳定。该雨滴谱法适用范围广,可动态评估双偏振雷达偏振参量质量,有助于雷达调整和数据校正。

地物对新一代天气雷达双偏振量的影响研究

双偏振量的数量级远小于回波强度(ZH),观测资料的准确是双偏振雷达资料应用的基础,地物引起的双偏振量异常此前大多被忽视。使用中国93部双偏振升级后的新一代天气雷达观测资料,通过长时间数据累积后的异常区确定地物影响的特征和范围,进而统计分析该影响在中国业务雷达中的整体比例、影响的主要来源、影响与雷达型号和观测模式的关系、影响随时间的变化情况、影响的性质及双偏振量的分布特征等,得到的结论如下:(1)地物使得双偏振量的累积值严重偏离降水区间,差分反射率因子(ZDR)累积值偏低1 dB以上,相关系数(ρH_V)降至0.92以下,差分传播相移(ΦDP)的标准差大于10°,该特征成为识别地物影响的主要依据。(2)地物影响不限于低层,仰角抬升后副瓣接收的地物信号也能产生类似的效果,大部分雷达近地面区域的影响占比在14%—32%、高仰角为4%—7%,远比地物对波束的遮挡影响严重。(3)地物影响主要由具备强散射能力的山脉和建筑物引起,当站点低于地形时,周围山脉是主要贡献者;当站点与地形高度接近时,周围建筑物是主要贡献者。(4)地物影响可用随机误差与系统误差的叠加来定量描述,使影响区内的双偏振量在单一时次的观测不确定度增大,且主瓣区域的影响比副瓣区域更严重。

变分框架下双偏振雷达直接同化算子的构建及其初步应用

双偏振雷达探测资料(简称双偏振雷达资料)能够更好地识别水凝物粒子特征。为发挥双偏振雷达资料的作用,更有效地同化双偏振雷达资料,提高对流天气的预报效果,发展建立了一套基于水凝物控制变量的双偏振雷达资料变分直接同化方案,并开展了观测算子和伴随算子的切线性及伴随检验、单点观测试验及真实个例的循环同化预报试验。切线性及伴随检验结果表明,该双偏振雷达资料直接同化方案的模拟结果符合精度要求,算子构建合理。单点观测试验表明,双偏振观测信息通过水凝物背景场误差协方差传递到水凝物等相关变量,实现了相关变量的协调分析。一个真实个例的循环同化及预报试验表明,双偏振雷达资料同化改进了分析场及预报场的热力和动力及微物理结构特征,进而提高了降雨预报效果。基于变分框架下的双偏振雷达资料直接同化方案能够合理同化双偏振雷达观测信息,并改进6 h降水预报效果,相对采用集合卡尔曼滤波方案同化该资料效率更高,更便于业务推广应用。

江苏雷暴大风双偏振雷达特征统计分析

利用双偏振雷达、地面自动站、闪电定位仪、探空等资料对江苏2012—2022年262次雷暴大风过程的环境参数和2020—2022年41个导致雷暴大风的对流风暴演变特征进行分析。结果表明:(1)雷暴大风发生在大气层结不稳定背景下,850 h Pa和500 h Pa温差中位数超过25°C,对流层中层存在干层;春季动力条件较好,0~6km垂直风切变中位数达到18.4 m·s^(-1),是夏季的2倍;夏季能量条件较好,CAPE平均值可达2 491.0 J·kg^(-1),而春季仅为977.5 J·kg^(-1)。(2)凝练和定量验证了基于双偏振特征量的雷暴大风风暴演变的概念模型:对流风暴的生命史分为3个阶段,初生阶段存在较强的Z_(DR)柱,Z和K_(DP)较弱且未及地;发展阶段K_(DP)柱显著增强,Z_(DR)柱稍有减弱;雷暴大风发生阶段Z、Z_(DR)和K_(DP)核心高度均明显降低。因此,较强的Z_(DR)柱,并伴随显著增强的K_(DP)柱是雷暴大风发生的前兆信号。(3)统计获得双偏振特征量预警指标:初生阶段和发展阶段多数分别发生在雷暴大风发生前60 min和前20 min;在0~2 km的高度上,3~4 d B的Z_(DR)大值区提前10~15 min到达雷暴大风站点。

