X波段双偏振雷达不同衰减订正方法对比分析

利用旬邑X波段双偏振雷达数据,采用Z_(h)-K_(DP)综合法、Z_(h)-K_(DP)综合分类法、ZPHI降水廓线法和初始相位法进行衰减订正对比分析,并将订正后数据与西安C波段天气雷达数据进行对比检验。结果表明,4种订正方法均能对反射率因子进行有效订正,订正后强回波中心与K DP强中心基本吻合,可基本还原降水分布特征;采用ZPHI降水廓线法订正后出现条纹状误差回波,订正效果较差;不同订正方法均可使X波段雷达反射率因子与C波段雷达反射率因子间的相关性提高;采用Z_(h)-K_(DP)综合法、Z_(h)-K_(DP)综合分类法和初始相位法订正后,强回波中心位置与C波段雷达较接近,订正后的反射率因子平均值与C波段雷达反射率因子值接近,绝对偏差和相对偏差减小;Z_(h)-K_(DP)综合分类法和初始相位法订正效果相对不稳定,Z_(h)-K_(DP)综合法订正效果较好且稳定。

西藏墨脱复杂地形X波段相控阵偏振天气雷达降水观测和反演方法研究

墨脱的降水变化与印度洋、孟加拉湾的水汽向内陆的输送、夏季风及我国东部雨带的推进过程联系紧密。它的独特地形与西南气流的相互作用在当地形成了年均降水超过2000 mm的降水带。但墨脱的复杂地形与有限的电力交通条件造成了降水观测的困难。2019年,第二次青藏高原综合科学考察研究任务专题项目在墨脱设置了一部X波段双偏振相控阵雷达,实现了对墨脱云降水的连续观测,对当地生态环境和云水资源研究以及高原东南水汽通道特征研究等具有重要的意义。文中使用墨脱X波段双偏振相控阵雷达2020年6-8月的观测数据,使用统计手段筛选降水回波片段,整合后构造得到符合墨脱复杂地形的混合仰角;利用2019年墨脱雨滴谱数据计算雷达参量、拟合得到适合墨脱地区降水特点的X波段天气雷达定量降水估测(QPE)公式。在此基础上选取2020年7-8月三次累积降水量、平均雨强、持续时间各不相同的降水过程,使用线性规划方案计算ΦDP(差分传播相移)、最小二乘拟合计算KDP(差分传播相移率)、“ZPHI”降水廓线算法订正ZH(反射率因子);以ZH和KDP为阈值,使用R(ZH)与R(KDP)分段估测降水,与单独使用R(ZH)和R(KDP)的估测结果进行对比;并基于降水估测结果和雷达参量的水平分布探讨降水分布与地形的关系。本文经过质量控制的ZH、 KDP数据质量有明显改善;使用统计方法构造的混合仰角有效回波面积大于使用SRTM1 v3.0地形数据构造的混合仰角,三次降水的典型时刻参量与过程累积降水量和平均ZH、 ZDR能初步反映降水变化与地形的关系;本文的降水估测公式和分段估测降水方法整体结果表现良好,各评估参数均具有较好的表现;结果表明:(1)墨脱雷达周边地形变化剧烈,根据现有地形数据构造的混合仰角在降水估测中表现不如本文统计筛选雷达观测数据得到的混合仰角数据;(2)本文采用的数据质控方法、定量降水估测公式与分段估测方法(PEM)在降水反演中表现良好,与单一的R(ZH)、 R(KDP)方法相比,得到的结果在CC和RMSE无明显变化的情况下,估测误差明显减小;(3)墨脱降水的发生发展或与西南气流被河谷偏北方山坡抬升有关,较大雨强、较小粒子直径的云位于地势平缓的谷底。

一次局地短时强降水过程的X波段双偏振相控阵雷达特征分析

利用常规高空、地面气象观测资料,分析了2023年7月19日许昌市局地短时强降水过程成因,重点应用X波段双偏振相控阵雷达基本观测资料分析了此次局地短时强降水天气过程的演变特征及降水粒子特征,以供参考。

基于X波段双偏振雷达的贵州威宁一次冰雹过程水成物粒子识别研究

利用贵州威宁雪山X波段双偏振天气雷达1次冰雹过程观测资料,基于MATLAB软件对雷达观测数据进行数据质量控制的基础上利用模糊逻辑算法对冰雹云中水成物粒子进行识别分类,主要结论如下:(1)采用综合小波去噪能够有效去除差分传播相位(φDP)存在的脉动和毛刺,保证φDP的连续性和平滑度,保留有效φDP值,其用于雷达反射率因子衰减订正具有较好的效果。(2)冰雹形成与低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)以及过冷水(SCW)的增减演变较为对应,霰粒子是冰雹形成的关键粒子。(3)从霰粒子出现到识别出冰雹时间为26 min,约4个体扫时间,从识别出冰雹到地面观测到降雹32 min,约5个体扫时间。(4)冰雹识别结果与地面观测总体一致,所构建的识别参量阈值基本合理,研究所构建的粒子相态识别方法在贵州威宁具有普适性,可为冰雹早期识别、预警和人工防雹作业提供技术和理论支撑。

X波段双线偏振雷达冰雹识别初步研究

利用北京市人工影响天气办公室X波段双线偏振雷达2009年4—10月观测的不同降雨类型的资料,统计出下雨天Z_H—Z_(DR)的分布特征,给出了Z_H-Z_DR分布的分段函数表达式,在此基础上定义了X波段双线偏振雷达冰雹识别参量H_DR,H_DR>0表示有冰雹,H_DR<0表示无冰雹,并指出电磁波的衰减会影响H_DR识别冰雹的结果。根据实际降雹情况和识别效果对比,结果表明H_DR大于零的区域与地面降雹情况基本对应一致。

