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。

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%。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

任意基线雷达反射率因子垂直剖面算法

本文提出了一种面向计算机编程的任意基线雷达反射率因子垂直剖面算法,建立了由地球球面展开的平面雷达极坐标系与计算机屏幕直角坐标系的坐标转换关系。通过计算雷达反射率因子垂直剖面直角坐标系中的格点在雷达极坐标系中的仰角、方位角、斜距,采用垂直线性内插方法得到该格点雷达反射率因子分析值。

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。

雷达回波垂直廓线及其生成方法

研究雷达回波Z(R)垂直廓线VPR有两个重要内容:一是VPR的生成方法,二是用VPR订正雷达估算降水的技术。在简要比较现有生成方法———参数法、平均法和识别法的主要特点后,认为平均垂直廓线MVPR具有简便、实用的优点。文章着重对MVPR的生成方法作了细致的探讨,形成了4种生成算法,并作了比较;展示了各种生成参数对MVPR的不同作用,并简要介绍了一个应用程序框图。对两个降水实例实施订正后初步评估表明,用MVPR订正雷达估算降水可使评估因子R/G从0.84(0.86)提高到0.93(0.97),而绝对误差率则下降4%。

基于多普勒天气雷达的垂直散度和温度平流廓线反演

垂直散度廓线可用于推断大气垂直运动情况,垂直温度平流廓线可用于推断大气层结是否稳定,有助于预报员推断本站降水演变趋势。鉴于我国多普勒天气雷达中还没有垂直散度和温度平流廓线产品,提出了这两种产品的反演方法。首先使用分层VVP方法从雷达体扫径向速度资料中反演出雷达站上空的垂直风廓线和垂直散度廓线,然后在假设大气处于地转平衡条件下,基于温度平流与地转风随高度的变化关系,从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线。以两次大范围暴雨天气过程为例,反演了雷达站上空的垂直风廓线、散度廓线和温度平流廓线,并对反演结果进行了分析。结果表明:在雷达周围有大范围降水回波的情况下,使用分层VVP方法能合理地反演出雷达站上空的垂直风廓线和散度廓线;在这种情况下,反演的垂直风廓线代表各个高度雷达有效探测范围内的平均水平风,可近似满足地转平衡条件,因此,使用热成风方程能较为合理地从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线;三个反演产品的合理性可用天气学理论和天气实况来解释。

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。

雷达反射率反演水汽和温度同化技术在一次飑线过程中的应用研究

针对2020年5月4日发生在江南的一次飑线过程,在逐15 min快速更新循环同化预报系统中,探讨了利用3DVAR方法同化雷达径向风、反射率和反演观测对短时降水、大风和冰雹等灾害天气的预报影响,同时研究了不同冷启动时刻对降水预报的影响。结果表明:冷启动时刻同化反演水汽和云内温度观测,观测强回波区的水汽和降水回波区内位温增量为正。随着循环次数的增加,背景场中虚假对流区的水汽减弱,对流被抑制;正的温度增量主要集中在观测回波大于背景模拟回波区,其增幅明显减小。相对于只同化雷达资料试验,同化“伪观测”资料能明显改善0~3 h内的雷达组合反射率和降水预报,2~5 km上升螺旋度路径与大风、冰雹灾害位置更接近;对0~6 h的1 h累计降水量在1、5和10 mm等级的FSS评分改善明显,随着循环同化次数增多,改进效果先明显增加,6~8 h左右改进效果达到顶峰,随后FSS评分相对雷达同化试验有所下降。在12时(世界时)更新背景场后,相对于05时冷启动明显提高降水FSS评分,且同化“伪观测”资料的积极贡献预报时效更长。

敦煌辐射校正场典型气溶胶垂直廓线的激光雷达观测

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场（Chinese Radiometric Calibration Site,CRCS2010）试验中,利用一部米散射激光雷达获取了敦煌辐射校正场区域15天的观测数据,利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结果表明敦煌地区在从近地面到2~4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN（MODerate resolution atmospheric TRANsmission）辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道（〈500 nm）有4%~5%的辐射差异。

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。

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。

单部多普勒天气雷达对垂直风廓线的探测研究

阐述了 VAD技术的基本原理 ,以 CINRAD- CC多普勒天气雷达为例 ,介绍了在多普勒天气雷达中利用 VAD技术探测垂直风廓线的的具体应用。并对利用雷达测量的数据实例所得到的实际结果进行理论分析和讨论。

基于多普勒雷达垂直风廓线产品的风暴相对螺旋度对山西暴雨的诊断

介绍了风暴相对螺旋度（SRH）的原理及基于多普勒天气雷达垂直风廓线（VWP）产品计算螺旋度的方法，探讨了不同时间分辨率对螺旋度应用效果的影响，最后重点对山西2个典型夏季暴雨个例分别做螺旋度诊断分析。结果表明：利用VWP产品计算的SRH具有较好的时间分辨率，可用于山西夏季暴雨的短时临近预报研究，相较于15min和30min，1h分辨率的螺旋度数据稳定、曲线平滑，更有利于直观分析和业务化；螺旋度强弱变化趋势与降水大小的变化趋势比较吻合，螺旋度变化一般提前于降水变化，有1—2h的提前预报量，可以作为短时（临近）预报降水开始、维持、结束的一个有效预报因子。