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。

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。

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。

利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究

新一代天气雷达很多位于地形复杂的山区,地形遮挡形成观测盲区,严重影响了新一代天气雷达数据的应用效果。利用基于高分辨率地形数据计算的波束遮挡信息,依据反射率因子垂直廓线,由高仰角无遮挡的反射率因子观测数据得到低仰角完全遮挡区的数据。以杭州雷达为例,通过直接对比反射率因子值和对比填补前后雷达估算降水效果两种途径检验了填补效果,结果表明:填补与观测"真值"有很好的一致性,填补后降水估算效果优于填补前。本文提出一种填补低仰角完全遮挡区的方法,适用于均匀性降水系统。

山地雷达估算降水的反射率因子订正方法研究

我国很多新一代多普勒天气雷达位于地形复杂的山区,低仰角地形遮挡问题突出,遮挡区雷达估算降水时需要采用更高仰角的观测数据,而由于降水粒子下落过程中的微物理变化和水平运动,同一地点高处的反射率因子常与近地表处有很大的差异,直接用于估算地表降水会增大估算误差。本文提出一种反射率因子垂直订正方法,首先建立无遮挡观测区不同降水类型的雷达反射率因子垂直廓线(VPR),然后依据廓线的垂直变化特征,确定待订正的高度阈值和近地表目标高度,并将待订正高度以上的观测值订正到目标高度处。对比检验结果表明:经过订正后的目标反射率因子数据与实际观测数据值差异减少,一致性提高;而且,考虑遮挡因素使VPR低处的数据更准确;由于不同降水类型VPR差别明显,区分降水类型能避免误订正。本订正方法不仅适用于波束遮挡区,也普遍适用于远距离处波束较高时观测数据的订正。

石家庄地区反射率因子垂直廓线特征分析

利用自动雨量计数据整理成的10 min一次的雨量资料和S波段多普勒天气雷达体积扫描强度数据,对石家庄地区2004~2007年4次天气过程的实时雷达反射率因子垂直廓线的特征进行了分析。结果表明:层状云和混合性降水反射率因子垂直廓线有明显的零度层亮带;短时强降水过程的反射率因子垂直廓线不存在零度层亮带。冰雹过程中反射率因子垂直廓线变化较大,降雹前反射率因子的极大值在中上层,降雹发生时反射率因子的极大值高度下降,降雹后反射率因子的极大值减弱。降雪过程的反射率因子垂直廓线零度层亮带不明显。在石家庄西部山区,由于零度层亮带的影响,对层状云和混合性降水回波强度和降水量估计偏高。对短时强降水过程的地面降水估计用反射率因子垂直廓线的方法比最低仰角法更加准确,在均匀性降水中可较好地改善地面雨量估算结果,有利于在山区和无雨量计的地区判断强对流天气的发生、发展和估算降水量的大小。

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。

利用雷达回波垂直廓线估测地物阻挡区域层状云降水的技术研究

将雷达50 km探测半径的可视范围分为4个区域,分别获取平均反射率因子垂直廓线,确定与对应区域的雨量计匹配最佳的平均反射率因子廓线上的Z值;同时获取雷达波束被阻挡地区各雨量计高空平均反射率因子垂直廓线,并寻找该廓线与可视区域内的平均反射率因子垂直廓线相关性最好的廓线,以及被阻挡区域的Z值对应的最佳匹配高度上的Z值,对其进行降水估计。采用安徽合肥雷达站和雨量计站点资料进行试验,并进行误差分析,结果表明:利用最佳匹配方法得出的平均反射率因子垂直廓线上的Z值对雷达波束被阻挡区域的降水估计效果有一定改进。

