天气雷达空中生态监测

每年数以亿计的昆虫、候鸟和蝙蝠等空中动物在全球范围内远距离迁飞,显著影响空中生态系统的结构和功能。随着全球气候和环境的不断变化,空中生态环境也在迅速恶化,对人类的生命和健康构成了严重威胁。为了保护空中生态环境,首要任务是对其进行有效监测。天气雷达具有大范围、全天时、全天候监测能力,可覆盖百千千米空间尺度,是监测和研究宏观空中生态的有效工具。十余年来,天气雷达空中生态监测领域取得了突破性的进展,极大提高了对空中迁飞动物的探测能力,可有效弥补传统监测手段存在的覆盖范围小和时间分辨率低等技术局限。天气雷达已在全球范围内的生物多样性保护、迁飞性虫害监测、疫源疫病传播防控等重大空中生态议题中发挥着日益重要的作用,有效填补了宏观生态研究空白。目前,美国、欧洲和中国分别建立了全球三大天气雷达网,为空中生态研究提供了重要的基础设施和数据支持。本文详细阐述了当前全球天气雷达空中生态监测的科学研究进展,以及通过天气雷达揭示的空中动物迁飞科学规律。然后,对天气雷达生态监测中迁飞动物的电磁散射建模、雷达回波提取、群体参数反演、雷达观测验证实验,以及宏观迁飞模型等关键技术进行了梳理和总结,并详细介绍了中国天气雷达空中生态监测的进展情况。最后,对未来发展方向进行了展望,指出针对中国当前农业迁飞性害虫和鸟类宏观迁飞等重大监测需求,需要在扩维探测、多参反演、多源预测等方面深入研究和探索,以进一步解读重大动物迁飞事件、分析宏观迁飞规律、揭示空中生态对气候变化的响应。

天气雷达站电磁环境影响监测研究

天气雷达站产生的超标电磁辐射会对人体造成严重的损伤。为此,提出天气雷达站电磁环境影响监测与分析。分析天气雷达站电磁影响因素,结合发射天线的方向函数,构建雷达功率密度模型。测试结果表明,对于S波、C波段、X波段,真实值与计算值呈现随距离增加而降低的趋势。对于三个波的频段,当接近天线的远场区时,计算值与真实值逐渐接近,相对误差均较小,说明模型在远场区的适用性更强;研究算法与实测值的拟合程度较高;在模型的应用中,真实反映了某市区的电磁辐射情况。

天气雷达三体散射长钉回波特征分析

利用2016—2020年中国中东部地区47个强对流个例中50部S波段多普勒天气雷达的基本反射率因子产品资料,在筛选出2626个样本的基础上,分析三体散射长钉(TBSS)特征。结果表明:TBSS在1.5 km和5 km高度附近出现频次最高;在2.4°仰角出现频次最高。TBSS主要出现在雷达静锥区边缘至雷达径向距离210 km范围,在距离雷达115 km附近达到峰值;TBSS在雷达极坐标系中呈现南多北少、西多东少的形势;当对流风暴移动方向与雷达径向方向的夹角大于30°时有利于观测到TBSS。TBSS回波强度在起始端径向向外0~15 km范围内迅速降低至5 dBz,15 km之后在-5~10 dBz波动,TBSS区域中70%以上为低于25 dBz的弱回波;99%的TBSS长度小于40 km,不同长度的TBSS形态符合正态分布。TBSS出现频次和长度与强回波的中心最高值和区域面积没有显著相关关系。

沈阳2次重污染天气过程的风廓线雷达观测结果对比分析

为进一步研究重污染天气的形成机理,利用风廓线雷达资料、常规气象观测资料和大气污染物监测资料,对2015年11月6—10日和2019年3月2—6日(分别简称“过程Ⅰ”和“过程Ⅱ”)沈阳2次重污染天气过程进行对比分析,重点总结风廓线雷达直接探测产品和反演产品的演变特征。结果表明:过程Ⅰ,污染重,污染物浓度增速快,能见度持续偏低,下沉速度大,动力条件更稳定,且雷达接收的气象回波信号强。低层始终维持高强度的暖平流,为污染物浓度达到异常峰值提供强力的暖湿条件。过程Ⅱ,污染相对较轻,冷、暖平流交替出现,使污染物浓度呈波动式上升,增速慢,能见度存在日变化,下沉速度小,且雷达接收的气象回波信号弱。2次重污染过程都受外来污染物输送影响,但输送路径不同。

