双线偏振雷达降雨估测分析

本文提出排序配对逼近法来拟合１９９３—１９９４年１３１４次雷达和雨量计的取样资料，这样既弥补了线性回归法的不足，又提高了区域降水估测的精度。由误差分析知道：估测１０００ｋｍ２以上区域的降水时，对双线偏振雷达而言，其估测精度将极有可能降低到１０％以下且比常规雷达有明显改善；双线偏振雷达的两种估测公式之间差异不大；按降水强弱分型处理可提高常规雷达估测精度。

双线偏振雷达测量精度的统计分析与降水估测

：通过对双线偏振雷达１９８８－１９９０年一些观测资料的统计分析，我们发现：空间相关系数Ｖ、时序相关系数、差示反射率因子ＺＳＲ及其均方差ＤＲ各自遵从一定的统计分布规律；ＤＲＮ（ｂＢ）与Ｔ之间近似呈线性负相关；选择３２对预平均处理取样模型为最佳；当Ｔ＞０．９５：预平均样本数为３２时ＤＲ可降到０．２ｄＢ以下。这些结论为我们提高双线偏振雷达的性能和探讨该系统的气象应用提供了依据。另外，在选择最佳采集方式后，测量精度将不再是区域降水估测误差的重要来源。

双线偏振雷达的降水估测 Ⅰ.排序配对逼近法

提出使用新的途径──排序配对逼近法得出的双线偏振雷达降水估测ＺＲ关系参数因子比线性拟合法具有更好的代表性，且能体现提高区域降水估测精度，也能根据实际情形采用其它的误差类型作为获取及衡量参数的标准。对指数函数形式的ＺＲ关系来说，其参数因子Ａ０，ＡＨ及ＡＤＲ分别为０．０１６８４，０．０９６和－０．４１６５。该方法可以推广应用到多个变元及参数因子的复杂函数中。

双线偏振雷达的降水估测 Ⅱ.误差分类分析

详细地定量分析了降水估测中的ＺＲ关系和各类误差。由此可知，指数函数形式与幂函数形式的ＺＲ关系之间无明显差别；ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大；双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小；ＺＲ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５，因而不容忽视。降雨强度的估测误差可认为呈一偏差逼近于０而标准差约为０．２６５的近正态分布，这对提高区域降水的估测精度尤为重要。

双线偏振雷达天线辐射特性对差示反射率因子测量的影响

通过模拟分析,我们发现:由主瓣引起的水平和垂直偏振反射率因子dB数误差比旁瓣引起的同物理量dB数误差至少高一个数量级,并均与该点的反射率因子梯度有一定的相关性。主瓣引起的差反射率因子dB数误差有时可达到0.5 dB左右。这为今后对雷达天线的改进提供了依据。

黑河流域遥感-地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感—地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置。总体目标是,开展航空—卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例。以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法。由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究——模拟平台和数据平台建设组成。拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数。同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开。布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据。

GAME-TIBET青藏高原云和降水综合观测概况及初步结果

对中日合作青藏高原能量水分循环试验（ Ｇ Ａ Ｍ Ｅ Ｔ Ｉ Ｂ Ｅ Ｔ） 项目中云和降水的多普勒雷达观测使用的气象观测仪器和获取的资料等情况进行了扼要的总结，并给出了那曲地区降水的日变化、不同雨量计测量降水的对比分析、风速对测量降水影响、多普勒雷达资料的个例分析及云的数值模拟等初步结果。

青藏高原那曲地区雨季雷达回波、降水和部分热力参量的统计特征

利用 1998年青藏高原地面雷达资料、探空资料和地面降水资料 ,计算分析了青藏高原的雷达回波、层结热力参量及其降水的统计特征。结果表明 ,在 6月中旬青藏高原雨季来临之后 ,云中对流活动明显增强 ,雷达回波强度增大 ,回波顶高和回波面积增加 ,层结热力参量明显改变 ,对流凝结高度下降 ,气块能量增加 。

青藏高原地面Doppler雷达与TRMM星载雷达测云比较

利用 1998年青藏高原地面Doppler雷达资料和TRMMPR资料进行对比分析 ,分别从不同角度出发 ,分析了Doppler雷达和TRMMPR所测云区在回波结构和回波强度等方面的相同和差异之处 。