中性条件下垂直风速廓线及其参数模拟分析

通过对中性条件下裸露土壤表面、均一植被覆盖表面和非均质下垫面水平风速模型的分析发现,粗糙元素的平均高度H、植被覆盖率σ和叶面积指数LAI是垂直风速廓线的最基本参数.据此,以中国科学院地理科学与资源研究所的山东禹城农业综合试验站为案例区,运用2000年小麦生长的实地监测数据、2000年3月30日的轨道号为122-34的LANDSAT-5卫星数据、NOAA-14气象卫星逐旬NDVI数据、1∶1万土地利用数据和1∶1万地形数据,模拟分析了小麦植株高度H、叶面积指数和覆盖率σ变化规律及其与植被指数NDVI的关系;建立了中性条件下禹城农业综合试验站垂直风速廓线模型,对禹城农业综合试验站2000年3月5日21:05至2000年5月24日7:05的4m、60m和1 000m高度处的逐时风速进行了模拟分析,讨论了风速的空间插值问题。

用雷达反射率因子估算大气垂直速度

本文利用实测雨滴谱资料,统计出雨滴在静止大气中的平均多普勒下落速度V_T与雷达反射率因子Ze(dB)的线性关系,计算结果表明,用此统计关系估算V_T的精度比文献1中“M3-方法”估算V_T的精度有明显提高,而且实用性较强。

回波强度垂直廓线与雷达定量估测降水的关系

为了分析不同高度回波强度与地面降水的关系,提高雷达定量估测降水的能力,本文对石家庄2006~2008年5~9月共77次降水过程的反射率因子垂直廓线（VPR）进行了统计分析。对比降水实况和VPR发现,各个高度层的反射率因子波峰（谷）同降水波峰（谷）相一致,而且降水强度越大,反射率因子核心高度越低。同时,还比较了距离雷达站不同的水平距离和不同海拔高度的反射率因子特征,发现海拔高度对5 mm/h以下降水率和垂直高度在4 km以下各层的反射率因子会造成一定的影响,而对强降水和高层反射率因子影响较小。另外,零度层亮带在VPR上表现出反射率因子增大的特征,影响降水估测效果。为了消除零度层亮带的影响,选取1.5~3.5 km为估测降水的最佳高度范围,各站具体选取高度则取决于其距雷达站的水平距离和海拔高度。

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。

基于星载测雨雷达2004-2014年观测的川渝地区降水垂直结构的气候特征

使用热带测雨卫星(TRMM)搭载的测雨雷达(PR)2004—2014年长达11a的连续观测资料对青藏高原东南缘川渝地区不同季节不同降水类型的垂直结构特征进行了统计分析,并建立了相应的气候态反射率垂直廓线(Vertical Profiles of Reflectivity,简称VPR)。结果表明,由于不同的微物理及动力过程,降水类型对反射率垂直廓线的结构特征影响很大,90%的层云0℃层亮带峰值强度低于32dBz,50%的对流云最大反射率强度超过35dBz。降水类型及强度均对反射率垂直廓线的形状影响很大,层云系统发生中及大雨时其冰雪区的聚合反应效率明显较发生小雨时高。反射率垂直廓线特征参数具有一定的区域性和季节特征,且地表加热和地形高度的作用会加强上升气流对反射率垂直廓线形态的影响,上升气流的强度影响着冰雪及雨水区的碰并增长率以及低层的蒸发作用,从而进一步影响低层雨区的反射率垂直廓线斜率,边界层的相对湿度是另一个影响雨区反射率垂直廓线斜率及蒸发率的重要因素。星载测雨雷达的云分类算法在青藏高原东南缘地区受到一定的挑战,仍有改进的空间;未来可以将基于星载测雨雷达建立气候态层云典型反射率垂直廓线应用于联合地基天气雷达网观测以弥补后者在复杂地形条件下探测范围及能力受限的缺陷,从而改进雷达定量降水估测的误差。

宜昌市一次倒槽锋生气旋混合型对流天气特征分析

2023年4月2~3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气,过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主,且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大,有必要对其开展精细分析。利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料,分析了此次混合型对流天气特征,并初步分析了数值模式预报的偏差。结果表明:①此次对流天气分为以短时强降水为主的暖锋锋生阶段和以短时强降水、冰雹、大风为主的冷锋锋生阶段,局部累计雨量超过100 mm,极大风速达9级。②随着高空槽和冷空气逼近,700 hPa以下西南急流和前侧底层暖倒槽强烈发展,随着冷空气侵入暖倒槽,强斜压性气旋形成并发展。③天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料能够捕捉到不同类型强对流天气时空特征。④大尺度模式对环流背景场、中尺度模式对强降水落区预报均具有一定指示意义,但在地形对降水增幅作用上估算不足。