基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估研究

针对天气雷达的选址受净空环境直接影响的问题,提出基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估研究。采用航天飞机雷达地形测绘使命高程数据,对天气雷达净空环境进行评估,并进行方位矫正和距离矫正。测试结果表明,基于航天飞机雷达地形测绘使命数据的天气雷达净空环境评估方法的方位分辨率为0.25°,测距大于260千米;与实地勘测结果之间的误差最小,具有较好的一致性;方位角的变化幅度较小,误差小。表明研究提出的方法在天气雷达净空环境评估中具有较好的应用效果,对气象检测技术的发展有一定促进作用。

天津区域鸟类活动的双偏振天气雷达回波分析

利用2022年6月至2023年3月的宝坻S波段双偏振天气雷达资料,对探测到的天津区域空中生物活动进行分析,结果表明:天津区域空中生物活动存在明显的季节变化和日变化。雷达能够探测到的候鸟迁徙回波集中在2月下旬到11月下旬,其中湿地鸟类活动在夏季比较明显,候鸟迁徙活动在2月、11月特别频繁,鸟类回波出现的时刻与日出日落有明显的关联。其中,秋季鸟类活动特征较为明显,回波在反射率产品上呈现明显的类圆形特征,回波强度能达到35 dBz以上;从径向速度产品上可以看出,鸟类飞行时径向速度约在10~27 m·s^(-1);从相关系数(CC)产品上看,鸟类回波的CC整体数值较低,主要分布在0.1~0.8;从差分反射率(ZDR)产品上看,ZDR分布不均匀,最大可达3~5 dB。相比于单偏振天气雷达,S波段双偏振天气雷达对空中生物回波的识别有显著优势。

相控阵天气雷达技术研究进展

天气雷达是一种典型的气象雷达,也称测雨雷达,是用于警戒和预报中、小尺度降雨天气系统的主要探测工具。自第一部天气雷达问世以来,社会经济的持续发展和科学技术的进步,推动了天气雷达技术不断创新发展,经历了常规模拟、数字化、多普勒、多普勒双偏振等发展阶段。天气雷达的核心部件发射机系统也从磁控管、速调管发展到全固态、相控阵技术。本文介绍国内外相控阵天气雷达技术研究进展,重点综述相控阵天气雷达技术研究进展。内容包括:介绍气象微波波段与天气雷达种类,介绍天气雷达体制发展进程,介绍双线偏振多普勒天气雷达;综述相控阵天气雷达技术进展,以及介绍几种新发展的相控阵天气雷达等。最后,给出总结和展望。

雨滴谱数据在S波段双偏振天气雷达数据质量评估中的应用

结合T-Matrix方法和雨滴谱仪数据反演双偏振参量,设计了一种雨滴谱反演评估方法(雨滴谱法),利用其反演结果可对双偏振天气雷达数据进行评估。将此方法应用于不同类型降水过程的雷达偏振参量数据质量评估,结果表明:满足微雨条件时,雨滴谱法与传统的微雨滴法均能有效监测由雷达系统误差导致的观测偏差,且评估结果十分接近;不满足微雨条件时,雨滴谱法评估的不同类型降水过程的雷达数据质量与满足微雨条件下的评估结果十分接近,客观证明了系统调整后雷达运行良好、数据质量稳定;不同雨强(R)情况下,雨滴谱法的评估结果具有一致性。10 mm·h^(-1)≤R<20 mm·h^(-1)时,雷达观测的数据质量最为稳定。该雨滴谱法适用范围广,可动态评估双偏振雷达偏振参量质量,有助于雷达调整和数据校正。

垂直大气湍流影响下的天气雷达回波信号优化检测方法

垂直大气湍流导致回波信号在大气中扩散,使回波信号质量较差,极易被噪声所淹没,因此,提出垂直大气湍流影响下的天气雷达回波信号优化检测方法。通过分析垂直大气湍流对天气雷达回波信号传输特性的影响,匹配滤波优化算法,改善垂直大气湍流影响导致质量下降的回波信号,利用模糊逻辑方法提取回波特征参数并构建对应隶属函数,设定阈值,获取天气雷达回波信号检测结果。实验结果表明:该方法可有效检测不同仰角的天气雷达回波信号,回波信号波形均匀且波动幅度小,检测效果较好。

利用无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定试验

文章针对天气雷达缺乏远场标定能力的现状,提出利用无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定的方案。通过给出无人机有源标定仪开展天气雷达远场标定试验的测试项目与条件,完成了对雷达天线、发射通道和接收通道的标定测试,试验结果符合相关技术要求。后期将对标定仪做进一步改进和完善,以期更好地满足雷达标定业务需要。

