准全球6—8月雨粒子谱和降水反射率因子分布特征分析

获得准全球雨粒子谱(DSD)特征对研究降水具有重要科学意义,并在测雨雷达探测反演降水中具有重要应用价值。利用2014—2020年6—8月美国航空航天局(NASA)戈达德飞行中心(GFSC)提供的2ADPR数据以及欧洲天气预报中心再分析数据(ERA5),分析了准全球DSD参数(粒子中值直径D0、粒子浓度参数dBNw)和降水反射率因子(PRF)的三维结构特征,并对不同纬度带及青藏高原地区DSD参数和PRF三维结构特征的区域差异及海陆差异进行了对比和讨论。结果表明:DSD参数D0和dBNw的空间分布型不同,表现为dBNw大值区(>35)具有小D0(<1 mm),而dBNw低值区(<30)具有大D0(>1.2 mm)。近地面各纬度带上陆地平均D0均大于洋面,但平均dBNw均小于洋面,且热带及北半球地域的海陆差异很大。PRF的垂直分布主要由D0决定,dBNw为次要因子。D0平均垂直分布廓线表明大、中、小降水粒子的主要微物理过程存在差异,dBNw的廓线表明高层平均降水粒子浓度小于低层。和陆地其它区域相比,青藏高原DSD参数和PRF的概率密度分布最为集中,且降水粒子尺度最小、浓度偏低。

基于数字高程模型和反射率因子垂直廓线的天气雷达波束遮挡订正算法

天气雷达在部署时如果周围存在山体,雷达波束将会在山体附近受到部分遮挡甚至是完全遮挡,会对雷达探测范围和雷达数据的准确性产生较大影响。为解决波束遮挡问题,使用北京地区的SRTM数字高程数据,模拟位于北京房山的X波段双偏振雷达的波束遮挡情况,计算雷达体扫各层的波束遮挡率并与雷达反射率图片进行对比以验证其可行性。依据波束遮挡率,选取根据非遮挡区域的反射率因子计算的平均垂直廓线对雷达的部分波束遮挡区域的反射率因子进行订正,并通过定量分析对平均垂直廓线法进行订正效果分析。结果表明:数字高程模型模拟的波束遮挡率能较好地代表雷达的波束遮挡情况,平均垂直廓线法能够较好地订正天气雷达的波束阻挡区域的反射率,但其订正效果容易受到生成廓线区域选择的影响。

秦皇岛地区雨滴谱仪和雷达探测的反射率因子差异分析研究

利用布设在秦皇岛市抚宁地区的OTT Parsivel激光雨滴谱仪和卢龙地区S波段天气雷达,对2017—2019年4—9月共23次降水过程进行了观测,并分析了基于雨滴谱参数(滴谱粒子数N(D)和粒子直径大小D 0)计算的雷达反射率因子Z D和雷达探测的雷达反射率因子Z R的差异Z C。结果表明,N(D)主要集中在130~530个范围内,Z C标准差随着N(D)的增大而逐渐减少;D 0主要集中在0.8~1.6 mm范围内,Z C标准值在D 0<1.2 mm范围内随着D 0的增大而逐渐减少,D 0在1.2~1.6 mm范围内趋于稳定;Z D主要集中在15~40 dBZ范围内,Z C标准差在15~35 dBZ范围内随着Z D值增大而减小。

决策树算法在雷达反射率因子质控中的应用

基于决策树算法,利用2020年武汉多普勒天气雷达探测资料,分析决策树算法对反射率因子的质控效果,得到以下主要结论:(1)决策树算法能有效滤除湖北东部地区由于山脉和城市建筑所导致的固定地物回波和超折射地物回波。(2)对于降水回波而言,决策树算法不改变雷达近距离范围内回波的位置、形状和强度,而远距离处(≥160 km)回波则存在一定程度的过度质控,主要是由于雷达波束随距离增加而抬高以及回波垂直梯度较大导致。(3)决策树算法对辐射状和弧状杂波的质控能力较好,其滤除率达到95%以上。