天津区域鸟类活动的双偏振天气雷达回波分析

利用2022年6月至2023年3月的宝坻S波段双偏振天气雷达资料,对探测到的天津区域空中生物活动进行分析,结果表明:天津区域空中生物活动存在明显的季节变化和日变化。雷达能够探测到的候鸟迁徙回波集中在2月下旬到11月下旬,其中湿地鸟类活动在夏季比较明显,候鸟迁徙活动在2月、11月特别频繁,鸟类回波出现的时刻与日出日落有明显的关联。其中,秋季鸟类活动特征较为明显,回波在反射率产品上呈现明显的类圆形特征,回波强度能达到35 dBz以上;从径向速度产品上可以看出,鸟类飞行时径向速度约在10~27 m·s^(-1);从相关系数(CC)产品上看,鸟类回波的CC整体数值较低,主要分布在0.1~0.8;从差分反射率(ZDR)产品上看,ZDR分布不均匀,最大可达3~5 dB。相比于单偏振天气雷达,S波段双偏振天气雷达对空中生物回波的识别有显著优势。

基于雨滴谱参数反演的C波段双偏振雷达降水类型分类方法

降水类型分类对分析区域降水微物理特征、多源降水融合误差模型的构建以及雷达定量测量降水估计等都很重要。本文基于2015~2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达数据和南京地区滴谱仪观测资料,提出一种适用于南京地区的雷达降水类型分类方法,并对降水类型分类结果进行对比验证。首先,基于滴谱仪降雨率时序数据、地基雷达反射率因子平面位置显示数据和地基雷达反射率因子时间—高度显示数据,筛选出36次典型层状和对流降水过程。随后,统计3个滴谱仪站点典型层状(对流)降水的雨滴谱(DSD)参数,拟合得到适用于南京地区的降水类型分类线。将基于滴谱数据统计拟合的分类线应用于基于变分法反演的地基雷达DSD参数,进行地基雷达降水类型分类。根据典型层状(对流)过程降水类型分离指数的时间—高度分布,并对比星载双频测雨雷达(DPR)降水分类产品,对分类效果进行验证。最后,将分类结果应用于雷达分类定量降水估计,进一步说明降水分类的应用效果。结果表明,南京地区3个滴谱仪站点的拟合分类线非常一致,3个站点的典型层状(对流)过程均能够很好地分离在分类线两侧;与DPR降水分类产品进行对比分析,发现南京地区分类线的分类效果相对于其他典型降水分类方法,对层状和对流降水的识别率整体最高,分别为84.56%和72.64%;基于降水分类的雷达定量降水估计的测雨精度均优于未分类的测雨公式,且基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在四种分类测雨公式中整体性能最优,基于水平反射率因子的测雨公式[R(ZH)]在层状云降水反演中性能最优,基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在对流云降水反演中性能最优,基于水平反射率因子和差分反射率的测雨公式[R(ZH,ZDR)]对原有总体测雨公式降水精度的提升最为明显。

万宁双偏振天气雷达降水产品参数本地化及评估

为提高万宁双偏振天气雷达(CINRAD-SAD型)定量降水估测产品的准确性,使用万宁雷达探测半径内3部天气现象仪(WUSH-PW型)在2022年6次普通降水和3次台风降水的数据资料,采用非球形粒子的散射模型(T-Matrix)对万宁雷达的参量Z_(H)、Z_(DR)、K_(DP)进行了模拟,最后用最小二乘法拟合出了降水估测公式的本地化参数。分别对使用默认参数和本地化参数的1 h雷达定量降水估测产品(OHP)进行了总体评估、分降水量评估、分距离评估,还对使用雨量计订正后的降水产品进行了总体评估。评估结果表明:(1)使用本地化参数比默认参数计算得到OHP估测准确率提高了29.66%(OHP单偏振78号产品)和14.47%(OHP双偏振169号产品)。(2)使用本地化参数比默认参数在各个降水量级的估测准确率均有所提高,最多提高了36.82%。(3)使用本地化参数比默认参数在各个距离段的估测准确率均有所提高,最多提高了32.33%。(4)经雨量计订正后的本地化参数降水产品准确率均达到了90.00%以上,平均偏差比接近1,可作为降水真值使用。

广东省一次飞机暖云催化响应的双偏振雷达观测分析

为研究飞机暖云焰剂催化后云系发生的物理响应,利用汕尾市双偏振雷达观测量及反演的云微物理特征参量,结合大气环境场探测数据,对2020年8月30日在广东省汕尾市北部区域实施的催化过程进行了分析,结果显示:这次过程是盛夏季节副高边缘的一次以暖云降水为主的对流性降水过程,天气尺度系统强迫较弱,大气层结不稳定,但水汽不充沛。在积云发展的暖云阶段引入吸湿性催化剂,16 min之后,暖云云系体积开始增加,差分反射率因子、差分相移率、雨水含量及降水强度的平均值都有明显增长,雨滴尺度增大、浓度明显增加,雨滴质量平均直径(D_(m))和表征雨滴数浓度的标准化参数(lgNW)增长幅度分别达到10.3%和39.5%,云系维持了大约1.5 h。吸湿性核先在催化层附近吸收水汽增长为数量众多的小云滴,与自然对流发展伴随的上升气流加强相互叠加,增强了云滴的碰并过程。众多小雨滴被上升气流带入0℃层之上使过冷雨滴短暂增多,促进了霰粒子的生成。