基于3种方法的福建天气雷达探测环境评估与分析

【目的】我国新一代天气雷达组网探测仍然存在较大盲区,特别是对低层大气的覆盖情况缺少评估。该文旨在研究福建省雷达对低层大气的探测情况,以辅助补盲雷达站址选择。【方法】利用SRTM高分辨率地形数据,采用3种方法,对福建省8部SA天气雷达0.5~3.4°仰角的探测环境,从单站范围、雷达探测重叠度、组网覆盖范围等方面进行分析,其中方法1、方法2、方法3分别基于射线海拔高度不同、射线与地形高度差不同、馈源以上高度不同,对一定高度区间的雷达覆盖情况进行评估。【结果】从业务角度出发评估低层大气探测环境,方法1和方法2的评估效果更优,以方法2为例,分析在盲区新建雷达的补盲效果,结果表明盲区主要位于闽中、闽西南和闽北地区。【结论】补盲雷达若位于靠近福建省界的闽西南区域,能最大程度新增0~2 km高度雷达波束覆盖面积,经计算得出新增面积可达15 000 km2以上。

基于AD9361的天气雷达回波模拟与硬件系统

针对现有雷达回波模拟系统硬件设计复杂、成本高等缺点,提出一种基于单片射频芯片AD9361的天气雷达回波模拟系统的设计。系统软件部分采用基于高斯功率谱模型的回波模拟算法,以不同天气特征下雷达回波的基数据为输入,灵活配置雷达参数,模拟出I/Q原始回波数据;再通过千兆以太网接口高速传输到硬件系统存储中。系统硬件部分以ZYNQ作为主控芯片,通过SPI协议与LVDS差分接口对射频芯片AD9361进行控制,将存储系统中的I/Q数据读出,传输给AD9361,实现雷达基带信号到射频信号的转换。系统模拟的射频信号通过发射端输出,经过数字接收机处理得到基带I/Q数据,对I/Q数据采用脉冲对处理法提取反射率因子、速度和谱宽,并与原始基数据进行对比,验证了天气雷达回波系统的可行性。方案设计的天气雷达回波模拟器系统硬件简单、成本低、配置灵活。

广东新一代天气雷达故障率及运行时效评估

文章对广东省范围内新一代天气雷达故障率及运行情况进行了系统性分析与评估,通过统计故障发生频次、故障发生时间、故障发生部位及故障持续时间数据,分析雷达在运行保障等方面的现状并提出改进方法。建立天气雷达运行能力评估指标体系,根据能反映雷达运行能力的各类数据,可以对全省的业务考核雷达进行评估。

CINRAD/CD型天气雷达发射系统定标技术方法研究

文章结合内蒙古地区最新的CD型新一代天气雷达系统特点,在仪器仪表使用要求、发射系统指标测试方面的技术方法和注意事项进行了详细叙述,为自治区级和台站级技术保障人员开展新一代天气雷达维护、测试和定标工作方面提供一定参考。

标准格式天气雷达PUP产品可视化应用系统研究与实现

为充分发挥标准格式雷达PUP产品的业务应用能力,设计并研发了天气雷达标准格式PUP产品可视化应用系统。研究设计了系统的总体架构,标准格式雷达PUP产品收集、解码、加工、共享应用方案,针对标准格式雷达PUP产品数据量大的特点,提出一种改进的RLE压缩算法和一种优化的雷达图像绘制方法,有效提升产品图像展示效率,实现标准格式雷达PUP产品高效可视化应用。基于B/S架构,采用SpringMVC框架、HTML5、CSS、WebGIS等成熟技术对系统功能进行了实现,面向全省用户提供了丰富的雷达PUP产品同GIS数据叠加展示和共享应用,同时提供地面观测数据、闪电数据同雷达PUP产品分层叠加应用,投入使用后得到气象业务用户的好评,有效提升对强对流天气预报预测和灾害性天气的预警能力。该系统在全国范围内较早实现了标准格式雷达PUP产品在气象部门的业务应用,对其他各省对标准格式雷达PUP产品可视化应用有较好参考作用,具有广泛的推广应用价值。

相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析

天气雷达作为龙卷风监测预警的重要手段之一,应用具有超高时空分辨率的X波段双极化相控阵天气雷达系统,较好地捕获并提前预警龙卷风。以2022年6月19日07时发生在广东佛山南海的一次龙卷风为例,详细剖析龙卷生消及雷达监测预警过程。借助雷达智能预警软件,利用X波段双极化相控阵天气雷达的双偏振量和超高时空分辨率数据,实时反演三维风场和分析龙卷碎片(TVS)特征,能够显著提高龙卷风监测预警水平。实例表明,本次成功地提前18分钟预警龙卷,进一步说明了X波段双极化相控阵天气雷达在强对流天气探测方面具有较强的生命力。