利用2004年北京雨滴谱资料分析降水强度和雷达反射率因子的关系

在北京2004年的45次降水过程中,基于DISDROMETER仪器测量的雨滴谱资料计算每次降水的强度R和雷达反射率因子Z。结果表明,不同降水过程中,雷达反射率因子Z与降水强度R的幂指数关系中的指数b和系数a是不同的,这与不同降水过程的雨滴谱分布不同密切相关。综合分析这45次降水过程中的指数b和系数a,得到指数b和系数a呈正相关。接着,分别就指数b和系数a与平均降水强度、平均雷达反射率因子、平均特征直径和雨滴平均数密度之间关系做了详细的讨论。另外,基于这一年的降水雨滴谱资料,讨论了Z-R幂指数关系中指数b和系数a的月变化特征。分析结果表明,从4月到12月系数a和指数b呈现逐月递减的年变化特征。最后,文章就12个个例的特征直径Dm的特征进行了分析。结果显示,当特征直径Dm随时间保持不变时,降水强度R和雷达反射率因子Z之间存在线性相关的关系,即当特征直径Dm为常数时,Z-R关系的指数b为1。

粒子取向以及空气含量对卷云雷达反射率因子的影响分析

为研究卷云的非球形粒子对毫米波雷达的散射特性,利用矩量法计算了卷云六种非球形冰晶粒子最大尺寸与散射截面之间的双指数函数关系.利用三种假设模型：Ⅰ.B-H混合模型、Ⅱ.等效椭球模型、Ⅲ.等效球模型分别验证NASA在2007年7月31日一次卫星与飞机同步测云试验数据,对比后发现模型Ⅰ（B-H模型）模拟4个位置处实测的结果最好,模型Ⅱ的结果其次,模型Ⅲ的结果最差,但是B-H模型模拟1号,2号,3号位置处的雷达反射率因子与实测值相比偏低,分析原因认为粒子谱探测仪器忽略了滴晶粒子贡献.加入滴晶粒子后统一拟合1号,2号,3号以及4号的普适性粒子谱,拟合其满足B-H模型时冰水含量与雷达反射率因子之间的关系式,将CVI仪器实测的冰水含量值代入上面的关系式得到反演的雷达反射率因子,对比CRS毫米波雷达实测的雷达反射率因子可知：当云中冰水含量小于0.1342 g/m^3,冰晶中的空气含量对雷达反射率因子的影响要远大于粒子的取向问题;当云中冰水含量介于0.134 2-0.199 4 g/m^3,冰晶中的空气含量可以忽略不计而仅考虑粒子的取向问题;当云中冰水含量大于0.199 4 g/m3,B-H模型将不再适用.因此为了利用毫米波雷达反射率因子精确地反演云中冰晶粒子,应以冰水含量为前提考虑B-H模型中冰晶粒子的取向以及空气含量.

多普勒雷达实时反射率因子垂直廓线观测研究

使用2002年6～7月长江中游地区宜昌S波段多普勒雷达在两次大范围混合性强降水过程中部分时段体积扫描强度数据以及周边100km范围内的7个雨量计整理成10min记录一次的雨量资料,分析了实时雷达反射率因子垂直廓线的特征.研究表明:反射率因子垂直廓线可反映出所选区域上空零度层亮带高度位置、回波的垂直变化规律等信息,以此分析降水的类型、云中粒子的发展变化;从雷达连续体扫得到的中、低仰角对应高度上的实时反射率因子垂直廓线的变化规律、PPI图像上对应雨量站点上空的回波变化情况及10min记录一次的地面雨量的变化趋势对比来看,发现三者能很好地统一起来,可用来较细致地分析降水云体的变化,有利于在无地面雨量计的地区分析降水量的大小、确定降水类型、估测降水的发展;对无亮带、反射率因子值较大而且越低仰角值越大的反射率因子垂直廓线的区域,对应地面上常有对流性强降水出现.

用反射率因子垂直廓线联合雨量计校准估测夏季区域强降水

提出了一种使用平均雷达反射率因子垂直廓线(VPR)联合雨量计校准估测地面降水的方法。选用2002年、2003年夏季长江中下游地区的宜昌和合肥新一代S波段多普勒雷达在几次大范围强降水过程中的部分时段体积扫描强度数据和周边100 km范围内整理成10 min一次的雨量资料,计算了区域上空短时平均VPR在地面的可能反射率因子值,并用此值反演降水,计算相对误差。同时,还分析了超短时强降水地区实时VPR的特征。结果表明:用最小二乘曲线拟合VPR数值,并联合雨量计平均校准因子估测降水,在大部分区域比较合理。与实测的降水比较可以看到,这种方法对提高估测区域性降水的精度都有效果;对于强对流性降水区域,只须用拟合法得到的地面反射率因子值估测地面降水。通过分析超短时强降水对应区域的实时VPR特征,有利于在无地面雨量计的地区通过分析VPR的特征来估测降水量的大小,结合其他要素分析降水的发展变化。