一次长生命史超级单体风暴双偏振参量结构及演变特征

利用石家庄新乐S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料和常规气象观测资料,以及区域自动气象站观测资料,对2020年6月25日造成河北中部大冰雹的长生命史超级单体风暴双偏振参量结构演变特征进行了分析。结果表明:超级单体风暴产生在强热力不稳定和强的垂直风切变环境下。冰雹增长过程中超级单体风暴低层强回波中心大冰雹与强降水共存,反射率因子超过65 dBz,对应较小的差分反射率因子(Z DR)和相关系数(CC),超级单体风暴左侧前后强回波区为弱降雨和少量融化的小冰雹,反射率因子在50~55 dBz,Z DR、CC和差分传播相移率(K DP)较大。超级单体风暴中层的Z DR柱、CC低值区、K DP柱位于有界弱回波区左右两侧,左侧CC低值区位于强回波中心,由于存在混合相态且结构差异较大,CC更小;右侧K DP柱更强,位于有界弱回波区内。高层狭窄的Z DR柱位于强回波中心右侧边缘,CC低值区位于强回波中心。在中高层有界弱回波区和强回波中心区域存在强的上升气流。在大冰雹下落过程中,Z DR洞扩展到最低仰角且宽度加大,这可作为大冰雹即将落地的判据。低层Z DR弧加强表明低层旋转加强。虽然强回波中心对应的CC低值区、Z DR柱高度迅速下降且强度明显减弱,但一直存在,表明较强上升气流一直存在,因此超级单体能够长时间维持。

泰山一次强雹暴微物理特征双偏振雷达和雨滴谱观测分析

为了研究雹暴的微物理特征,利用双偏振雷达和雨滴谱仪探测资料,结合粒子相态分类算法,对2020年6月1日发生在泰山的一次降雹天气进行了分析,获得了雹暴云影响泰山站时附近区域雷达参量、水凝物粒子、降水粒子谱分布特征。研究表明:雹暴云前缘开始影响泰山站时,反射率因子(ZH)梯度大值区紧邻泰山站,与差分反射率(ZDR)弧位置大致重合,此处主要为大滴粒子,由上空霰粒子融化形成;雨滴谱为双峰结构,对降水贡献较大的为2~3 mm粒子。当雹暴云主体影响泰山站时,其前侧径向出现三体散射,上空出现悬垂回波,泰山站附近区域主要识别为雹粒子;泰山站南侧出现有界弱回波,该处辐合升运动增强,被ZDR大值半环绕,主要分布大滴与雹粒子,夹杂霰与湿雪粒子;归一化等高频率(CFAD)显示冰相过程增强;-10℃层以下雹粒子主要由-10~0℃层的霰粒子凇附上升气流携带的大滴与中小雨粒子形成,这些粒子无法下落碰并形成尺寸较大的降水粒子,雨滴谱变为单峰结构,对降水贡献最大的为14~16 mm粒子。雹暴云主体离开泰山站,CFAD显示冰相过程减弱,冰晶凇附过冷云滴转化成霰的效率降低,泰山站上空识别出大量的冰晶与干雪粒子,出现层状云降水特征;雨滴谱再次变为双峰结构,第二峰值为2~3 mm粒子,对降水贡献最大。

双偏振天气雷达新体扫模式试验评估分析

针对体扫模式VCP21D在5°仰角以下垂直方向上采样较少及附近有探测空隙的问题,借鉴WSR-88D的体扫模式,建立VCP12D、VCP212D、VCP215D、VCP35D 4种新体扫模式,并利用营口双偏振天气雷达进行业务试验,结果表明:4种新体扫模式灵敏度和数据质量与现在业务模式VCP21D基本一致,地物抑制能力相当,满足业务运行指标,可以在业务中应用。强对流探测模式VCP12D和VCP212D较VCP11D增加了低层的垂直分辨率,可以获得距离雷达100 km之外更为详细的探测数据,同时扫描时间从5 min缩短到4 min,对于发展较快的强对流风暴探测效果更好。非强对流降水模式VCP215D较VCP21D增加6层探测仰角,可以获得更为连续的垂直探测产品,可以更为完整和精细地表现回波结构特征和风暴顶高度,探测时间与VCP21D相当,优越性明显。晴空模式VCP35D较VCP31D探测到的数据范围略小,但时空分辨率更高,探测优越性明显。新体扫模式提升了最大不模糊速度,VCP12D、VCP212D、VCP215D高层(10°以上)提升到33.36 m·s^(-1),VCP212D、VCP215D低层(0.5°~1.3°)提升到28.47 m·s^(-1),VCP35D整层提升到26.38 m·s^(-1)。

