双线偏振雷达差分传播相移的质量控制

利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达(C-band PolarimetricDoppler Radar on Wheel,CPDRW)的外场试验,在统计分析降水、地物回波差分传播相移φ_(DP)数据的差别与信噪比关系等基础上,提出了一套数据分析和处理的方法。该方法通过φ_(DP)的异常波动并结合回波的强度Z_H和速度V_r信息将地物回波信号分离出来,在降水估测或衰减订正等定量应用时将其剔除。对于气象回波则根据信噪比及零滞后互相关系数ρ_(HV)(0)将φ_(DP)资料分为较好、较差和差3类。对于较好数据直接进行后续的预处理,对于较差数据先订正后处理,而对于差数据将其剔除以保证φ_(DP)资料的整体质量。经过大量资料的验证,该方法在最大程度上保留气象信息的同时也保证了φ_(DP)资料的质量,并能估算出质量较高的差分传播相移率K_(DP)资料。

双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的车载C波段双线偏振多普勒雷达(CPDRW)2011年完成升级改造后观测的一次大范围层状云降水过程资料为例,讨论了该设备改造后探测资料质量的改进情况及其对降水粒子的探测性能,同时利用模糊逻辑法结合地物的常规特性和偏振特性,建立了一种运用双线偏振雷达观测资料识别地物及地物与降水混合回波的方法,并利用该雷达的观测资料对识别结果进行了分析检验,最后统计分析了降水回波的差分反射率因子(Z_(DR))、零滞后互相关系数(ρ_(HV)(0))与信噪比的关系,以及系统初始相位的稳定性及降水资料的一致性。分析结果表明,在常规参量的基础上添加偏振参量并采用模糊逻辑法构建的综合识别模式和常规识别模式都能较好地识别地物,但综合识别模式明显改善了常规识别模式0速度区过度识别的问题,且在地物与降水回波混合的情况下叠加混合回波识别模式具有更加明显的优势。雷达改造前,Z_(DR)及ρ_(HV)(0)在信噪比小于25 dB时受噪声影响很大,测量值存在较大误差,资料变得不可信;通过这次的升级改造,其信噪比探测阈值由25 dB降低到15 dB。系统初始相位比改造前更加稳定,随仰角和时间的波动性更小。利用垂直扫描数据进行系统误差订正后的Z_(DR)资料能较好地反映降水粒子的实际情况,Z_(DR)随信噪比的变化较之改造前更加平稳,而对差传播相移Φ_(DP)进行分类处理后拟合的差传播相移率K_(DP)资料也与实际情况一致。

C波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室C波段双线偏振雷达2011年完成升级改造后观测的一次降水过程资料为例,讨论其探测资料质量及其对降水粒子的探测性能,统计分析降水回波的差分反射率因子ZDR、零滞后互相关系数ρHV(0)与信噪比SNR的关系,以及系统初始相位的稳定性,反射率因子ZH分别与差分反射率因子ZDR和差传播相移率KDP资料的一致性。结果表明:差分反射率因子ZDR及零滞后互相关系数ρHV(0)在信噪比小于15 dB时受噪声影响较大,资料变得不可信;距离雷达3 km以内的偏振参量不稳定,资料不可用。系统初始相位在观测过程中相对稳定,无明显波动。利用垂直扫描数据进行系统误差订正后的ZDR资料能较好地反映降水粒子的实际情况,而对差传播相移ΦDP分类处理后拟合的差传播相移率KDP资料也与实际情况相一致。

移动X波段双线偏振多普勒天气雷达差分相位数据质量控制

针对移动X波段双线偏振多普勒天气雷达,提出了一套差分相位数据质量控制算法,包括地物杂波抑制、退折叠、初始差分相位调整和滤波等,然后利用2个个例分析了这种差分相位数据质量控制算法的效果。结果表明,该算法能有效地识别和消除差分相位数据中的地物杂波、退掉折叠的相位和滤除正常的随机差分相位波动。