偏振多普勒雷达定量测量降雨精度的改进

提高雷达估测降雨的精度一直都具有非常重要的实用意义,但是由于雨滴谱的地域差异性使得雷达测雨公式并不具有广泛的适用性。利用黑河流域遥感-地面观测同步试验(WATER项目)期间获得的大量不同类型降雨的雨滴谱资料,通过提取大量的雨滴直径D和对应的下落速度v,分析得到了它们之间的关系:v(D)=4.67D0.53。同时还得到了对应层状云和对流云雷达定量测量降雨的Z-R关系。利用滴谱数据计算得到对应X波段的双偏振雷达参数:差分反射率ZDR和差分传播相移常数KDP。并运用ZDR和KDP分别得到了适应层状云和对流云降雨的R(Z)、R(KDP)、R(Z,ZDR)和R(KDP,Z,ZDR)关系。通过降水过程获得的地面雨量筒数据和雷达实测数据,对各测雨方法进行了检验,发现组合参数的测雨公式能够很好地提高雷达测雨的精度。

防雹减灾专家系统

防雹减灾是一项重要且科学技术性很强的工作。为了提高防雹减灾工作的效益和作业的科学性 ,我们研制了防雹减灾专家系统。该系统是一个知识库 ,集成了防雹减灾工作需要的有关理论、技术和数据。对于防雹减灾工作者它可作为防雹减灾作业的决策工具 ,用于指导防雹减灾作业。对于科研人员它是一个研究平台 ,可以提供研究工作所需要的观测数据和设备。本文着重叙述研究该系统的理论依据 ,包括防雹减灾原理 ;冰雹云的预报、识别方法 ;防雹减灾作业技术 ,包括作业时机、作业部位、作业量的确定方法 ,各作业点、作业方位仰角的计算方法等 ;

地闪与对流性天气系统中降水关系的分析

利用１９９７年夏季在中国科学院兰州高原大气物理所平凉雷电与暴雹实验站设置的３站闪电定位系统所取得的地闪资料与雷达、降水及探空等资料进行了对比分析，发现地闪与对流性天气中的降水有较好的相关性，这种相关性用来对一般性对流天气中降水进行估测是可行的。通过非线性回归近似拟合得到平均雨强与对应时段内的地闪数回归方程为Ｒ＝１．６９２ｌｎＦ－０．２７３，相关系数ｒ为０．８６４１。同时地闪频数与层结最大不稳定能量一样能够指示对流性天气的发生和发展。

双线偏振雷达测雨效果的对比分析

本文根据１９９３、１９９４年１５次展状云和１２次对流云降雨过程的地面降雨资料和Ｃ波段双线偏振雷达资料，对双线偏振雷达和普通雷达测量不同强度降雨的效果进行了评估和比较。结果表明，从相对误差来看，双线偏振雷达使普通雷达的小雨高估、大雨低估的测量误差趋势减弱，它对小到中雨的测量结果优于普通雷达。双线偏振雷达大雨高估的现象可能与强对流性降雨中冰相粒子的存在有关。

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。

青藏高原那曲地区冰雹天气系统中的大气电场

利用 1 998年 4～ 9月间进行的GAME TIBET青藏高原云和降水的多普勒雷达及大气平均电场加强期观测实验资料 ,对青藏高原那曲地区的冰雹天气系统中的大气电场作了定量观测和研究。结果表明 :在降雹过程中大气电场强度基本上均为负值 ,其峰值也均强于- 2 2kVm- 1;在降雹过程中随着降雹时间的临近 ,大气电场强度不断增强 ,但降雹开始时大气电场强度并未达到其峰值 ,峰值出现的时刻比开始降雹的时刻略有滞后 ;在各降雹日中 ,较强的大气电场强度基本上对应着各冰雹谱分布段较多的冰雹数目 ,而这种较好的相关在各谱分布段上都表现出来 ;随着降雹时间的临近 ,每 5min闪电频数不断增强。在开始降雹时每 5min闪电频数平均达到 43,峰值的出现时刻略滞后于开始降雹的时刻 ,这一滞后时间一般平均在 3min左右 ;在降雹过程中 ,单位面积中的冰雹数目与对应时段内总闪电数有着较好的对数关系 ,相关系数R为 0 .9540。在降雹过程的时间序列上 ,冰雹云成熟期过后 ,总闪电次数与冰雹降雹率成反相关。