深圳X波段双偏振相控阵雷达降水估测算法效果评估

为验证X波段双偏振相控阵雷达的降水估测能力,利用2020年深圳市X波段双偏振相控阵雷达探测资料和广州市S波段双偏振雷达探测资料,建立基于双偏振雷达参量强弱(即ZH、ZDR和KDP)的本地化混合降水反演方法,对不同降水使用最优的雷达参量进行定量降水估测,统计广东龙门县2016年雨滴谱观测资料,得到降水估测公式中的系数,分析不同时间、空间和降水强度下降水个例,利用本地化降水反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料对比。结果表明,高时空分辨率的X波段相控阵雷达可以提高降水估测精度。X波段相控阵雷达在高时间分辨率下,其估测降水强度变化趋势和自动站观测的降水强度变化趋势一致,并且对降水强度小于40 mm/h的降水估测较为准确。在最大观测范围内,X波段相控阵雷达能观测到低层的气象信息,其降水估测的评估结果优于S波段雷达。X波段相控阵雷达对暴雨以下的降水估测更加准确,对暴雨以上的降水估测结果误差较大,可信度不高。

强冰雹和强降水超级单体风暴双偏振特征差异性

利用青岛双偏振多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域气象观测站资料,对2019年8月16日发生在山东诸城的一次强冰雹超级单体风暴和2020年8月3日发生在山东高密的一次强降水超级单体风暴双偏振特征差异性进行分析。结果表明:(1)风暴低层上升气流区一侧都存在明显的Z_(DR)弧,强上升气流区周围都分布有Z_(DR)环、深厚的Z_(DR)柱和K_(DP)柱。(2)主要差异包括诸城强冰雹超级单体风暴的强度明显较强,强中心高度明显较高,中气旋旋转强度和风暴顶辐散强度明显较强,但Z_(DR)柱与K_(DP)柱高度较低,Z_(DR)柱与K_(DP)柱宽度明显较窄,强的中气旋旋转强度和风暴顶辐散强度有利于强回波核的悬垂及冰雹增长;高密强风暴更加宽阔、深厚的上升气流将浓度较高的液态或小的湿冰粒子带至较高高度,Z_(DR)柱与K_(DP)柱高度较高。(3)湿度垂直分布和风场垂直廓线对风暴强度与天气实况起到关键作用。诸城强风暴产生在较干的湿度垂直分布和西北气流环境条件下,以强冰雹为主;高密强风暴产生在较湿的湿度垂直分布及西南气流环境条件下,以高强度降雨为主。

五寨C波段双偏振多普勒气象雷达数据质量分析

旨在分析五寨C波段双偏振多普勒气象雷达偏振量参数及其关系。对雷达差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数CC与水平反射率因子ZH、信噪比SNR进行参数关系可视化分析,计算分析ZDR、KDP、CC的平均值与标准差对应ZH和SNR变化的关系,得到雷达参数可用阈值。研究发现当回波强度ZH>15dBZ时,雨滴大部分呈球状,差分反射率在0dB附近;当ZH>15dBZ时,KDP标准差变小,平均值变稳定,当ZH>40dBZ时,KDP随ZH增大而增大,降水粒子变大后能够引起KDP的增大,说明KDP对强降水更敏感;当SNR>15dB时,相关系数大多在0.95附近。可作为降水研究雷达数据质控的依据。

X波段双偏振雷达回波实时反演研究

为了确保YLD1-D型X波段双偏振多普勒天气雷达各类型回波能够实时生成并叠加到“威宁县气象综合业务管理系统”的GIS地理信息系统上,有效订正雷达数据。通过数据处理主机与服务器搭建于同一局域网,实现了数据采集与上传等功能,对雷达基数据进行加工处理,形成可叠加的回波图嵌入系统内。经过多次测试表明,系统能实现实时采集雷达数据并更新回波图,为本地气象服务带来极大便利。