一次飑线过程多普勒天气雷达资料分析

利用江苏省多部S波段多普勒天气雷达资料,对2012年5月16日江苏北部的一次飑线过程进行分析。结果表明,飑线发生前500 hPa东北冷涡南侧高空槽迅速南压,江苏北部槽后强冷平流与低空暖平流形成强烈的位势不稳定层结。飑线发生、发展直至消亡过程中共出现2条带状回波,一条是从徐州附近开始发展,另一条则是在连云港附近的海上开始发展,随后2条飑线合并而强烈发展。飑线中的强回波具有明显的超级单体风暴特征,存在悬挂回波和穹隆。径向速度分析表明,中层存在深厚的中尺度涡旋对,双涡之间可以吸入更多的空气,能有效地维持风暴内部的高速上升气流,使风暴能得到维持而不受环境风的干扰。垂直累积液态含水量(VIL)在连云港西南部160 km处冰雹发生时,由16日15:35的47.2 kg/m^2跃增至15:41的98.8 kg/m^2;而当VIL由62.5 kg/m^2剧减至10.2 kg/m^2时,连云港西南部约53 km处出现了大风,表明VIL的剧烈变化对冰雹和大风的发生具有指示作用。

邵阳天气雷达波束遮挡订正方法研究

针对邵阳市天气雷达波束遮挡问题,文章选取了2021—2022年多个降水过程雷达数据,采用平均垂直廓线算法对遮挡区域进行订正,并结合地面雨量数据对比分析订正效果。结果表明:经过订正后,层状云和对流云回波数据连续性均较好,层状云回波的相关性高于对流云回波,雷达回波降水估测能力均有提升,对流云回波较层状云回波降水估测更接近自动气象站实测降水。

青藏高原零度层亮带的识别订正方法及在雷达估测降水中的应用

零度层亮带是指雪花或冰晶降落到零度层附近,表面发生融化而使雷达反射率突然增大的现象。它是影响雷达资料质量的重要因素,常会导致雷达估测降水的高估。青藏高原海拔高、零度层低,零度层以下的降水范围非常有限,亮带对青藏高原地区的雷达估测降水的影响更加显著。因此,对亮带进行自动识别订正,对提高青藏高原雷达降水估测的精度有重要意义。本文在考虑青藏高原遮挡严重的情况下,通过计算反射率垂直廓线来识别零度层亮带,对亮带区域进行订正,并将亮带订正前后的混合扫描反射率分别估测降水,分析亮带订正对降水估测误差的影响。结果表明:雷达识别的亮带高度在探空资料零度层以下几百米内;亮带订正前,反射率垂直廓线在零度层附近有显著弯曲,雷达对降水的估测明显偏高;亮带订正后,反射率垂直廓线在零度层附近的显著弯曲消失,雷达估测的降水量与雨量计的观测值较一致,降水估测误差比订正前明显减小。

CINRAD-SA/SB零度层亮带识别方法

该文提出一种使用S波段多普勒天气雷达回波三维特征和反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)来自动识别零度层亮带的方法(简称3DVPR-BBID),并利用2003年6月22日—7月11日和2007年7月合肥雷达资料、2008年6月广州雷达资料以及相应的探空资料,同仅使用VPR识别零度层亮带的方法(简称VPR-BBID)进行比较。结果表明:VPR-BBID和3DVPR-BBID在大部分情况下能够有效识别零度层亮带的存在,而且3DVPR-BBID能够减少VPR-BBID产生的误识别。在同探空资料观测的零度层高度的比较中,两种方法确定的零度层高度同实况比较接近,进一步分析表明:3DVPR-BBID确定的零度层高度比VPR-BBID确定的更接近观测值。