汕头S波段双偏振雷达降水估测效果分析

为提高雷达定量降水估测的精度,本文选取2018—2022年汕头地区3次西南季风和3次台风降水过程,利用S波段双偏振雷达和自动站雨量计资料进行雷达降水估测效果分析。通过5个误差指标,分析了传统的PPS法、Ryzhkov的Ryzhkov法、郭佳的CSU-HIDRO_I法和汪舵的HCA-LIQ法,共4种雷达降水估测算法在6次降水过程中的降水估测效果,得出以下结论:在不分降水量级和降水类型的情况下,采用CSU-HIDRO_I进行雷达降水估测效果最优;在分雨强的情况下,小雨类采用Ryzhkov最优,中雨类和强降水类采用CSU-HIDRO_I最优;在分降水类型的情况下,西南季风降水过程中采用CSU-HIDRO_I最优,而台风降水过程中采用HCA-LIQ最优。在实际应用中,可综合考虑雨强和降水类型,采用相应的降水估测算法以提高雷达在定量降水估测的精度。

广州S波段双偏振雷达数据质量初步分析

广东省已经通过新布设或对CINRAD\SA雷达的升级改造完成5部S波段双偏振雷达的业务运行。受目前双偏振雷达技术水平限制,双偏振雷达偏振量很不稳定,因此偏振雷达资料使用前需要对数据可用性、偏振量的系统偏差等进行初步分析,以保证偏振雷达后续产品的可靠性。使用广州S波段双偏振雷达稳定运行后的2016年7—8月连续观测资料,分析了噪声对零滞后相关系数ρ_(HV)(0)及差分反射率因子Z_(DR)的影响和订正效果。结果表明:当SNR小于20.0 dB时,偏振参量ρ_(HV)(0)和Z_(DR)的稳定性变差,数据不可用;噪声订正后,数据可用的SNR阈值减小为17.0 dB。进一步分析了经过噪声订正后的Z_(DR)和ZH之间的关系,并与雨滴谱反演结果及理论值进行对比。结果表明:广州雷达Z_(DR)较雨滴谱反演值和理论值均偏小,Z_(DR)观测值存在系统偏差。结合广州的气候特征,对偏振量系统误差估计的微雨滴法的指数进行了调整,基于此方法分析了Z_(DR)、初始相位Φ_(DP)(0)的系统误差随方位角的变化。结果表明:Z_(DR)系统误差随方位角在-0.29~0.22 dB之间波动,剔除遮挡后的平均偏差为-0.09 dB,与实测Z_(DR)值和雨滴谱反演值及理论值对比偏小的结论一致,但偏差大小有区别;同时,Φ_(DP)(0)随方位角有4°左右的波动。分析还发现Z_(DR)、Φ_(DP)(0)系统误差有随时间波动的特征。最后挑选个例对Z_(DR)进行噪声和系统误差订正后发现,订正后的Z_(DR)得到改善。这些初步分析和结果对S波段双偏振雷达数据的使用有一定的参考意义。

不同尺寸冰雹S波段双偏振雷达偏振量特征统计

冰雹大小影响天气灾害的程度,为发展基于双偏振参量识别冰雹大小的算法,筛选了2019年、2020年山东省发生的33例冰雹事件,依据我国冰雹等级划分标准将其划分为小冰雹、大冰雹、特大冰雹,基于湿球0℃及冰雹融化特性确定了7个高度层,探讨了3类冰雹在不同高度层的双偏振参量分布特征,并获得了冰雹的偏振参量阈值。研究表明:在相同高度,冰雹越大雷达水平反射率因子Z_(h)中位数越大、差分反射率因子Z_(dr)中位数越小且基本为正值,但在-10~-20℃层,大冰雹的Z_(dr)中位数易呈现负值;相关系数CC中位数随冰雹增大或高度降低而减小,但特大冰雹在0℃层到H0℃-1 km(0℃层下1 km)之间由于融化比例较小CC反而会稍大;冰雹差分相移率K_(DP)中位数在0℃层以上为0°/km左右,在0℃层以下随高度降低冰雹融化而增加;大冰雹或特大冰雹基本特征是Z_(h)大、CC小、Z_(dr)小,CC可低至0.7以下,所有冰雹的Z_(dr)、K_(DP)可出现负值,小冰雹Z_(dr)大于0 dB的情况较多,特大冰雹Z_(dr)接近0 dB;-20℃层以上的Z_(h)、0~-20℃层的CC和Z_(h)、0℃层以下的CC、Z_(h)、Z_(dr)对冰雹大小比较敏感。