雷达反射率因子数据中的亮带自动识别和抑制

为了减轻雷达反射率因子数据中的亮带污染对雷达降水估计的影响,一种基于新一代天气雷达体扫资料自动识别零度层亮带平均高度、厚度和区域以及对亮带进行抑制的算法被提出。该算法首先利用近距离分层平均方法建立视反射率因子垂直廓线,然后基于亮带VPR曲线在融化层高度的显著弯曲特征来识别和抑制亮带。比较该方法识别的零度层亮带的平均高度和实测0℃等温层高度表明,前者比后者平均低0.5km。亮带的厚度大多在1～1.25km。亮带区域识别算法能合理地识别亮带反射率因子高值区,用经过亮带抑制后的体扫资料得到的组合反射率因子和反射率因子垂直剖面上的高值区被抑制掉,用经过抑制后的亮带区的所有反射率因子库建立的平均VPR在融化层高度的显著弯曲消失。通过亮带抑制后的雷达体扫资料将用于雷达降水估计。

天气雷达反射率因子的实时衰减订正

基于当代天气雷达信号处理及其数据输出的特点,提出可供气象台站对天气雷达反射率因子进行实时衰减订正的基本订正算法和参考目标订正算法。通过数值仿真,比较了这两种算法的各自优缺点;还讨论了盲距衰减A(r0)和雷达系统误差ΔC对估算真实反射率因子的影响。

基于天气雷达网三维拼图的混合反射率因子生成技术

首先基于1:25万的DEM(digital elevation model)数据、雷达站点信息、雷达波束高斯分布模式和标准大气情况下的波束传播路径计算了雷达的波束阻挡率,并把它与雷达实测的反射率因子分布情况进行比较,发现两者具有很好的定性一致性和很强的定量相关性;其次根据设置的波束阻挡率阈值和波束下限(波束底部越过地形的高度)阈值得到不受地形阻挡的最小扫描仰角在同一平面上的投影,即混合扫描仰角,这样计算出来的混合扫描仰角与雷达扫描方式无关,可用于不同扫描方式下的混合扫描反射率因子(没有波束阻挡的最低扫描仰角的反射率因子在同一平面上的投影)的获取;然后根据混合扫描仰角,利用标准大气情况下的雷达测高公式计算等射束高度,把来自雷达网中各雷达的等射束高度进行拼接得到等射束高度拼图,其中在各雷达重叠覆盖区,取最小的等射束高度;最后利用新一代天气雷达网三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到天气雷达网的混合反射率因子,以便用于大范围降水估算算法中的降水率的计算。

双线偏振雷达差分反射率因子系统误差订正

差分反射率因子ZDR易受雷达系统自身的影响而产生明显偏差,这种偏差是不随空间积累而改变的。为了保证雷达资料及其产品的质量,根据中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室车载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,对观测的ZDR进行了分析,并以垂直扫描数据的订正结果为参考,重点讨论了以体扫模式最高仰角下的小雨和干雪这两种自然目标物为订正对象得到的订正结果。结果表明,高仰角体扫资料的这两种自然目标物都能较好地订正ZDR的系统误差。但相较于小雨,干雪的订正效果更加稳定,是进行ZDR系统误差订正的最优气象目标物,而利用高仰角体扫资料的干雪粒子进行ZDR系统误差订正也就成为垂直扫描订正法的最佳替代方法。

椭球雨滴群旋转轴呈正态分布情况时雷达反射率因子的修正

推导出了在云降水粒子群为小旋转椭球水滴群、椭球旋转轴呈正态分布、云降水粒子谱为M-P分布情况下的雷达气象方程,并且重新定义了相应的雷达反射率因子,确定了在用雷达测定非球形雨滴降水时的订正系数。为新一代多普勒天气雷达观测资料的雨滴形状和分布特征订正、提高降水测量精度提供了理论依据和方法。