X波段双偏振多普勒天气雷达降雨估算试验

用X波段双偏振多普勒天气雷达和RG3-M型自动采集翻斗式雨量计,经过严格科学设计,在平凉野外布置试验场,采用与天气系统移动方向一致的两次层积云资料,验证X波段双偏振多普勒天气雷达的测雨能力。试验表明:雷达原始数据滤波处理的好坏直接影响降雨估算精度的高低,特别是对R(Kdp)和R(Kdp,Zdr)影响明显,滤波后数据点的空间平滑是必要的;发展了用雨量计反演雷达测雨参数方法,此方法改进了不同地区、不同雨滴谱分布情况下雷达定量测雨能力;同时表明X波段雷达受降雨衰减的影响比较严重,这些试验结果可作为下一代测雨天气雷达的重要参考依据。

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

文中分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率(KDP)作为衰减订正的一种有效途径,以及由于KDP值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子ZH与KDP进行衰减订正的ZH-KDP综合法。基于同样的考虑,在随后利用ZH、KDP进行降水估测时,提出了ZH-KDP-R综合估测方法。利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得的一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明,ZH-KDP综合法对ZH、ZDR有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求。2005年8月11日15:08:03—22:05:46,间隔5—12min不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明,ZH-KDP-R综合估测法比单因子KDP-R法、Z-R关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合。Z-R关系法中,利用订正后的ZH值,比利用订正前的ZH值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善。

双线偏振天气雷达有效探测范围研究

双线偏振天气雷达是当前一种比较先进的天气雷达,它能同时获取云和降水特性的参量包括强度(Z_h)、速度(V)、谱宽(W)、差反射率(Z_(dr))、差传输相移(Φ_(dp))、比相差(K_(dp))和相关系数(p_(hv))。这些参量的数据精度决定了识别云和降水粒子及遥测区域降雨量的准确性。这些数据精度与回波信号的信噪比密切相关,当信噪比低于20 dB时(不同雷达有差异),偏振数据的精度明显变差;同时也与雷达的空间分辨率有关,当距离雷达较远时,由于雷达波束的展宽,其回波功率包含不同的水成物粒子的信号,这些都会带来数据精度的误差,影响偏振天气雷达的正确应用。另外,由于受到雷达发射功率的限制,在保证探测数据精度(也就是信号强度要满足信噪比的要求)的前提下,偏振数据的探测距离远低于强度信号的探测距离。为了保证回波信号有足够的信噪比和合适的空间分辨率,双偏振天气雷达的探测范围必须被控制在一个有效的范围内。本文结合偏振雷达探测数据的分析,从保证偏振天气雷达偏振参量数据精度的要求出发,研究探讨了我国现有的不同偏振天气雷达的有效探测范围,其结果对偏振雷达的设计生产和应用有重要的参考作用。

偏振雷达在人工影响天气工作中的应用潜力

在人工影响天气作业时 ,实时了解被作业云中的水成物粒子大小、相态、密度、运动等参数及其微物理变化过程是非常重要的。这些微观参量和微物理过程揭示了云降水发展的不同阶段 ,对于及时正确地评估云增水及消雹潜力 ,确定是否适合人工影响作业以及如何正确选择作业时机、作业部位和作业量 ,与了解云的宏观特征一样是至关重要的 ,它是提高作业效率的基础。本文借助国内外偏振雷达应用研究中成功的范例 ,探讨了偏振雷达在人工影响天气方面的应用问题。特别是介绍了不同偏振雷达在识别云内水成物粒子的相态、密度 ,观测云内水成物粒子微物理变化过程 ,以及被作业云的作业效果评估等方面的方法。这些方法对于发展我国偏振雷达技术 ,促进偏振雷达在人工影响天气方面的应用和提高我国人工影响天气工作水平方面有很好的参考与借鉴作用。

差分反射率Z_（DR）和反射率Ze测雨精度的对比分析

本文根据大量不同类型降雨的雨滴谱资料，分析了两种雷达测雨与滴尺度分布的关系，模拟计算了双线偏振雷达可测到的（Ｒ／ＺＨ）－ＺＤＲ和常规天气雷达可测到的Ｚ—Ｒ经验关系和它们在测量降雨率精度的对比分析。表明差分反射率ＺＤＲ对改进雷达测雨的精度有着明显的优势。