双偏振雷达差分传播相移质量控制的一种新方法——线性拟合-递推法

差分传播相移Φ_(DP)是双偏振气象雷达重要的偏振观测量,其质量控制也是雷达气象研究工作中必须要面对的重要问题。为了得到更好的Φ_(DP)的质量控制结果,介绍了一种基于Φ_(DP)变化特点设计的质量控制新方法:线性拟合-递推法(LFRM)。该方法通过滑动线性平滑得到每个距离库上Φ_(DP)的线性拟合偏差与线性拟合斜率,并根据Φ_(DP)实际应用中大多要求Φ_(DP)斜率具有非负性的原则来构造递推关系式,依据线性拟合偏差的排序索引逐点递推,再经过线性插值,最终得到斜率基本非负、可滤除所有噪声且保留有价值变化趋势的Φ_(DP)质量控制结果。并以基于Φ_(DP)的反射率衰减订正过程为实例,证明文中所介绍新方法的实用性与可靠性。

基于线性规划方法处理C波段双线偏振多普勒天气雷达差分相位φ_C数据

高质量的差分相位数据能够有效地提高雷达识别粒子、估测降水的能力。本研究针对南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP),提出一套差分相位φC数据的质量控制算法。其中将雷达观测到的差分相位φC分为5个部分:差分传播相位φDP、后向散射差分相位δ、非降水回波的波动εNP、系统误差εS以及电磁波信号的随机扰动εR。在线性规划方法的基础上,采用模糊逻辑法、小波分析法与迭代滤波法分别将差分相位φC数据中的εNP、εR和δ剔除,然后依据滤波后的数据,将各径向中第一个降水回波的值作为该径向的系统误差εS。结果表明,该算法能够有效地平滑由非降水回波引起的大振幅波动以及因电磁波信号造成的小振幅扰动,且可以剔除差分相位φC数据中存在的δ。此外,处理后的数据满足随径向距离递增的条件。

肇庆X波段双偏振天气雷达资料质量分析

以肇庆X波段全固态双偏振天气雷达观测的层状云降水过程资料为例,与肇庆SA单偏振天气雷达资料进行对比,分析反射率的数据质量,采用统计方法分析偏振量中的差分反射率ZDR、相关系数CC、差分传播相移ΦDP及差分传播相移率KDP的数据质量。研究发现:X波段双偏振雷达探测层状云降水回波分布与SA雷达探测回波分布相近,回波强度略高于SA雷达。当信噪比SNR<25 dB时,CC受噪声影响较大,数据不可信;ZDR较理论值偏大0.4 dB;ΦDP在7 km以内抖动较大,数据不可用,7 km以外依然存在少量的抖动;KDP大部分稳定在-1~1,并伴有一定的抖动,难以适用于分析弱降水的特性。

线性规划在X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移质量控制中的应用

对X波段双线偏振多普勒天气雷达而言,差分传播相移(φDP)数据质量是影响雷达应用的关键因素,需要开展其数据的质量控制。首先利用相关系数(ρHV),差分反射率(ZDR)纹理和差分传播相移纹理特征信息剔除非气象回波,然后采用一种新的方法——线性规划来开展差分传播相移的数据质量控制。比较分析了雷达原始差分传播相移数据经过3、5、7点不同平滑点数对线性规划结果的影响,分析数据表明不同平滑点数对线性规划结果几乎无影响。将线性规划方法应用到北京组网的X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移数据质量控制上,结果表明,差分传播相移经过线性规划后,可以有效提升其数据质量,表现在:(1)差分传播相移具有累积递增属性和差分传播相移率(KDP)的非负属性,与差分传播相移和差分传播相移率应该具备的物理属性一致;(2)可以有效剔除因冰雹等大粒子产生的后向差分传播相移(δ)对差分传播相移的影响,提升其计算差分传播相移率的准确度。

X波段双偏振气象雷达差分相位质量控制

气象雷达差分相位的质量控制是通信和遥感遇到的一个基本问题。前向散射引起的差分相位估计的准确性对于测量降水量,反射率的衰减订正具有重要意义,尤其对于X波段的双偏振雷达。而后向差分相位的值则包含了非瑞利散射和降水微物理等有价值的信息,因此需要准确地分离出前向散射引起的差分相位和后向差分相位。但在雷达射线传播路径中可能会存在其他非气象目标的干扰或受到周围某单频点电磁波的干扰,导致接收到的电磁波存在噪声因素,从而使测量得到的总差分相位值不准确,因此还需要考虑对接收得到的差分相位先进行质量控制。本文基于X波段双线偏振多普勒天气雷达,提出了对测量得到的差分相位进行质量控制的方法,有效地减少噪声的影响,再利用处理得到的总差分相位分离前向散射引起的差分相位和后向差分相位。结果表明,该方法可以有效地对非降水回波干扰引起数据的大振幅进行平滑,分离得到的前向散射相位满足理论规律。