利用一种自动识别算法移除天气雷达反射率因子中的亮带

该文介绍了一种自动识别和移除雷达反射率因子资料中亮带的算法,并对该算法进行了初步测试。该算法利用的是插值到直角坐标系中的雷达反射率因子资料,其配置和运行也相对简单,但却对移除亮带比较有效。首先,设定一套雷达反射率因子垂直廓线的理想模板,这些理想的模板能够在最大程度上反映不同亮带存在区域的雷达实际反射率因子的垂直廓线特征。然后,在水平方向每个点上,进行理想模板和实际反射率因子垂直廓线在垂直和水平两个方向上的拟合和差异计算,来自动识别雷达反射率因子中存在的连续亮带区域。最后,利用亮带之上和亮带之下的反射率因子值对亮带中的反射率因子值进行插值纠正,就可以移除亮带。利用位于天津塘沽的我国新一代天气雷达(CINRAD/SA)的反射率因子资料,通过个例分析和准业务运行试验,均表明这个简单算法可以识别和移除绝大多数影响雷达定量降水估计的反射率因子亮带区域,但是实际雷暴区域的反射率因子特征受到该算法的影响比较小。计算分析还表明,在京津地区的初夏,上述亮带区域一般容易出现在2.5 km左右的高度处。

降水的雷达反射率因子与大气相对湿度的相关关系研究

从理论上分析了雷达反射率因子与相对湿度的关系,并利用2003年福建省三明地区大田、尤溪、建宁、宁化、将乐、永安气象站的气象观测资料,首先根据天气现象和逐时降雨量算出雨强,再通过Z I关系,把观测时的雨强转换为回波强度,然后统计出不同气温下降水的雷达反射率因子与当时大气相对湿度的相关关系,从而为雷达回波强度资料通过转化为大气相对湿度值进入数值模式提供科学依据。

基于飞机观测资料的降水粒子反射率因子阈值分析

降水粒子对云的生消和演化有非常重要的影响。毫米波雷达适合观测非降水云和弱降水云。利用毫米波雷达数据判断云内降水粒子生成与否有很高的实用价值。本文利用飞机观测的云滴谱数据计算云的反射率因子。将其与雷达探测值进行比对,发现两者有较好的一致性。因此利用滴谱计算的降水粒子反射率因子阈值可以作为雷达判断降水粒子生成的指标。通过分析滴谱计算云滴和降水粒子的反射率因子的概率密度函数可以得到用于区分云滴和降水粒子的反射率因子阈值。通常,云滴的反射率因子不超过-5dBz,降水粒子的反射率因子高于-20dBz,-15^-12dBz可作为判断降水粒子出现的阈值。

任意基线雷达反射率因子垂直剖面生成算法

该文提出了一种基于雷达体扫资料的任意基线雷达反射率因子垂直剖面的生成算法。在计算雷达反射率因子垂直剖面上的格点在雷达极坐标中的仰角、方位和斜距位置后,采用径向、方位上的最近邻居和垂直方向的线性内插相结合的客观分析方法得到格点上的反射率因子分析值。在垂直线性内插时分别用dBZ值和Z值(单位:mm6/m3)进行插值。结果表明:用该方法得到的雷达反射率因子垂直剖面从回波强度和空间位置来看都是合理的;当采用垂直线性内插时,用dBZ值插值比用Z值插值得到的雷达反射率因子垂直剖面在空间分布上更连续,反射率因子分析值总体上更接近观测值;低仰角的插值效果比高仰角的好。

小旋转椭球粒子群的微波衰减系数与雷达反射率因子之间的关系

通过模拟及取样导出了小旋转椭球粒子群旋转轴呈 3种不同取向 ,而入射电磁波分别为水平发射水平偏振波及水平发射垂直偏振波时的衰减系数与雷达反射率因子之间的关系 ,获得 3种波长的具体表达式 ,并对结果作了物理分析。所得结果可直接用于雷达定量测量降水时的衰减订正。

用CAPPI的资料估算区域降水量和雷达反射率因子垂直廓线初探

应用上海中心气象台７１４数字化天气雷达立体扫描资料，分析并比较了单站及区域降水量在不同高度上的差异，并用地面雨量计资料进行了校准，尔后研究了它们的精度。最后初步探讨了上海地区３次降水天气过程中反射卒因子Ｚ的垂直分布廓线。

雷达反射率因子垂直廓线研究和多种遥感资料综合估计降水

利用同一Ｚ－Ｉ关系下地面降水与雷达回波强度的空间最佳匹配思想，提出一种定量测量降水的新方法：考察Ｉ－Ｈ曲线，确定与地面的雨量计资料最相近的Ｉ值的所在高度，然后用此高度上的Ｉ值反演降水。借助于多元回归和逐步回归等数学方法，将红外云图云顶温度及其梯度作为因子，地面降水作为函数，回归出一系列的卫星资料估计降水方程。结合可见光资料又给出若干估计降水的方程，并给出了详细的误差分析。发现降水与很多因子有关，而云顶温度、反照率及云顶温度的时间梯度最为明显。研究表明用多因子方程估计降水效果较好。