深圳X波段双偏振相控阵雷达降水估测算法效果评估

为验证X波段双偏振相控阵雷达的降水估测能力,利用2020年深圳市X波段双偏振相控阵雷达探测资料和广州市S波段双偏振雷达探测资料,建立基于双偏振雷达参量强弱(即ZH、ZDR和KDP)的本地化混合降水反演方法,对不同降水使用最优的雷达参量进行定量降水估测,统计广东龙门县2016年雨滴谱观测资料,得到降水估测公式中的系数,分析不同时间、空间和降水强度下降水个例,利用本地化降水反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料对比。结果表明,高时空分辨率的X波段相控阵雷达可以提高降水估测精度。X波段相控阵雷达在高时间分辨率下,其估测降水强度变化趋势和自动站观测的降水强度变化趋势一致,并且对降水强度小于40 mm/h的降水估测较为准确。在最大观测范围内,X波段相控阵雷达能观测到低层的气象信息,其降水估测的评估结果优于S波段雷达。X波段相控阵雷达对暴雨以下的降水估测更加准确,对暴雨以上的降水估测结果误差较大,可信度不高。

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。

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达(CINRAD/SAD)水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络(CNN),建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet,并将该架构用于雷达定量降水估测(QPE),评估结果表明:数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差(RMSE),并提高相关系数(CORR);对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差(RMSE)分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6~5 mm、5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差(RMSE)、平均偏差比(MBR)、平均误差(AE)和相对误差(RE)等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。

S波段与X波段天气雷达探测参量差异及组网融合处理研究

随着X波段双偏振雷达探测网的增多,与S波段双偏振雷达开展组网观测愈发具有必要性。利用北京地区2021年7月27日的一次强对流天气过程的观测资料,对X波段双偏振雷达组网观测值和S波段双偏振雷达观测值进行一致性定量分析,结果表明:两者观测的反射率因子(Z)一致性好,差分反射率(Z_(DR))差异集中在0 dB值附近,Z≥30 dBz时,差分相移率(K_(DP))差异显著。根据观测值差异特征,比较了探测参量直接融合和距离指数权重融合两种数据融合方式,通过分析偏振参量垂直剖面图发现,融合后可以相互弥补探测盲区,K_(DP)通过距离指数权重融合的方式过渡更加自然。本文融合效果可供不同波段雷达融合组网提供参考。

CINRAD-SA双偏振雷达资料在降水估测中的应用初探

对基于水平反射率ZH和差分传播相移率K_(DP)的降水估测综合法R(C)进行了改进,并对广州S波段双偏振雷达2016年2次飑线和2次台风降水过程的Φ_(DP)使用小波分析进行滤波处理,在此基础上使用变距最小二乘法拟合得到K_(DP)的值。分别使用R(C)和R(Z_H)法对2次飑线和2次台风降水过程进行降水估算,将估算结果和雨量计小时雨量进行了对比,并将两种方法的评估结果进行了对比。结果表明:(1)对于飑线类型降水,R(C)法对5 mm·h^(-1)以上的降水估测精度要好于R(Z_H)法,且降水率越大,R(C)法优势越明显,当降水率≥20 mm·h^(-1)时,两次过程R(C)法比R(Z_H)法的平均相对误差(RE)降低了17. 2%,平均绝对误差(AE)减少了1.89 mm,平均均方根误差(RMSE)减少了1.66 mm;(2)对于台风类型降水,R(C)法对5 mm·h^(-1)以上的降水估测精度也好于R(Z_H)法,当降水率≥20 mm·h^(-1)时,两次过程R(C)法比R(Z_H)法的平均RE降低了33. 19%,平均AE减少了3. 95 mm,平均RMSE减少了4.05 mm;(3)对于飑线和台风两种类型降水R(C)法都明显改善了降水率较大时的R(Z_H)法低估问题,但R(C)法在降水率>10 mm·h^(-1)时也存在低估,可能是由雨滴谱资料观测误差导致拟合的系数偏小或雷达硬件造成的观测偏差等造成的。

湛江2019年4次冰雹双偏振雷达产品应用分析

利用MICAPS高空地面资料和湛江S波段双偏振雷达资料对2019年3月6日、4月12日共4次雹暴云团造成的降雹天气过程进行分析。结果表明:1)4次过程均出现高悬强回波、三体散射长钉等降雹强风暴基本雷达特征;2)双偏振雷达基本参量的冰雹识别通常以高水平基本反射率Z_(H)、低的差分反射率Z_(DR)、协相关系数CC作为冰雹主要识别判据。3)4次雹暴云团在入流缺口处有明显的Z_(DR)环和Z_(DR)柱。成熟的雹暴云团强回波区对应Z_(DR)为趋近于0 dB的低值区,低于0.95的CC与趋近于0 (°)/km或为缺测的K_(DP)。4次过程中降雹前1~2 h,雹胚发展的强回波区域对应Z_(DR)常有低值窄带区下延接地。