大雾天气船舶碰撞风险激光雷达识别算法设计

大雾天气显著降低了能见度,使得激光雷达信号受到严重干扰,难以准确提取船舶信号变得困难。同时,船舶的动态变化导致边界识别困难,导致船舶碰撞风险识别精度较低。因此,提出大雾天气船舶碰撞风险激光雷达识别算法设计。在大雾天气条件下,对激光雷达信号预处理,得到高精度船舶信号,对得到的船舶信号数据基于尺寸信息执行边界运算,以获取船舶边界数据以及靠近速度,并以此作为船舶碰撞风险识别指标。依据隶属函数,结合风险识别指标建立判断矩阵,通过碰撞危险度量化,归一化处理及去模糊化运算,得出船舶碰撞风险等级。依据平均碰撞风险识别目标船舶整个航程的风险等级。实验结果表明,该算法对船舶碰撞风险识别精度高,整体性能强。

新一代天气雷达在防灾减灾工作中的应用

天气雷达在防灾减灾工作中扮演着至关重要的角色。通过实时获取气象数据,天气雷达能够精确监测和预测各类天气现象,包括冰雹、暴雨、大风、龙卷风等极端天气事件。进而帮助气象部门更好地开展气象灾害预警工作,为防灾减灾部门提供了及时且准确的预警信息,有助于制定有效的应对措施。通过不断的技术创新和应用拓展,随着雷达技术的进一步发展,天气雷达的监测能力和预警精度不断提高,其在防灾减灾领域的应用将更加广泛,为保障人民生命财产安全和社会稳定发挥更大作用。因此,如何提高雷达技术在防灾减灾工作中的应用效果,是目前气象部门需要重点关注和解决的问题。本文通过对天气雷达在防灾减灾工作中运用对策进行分析研究,希望能够为我国防灾减灾工作的进一步发展提供一定的借鉴和帮助。

毫米波云雷达在高影响天气中的预警应用

为提高城市高影响天气的精细化预报预警水平,利用雄安新区2020年1月—2023年12月容城气象站Ka波段毫米波云雷达反射率因子、径向速度等7种产品及地面气象资料和天气学、雷达回波图像形态分析等方法对雄安新区暴雨、大风、雾、霾及沙尘等高影响天气进行分析。结果表明:1)云雷达对含降水的高影响天气云体探测结构清晰、垂直分布特征直观。当春、夏、秋季回波强度≥21 d BZ(冬季≥15 d BZ)、伸展高度≥5 km(冬季≥2 km)的云体出现,且云体最低高度达150 m时,可看作地面降水将出现的特征指标,时间提前量平均达20 min左右,当回波强度减弱、云底高度抬升,降水趋于结束;各级降水中,暴雨的强回波伸展高度、云水含量等最大。2)当回波顶伸展高度达8 km之上而后快速下落至云顶高度≤2 km时,地面易出现8级以上大风,降水伴大风的回波特点为强回波区中形成明显的U或V型缺口,缺口区最大径向速度达12.5 m·s^(-1)左右。3)云雷达反演滴谱数据产品可较好反映各级降水的粒子分布特征;垂直积分液态水含量(Vertically Integrated Liquid Water,VIL)对降水伴大风有预警指示意义,提前量0~30 min或以上。4)非含降水的高影响天气(雾、霾、沙尘等),云雷达回波强度等整体偏弱,各天气现象之间界限不清晰,但与降水天气发生转换时云雷达能快速、清晰地探测出降水云体,有利于提升降水的精细预报预警能力。

基于相控阵多普勒雷达技术的强对流天气预警系统设计

为了避免突发性灾害对人身以及财产安全造成的影响,针对天气预警过程的干扰因素较多、雷达成像像素精度较低等问题,设计基于相控阵多普勒雷达技术的强对流天气预警系统。设计数据采集芯片和电路混频器,通过不同的电压获取双通道接口的稳定运行。基于相控阵多普勒雷达技术,采集强对流天气数据并进行前期处理,通过多普勒雷达格式数据计算水平反射率结构以及梯度垂直反射率,避免干扰因素影响,计算最大模糊速度与最大模糊距离,得到雷达退速度模糊参数,建立强对流天气预警模型,得到一个新的强对流天气预警系统。实验结果表明,该系统所得到的不同径向距离以及不同方位角度的像素精度均小于0.03,提高雷达成像精度可以得到更准确地预警结果。