对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。

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。

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.

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。

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。

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。

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%。

SWAN系统中雷达反射率因子质量控制算法及其应用

介绍了SWAN系统中雷达反射率因子质量控制算法原理,包括数据预处理、孤立噪声回波过滤、超折射回波抑制3部分。数据预处理将原始雷达资料转换为统一的RD20格式,并检测数据质量。孤立噪声回波过滤包括双向搜索、回波特征量过滤法。超折射(Anomalous Propagation,AP)回波抑制采用模糊逻辑原理。介绍算法配置参数,通过对比分析武汉、随州、西安雷达AP识别因子概率分布图可知,三者是类似的,表明默认参数的适用性。评估表明,该方法可过滤掉大部分AP回波,缺点是未能识别部分远距离AP回波以及错误识别部分降水回波。

星载测雨雷达的反射率因子反演及衰减订正研究

研究星载测雨雷达的数据处理方法具有重要的理论意义及应用价值。文中讨论了星载测雨雷达的雷达反射率因子反演算法,使用测雨雷达的真实数据计算了反射率因子,得到了水平与垂直截面图,并给出了台风的三维结构图,为揭示降水的内部结构提供了重要信息;使用路径积分衰减值等对反射率因子进行了衰减订正,获得了准确的反演结果。

基于雷达反射率因子和雷电定位数据的深度学习雷电预报模型

利用卷积神经网络和门控循环单元(Gated recurrent units)神经网络,基于雷达反射率因子和雷电定位数据开展了雷电预报研究。首先构建了引用注意力机制的基于卷积神经网络和门控循环单元神经网络的深度学习模型(Attention-ConvGRU);然后将雷达反射率因子数据和对应时间段(6 min)的雷电定位数据处理成图像数据后输入深度学习模型,训练出可预报雷电的模型,包括3种模型:单雷电数据模型、单雷达数据模型和雷电-雷达双数据模型;最后开展了预报试验和定量评估。综合评估表明,本文建立的雷电预报模型综合预报准确率达到96.74%,虚警率35.83%,关键成功指数(Critical Success Index,CSI)为0.2072。个例分析表明,预报模型对于具有明显移动趋势的雷暴过程(A类雷暴)的预报效果优于不具有明显移动趋势的雷暴过程(B类雷暴),且随着B类雷暴强度减弱模型预报能力逐渐减弱。

粒子边缘粘连对0℃层亮带雷达反射率因子的影响分析

针对云中粒子在融化、并合过程中的粘连现象对0℃层亮带的影响分析,利用离散偶极子近似算法(DDA)计算融化过程中两个大小相同的球形粒子在雷达发射波偏振方向上发生粘连后的散射特性,以两个等体积融化球为例,它们在雷达发射波偏振方向上发生粘连时的总后向散射截面σDDA,并与同体积融合球的后向散射截面σmieequal比较。结果表明:(1)在等体积直径较小时,σDDA/σmieequal≥1.5,随着等体积直径的变大,σDDA/σmieequal会减小趋向于1,甚至会<1;(2)在同样的等体积直径处,σDDA/σmieequal随着融化程度的加深而增大,在谐振区可出现减小。引入"粘连概率p"参数刻画粘连影响,并应用于含有0℃层亮带的层状云的雷达反射率因子的定量模拟试验。结果表明,在粒子融化、并合过程中,在雷达发射波偏振方向上的粘连,可以有效地增大雷达反射率因子、使亮带现象更加突出。

C波段雷达反射率因子衰减订正的软件设计

雷达探测到的回波强度既与目标物自身情况有关,又与它们之间的大气情况有关。当使用波长较短的C波段天气雷达探测强降水区时,衰减作用可能造成雷达反射率因子数据偏小,从而影响雷达定量降水估测的精度。因此,必须对雷达反射率因子Z进行衰减订正处理。本文根据雷达方程和k-Z关系得出雷达反射率因子的逐库订正算法。逐库订正法就是沿着每个径向按顺序依次往外推,对各距离库进行衰减订正。通过软件设计实现衰减订正算法,并将订正前后的数据显示出来。结果表明:经衰减订正后反射率值明显增大。当订正到某种程度时,会出现订正过度问题,这就是逐库订正法在衰减订正问题中固有的"不稳定"特征引起的,虽然不能解决这种"不稳定特征",但对提高订正计算效率、防止过量订正溢出是有效的。

威宁X波段双偏振雷达反射率因子衰减订正分析

针对贵州威宁X波段双偏振雷达的衰减订正问题,在利用综合小波去噪方法对差分传播相移φ_(DP)进行质量控制的基础上,基于自适应衰减订正算法对雷达反射率因子Z_(H)进行衰减订正分析,订正结果与昭通C波段新一代天气雷达进行对比。结果表明:①综合小波去噪能够有效去除φ_(DP)存在的脉动和毛刺,保证φ_(DP)的连续性和平滑度;②订正前后雷达反射率因子在距离雷达较近处(20~35 km)强度廓线基本重合,订正前后差别不大,随着对流区(雨区)距离的增加,电磁信号出现衰减,订正后反射率值加强,总体上订正后的反射率值比订正前高1~12 dBz,其中在35~75 km距离范围内,订正后的反射率值达到50 dBz以上,雷达反射率因子更加接近真实情况;③使用综合小波去噪配合自适应衰减订正算法可以提高雷达反射率因子衰减订正的准确率,方法具有普适性,在今后科研业务中可以采用该订正方法以进一步提高对粒子相态识别、降水估测的精度。

220GHz卷云非球形冰晶粒子雷达反射率因子与冰水含量关系研究

针对220 GHz太赫兹雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法,计算不同形状非球形冰晶粒子的后向散射截面,并基于最新细化的冰云模型,得到了220 GHz太赫兹波雷达探测的冰水含量I与雷达反射率因子Z_(m),建立了Z_(m)-I关系表达式。计算结果表明,非球形冰晶粒子及冰云模型均对Z_(m)-I关系有一定的影响。本研究对中纬度卷云的太赫兹波雷达探测的云参数反演有应用价值,并对太赫兹波测云雷达的研制具有借鉴作用。

梅州多普勒雷达反射率因子与雨强的统计规律

利用2007年4～9月、2009年4～8月梅州雷达PPI、CAPPI回波强度和地面气象站雨量有显著相关,6、18、30、60 min平均后的回波强度与雨量的相关系数依次提高。空间平滑后的回波强度与滞后2 min的雨量相关性最好。分段最优化Z-I关系的结果与Z=300I1.4的比较,20 dBz以下两者的估测值基本一致,20～45 dBz后者估测值偏低,45 dBz以上后者估测值偏高。2年的观测数据表明,各时段最优化得到的Z-I关系式系数变动较大,但30 dBz以上回波强度与地面平均雨强的变化不大,可在强降水估测时作参考。

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。