上海青浦CINRAD/SAD雷达和南汇WSR-88D雷达数据对比分析

上海青浦CINRAD/SAD雷达和南汇WSR-88D雷达型号不同,并且采用不同的双偏振技术升级方案,实际业务运行中2部雷达存在一定的数据偏差。为了对雷达的探测性能进行定量评估,在共同探测区域遴选2022年7—9月及2023年6月共30个过程3933个时次数据,以稳定性降水与对流性降水分类并按强度分级进行对比,评估了反射率因子Z_(H),差分反射率Z_(DR),相关系数C_(C)和差分传播相移Φ_(DP)的水平分布特征及随方位变化趋势,雷达灵敏度随仰角变化趋势以及Z_(H)和Z_(DR)偏差的定量统计。结果表明:2部雷达Z_(H)的观测结果接近,青浦CINRAD/SAD雷达的Z_(H),C_(C)和Φ_(DP)受地物及避雷针影响较大,随方位变化不稳定,青浦CINRAD/SAD雷达在低层的非气象回波滤除效果较南汇WSR-88D雷达差。2部雷达Z_(H)和Z_(DR)的偏差在Z_(H)大于40 dBz的区域较大,Z_(H)平均偏差为0.9 dB,Z_(DR)为-0.14 dB。本文基于台风、冰雹、短时强降水和梅雨降水数据,定量化评估了上海2部S波段双偏振天气雷达数据之间的差异,为后续算法改进以及数据订正提供参考。

S波段-X波段雷达联合观测在厦门局地短时强降水过程中的应用分析

利用S波段双偏振雷达(SPOL)、X波段相控阵雷达(XPAR)两种新一代天气雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术,对2021年5月18日厦门市局地短时强降水过程进行分析。结果表明:(1)此次过程发生在低空西南急流和冷空气交汇影响区域内,低层风速的脉动及列车效应是局地短时强降水发生发展的重要因素。(2)雷达对比分析显示,SPOL显示更杂乱,垂直结构分辨率低,存在低层盲区,但能较好地捕捉到强降水的云微物理特征,还清楚地显示了两个较强降水阶段的特征差异;XPAR则可以清晰显示回波单体生成发展的演变过程。利用XPAR雷达组网,可以有效地提高SPOL低层盲区观测能力。XPAR也同时出现了回波偏强、强回波后的衰减、速度图中大风区的表现欠佳及强回波高度较低、垂直结构中双偏振特征与回波特征对应度较差等问题。两个雷达对回波悬垂、弱回波区的ZDR柱及强回波中心低层ZDR跃增均有体现。(3)多雷达风场反演结果显示,强回波上游形成的明显辐合导致不断有新生单体形成并向下游移动,促进列车效应的加强。同时进一步证实,在较强的西南暖湿气流环境下,列车效应中沿回波传播方向的垂直运动会呈现出上升-下沉运动交替出现的传播性波动特征。

使用气象目标物验证珠海-澳门双偏振雷达的差分反射率标定

为了寻求适合珠海-澳门双偏振雷达的差分反射率标定方法,提升其探测的准确性和稳定性,对珠澳雷达的太阳法和垂直指向法的标定结果进行了分析对比。对比表明两个标定方法确定的系统偏差之间存在较大的差异。为了确定真实的系统偏差,基于业务运行的体积扫描数据,在初始差分相移订正的基础上,用差分相移、反射率、信噪比和相关系数作为筛选条件,筛选了适合作为标定参照物的小雨和干雪,对珠澳雷达的标定结果进行了验证并分析了标定误差的成因。结果表明以小雨和干雪作为目标物得到的差分反射率系统偏差和太阳扫描法得到的结果非常一致,且在超过两个月时间内表现较为稳定,可以用于对雷达系统的差分反射率偏差进行长期的在线监控。垂直指向法标定的结果存在明显偏差。与英国Thurnham C波段雷达以及南京大学C波段雷达的垂直入射标定数据的横向对比和分析表明,珠澳雷达的垂直指向法标定受到位于天线罩顶部的航空障碍灯和维护窗的影响,使得标定结果出现偏差。

韶关天气雷达一次发射机综合故障诊断和排除

介绍了韶关新一代S波段双偏振多普勒天气雷达发射机的一次综合故障处理过程。从雷达终端报警信息、报警原理和故障现象等综合分析入手,采用测量法、替换法和直观法,详细描述了故障模块的工作原理和故障处理步骤。建议雷达保障人员在对发射机系统做测试检查工作时应视为整体,对干扰的排查应该在高压工作时进行,以便快速的定位和解决故障,提高维修保障效率。