X波段双偏振雷达对造成北京门头沟泥石流的强降水观测分析

利用房山X波段双偏振雷达观测资料,分析2017年6月18日北京门头沟泥石流的强降水过程,重点研究了泥石流发生地上空10 km×10 km区域内雷达反射率因子时空变化特征,并结合雷达定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation,QPE)讨论该类雷达探测设备在复杂地形区域的适用性。结果表明,在山区常规自动气象站布网稀疏的条件下,X波段双偏振雷达能够有效捕捉此次强降水的发生发展过程,同时,雷达定量降水估测得到的高分辨率降水场可以把握山区强降水中心,进而弥补山区雨量站匮乏的不足。此次过程中影响泥石流事件发生的降水时间发生在6月18日12-16时,其中,15时事发区域小时QPE最大值达到53.9 mm·h^(-1),上游来水和局地突发性强降水共同作用是本次泥石流事件的主要成因。

基于模糊逻辑的X波段双偏振雷达地物回波识别方法

为提升天气雷达数据质量,减少地物杂波对天气雷达数据质量的影响和满足短临预报业务应用,需对地物杂波进行识别和剔除。采用绵阳机场X波段双偏振天气雷达数据资料,选取4个特征参量,运用模糊逻辑算法结合层次分析法,确定识别地物杂波的隶属度函数及特征参量的权重,得出每个回波点是地物的可能性,进行识别和剔除。结果表明:该方法能清晰体现出各个参量在对地物识别时的贡献值,提升地物回波识别效果,提高雷达数据质量。

一次强对流天气的X波段相控阵雷达回波分析

利用东莞市X波段双偏振相控阵雷达资料,对2021年7月28日东莞一次局地冰雹和短时强降水天气的雷达回波特征进行分析。结果表明:台风“烟花”登陆北上形成宽广的台风低槽、低层的北风和西风辐合是该次强对流天气发生的背景条件;前期台风外围下沉气流造成的能量条件积累、中层的冷平流和珠江口低层西南风的加强为风暴的发展和维持提供了有利的环境条件。该次过程东莞东南部的对流风暴在原地生消,造成了塘厦镇125.5mm的局地短时强降水。低层KDP印对短时强降水有指示意义,而ZDR可以影响强降水阶段的雨强。东莞北部的对流风暴产生局地冰雹和8级短时大风,与东南部产生强降水的风暴不同,产生冰雹的风暴在降雹前具有强的ZDR柱,PPI上可观测到三体散射。风暴趋势产品VIL的两次明显下降对单体质心下沉产生辐散大风和冰雹的降落有较好的指示作用,相态识别产品也可作为判断冰雹是否落地的辅助工具。

X波段双偏振雷达资料的质量控制方法对比研究

雷达资料的质量控制有各种方法,但比较缺乏不同方法间系统的对比分析。针对中科院大气所X波段双偏振雷达资料进行质量控制,包括了φDP退折叠、滤波、计算KDP、衰减订正等,其中滤波采用滑动平均、中值滤波和小波去噪3种方法对比,衰减订正采用自适应约束算法和ZH-KDP综合算法进行对比,最后进行效果分析。结果表明,质量控制后,有效实现相位退折叠、滤除孤立点和杂波,3种滤波方法对原始数据的毛刺现象都能起到不同程度的抑制,小波去噪的径向距离廓线平滑程度效果最好。两种衰减订正方法后反射率的值有所增加,散点更加密集地分布在拟合曲线附近,其中ZH-KDP综合订正算法订正后的效果相对较好。质控后数据质量改善明显,数据可靠性更高,有助于提高对中小尺度天气的监测、预警和预报的能力。

X波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究

对云中水凝物粒子分类识别是双偏振雷达的主要应用之一。本文利用IAP-714XDP-A X波段双偏振雷达观测数据,在对其进行质量控制的基础上,利用滑动自适应订正算法对雷达反射率及差分反射率进行衰减订正,进而采用纹理参数SD(ZH)和SD(φDP)区分气象回波与非气象回波,最后建立基于X波段双偏振雷达偏振参量(ZH、ZDR、KDP、ρHV)、环境温度T和纹理参数(SD(ZH)、SD(φDP))的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法。本文通过对2016年8月7日一次低仰角的观测,检验了纹理参数SD(ZH)和SD(φDP)对气象回波和非气象回波的识别效果,结果表明:SD(ZH)与SD(φDP)两者结合可有效区分气象回波和非气象回波;用2015年8月7日北京一次较大范围的降雹个例,对建立的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法进行效果验证,识别降雹落点与地面观测降雹落点一致,表明各种水凝物粒子对应偏振参量取值范围合理;对2016年9月14日一次处于不同发展阶段的多单体对流云进行水凝物粒子分类识别,结果显示处于发展阶段对流云中存在过冷水柱,其形成的微物理过程是对流云中强烈的上升气流将暖层的水滴抬升到0°C层之上形成过冷云雨水,进而冻结形成雹胚并发展成为冰雹。

X波段双线性偏振雷达电磁波衰减对冰雹识别的影响

利用X波段双线性偏振雷达2009年4-10月降雨的ZH-ZDR统计分布,得到基于ZH-ZDR分布的冰雹识别参量(HDR)表达式。雷达发射的电磁波经过雨区导致的衰减会使HDR识别冰雹不准确,需要进行衰减订正。文中利用差分相移(DP)订正了HDR表达式中经过雨区衰减的反射率(ZH)和差分反射率(ZDR)。个例分析表明,经雨区衰减订正后X波段双线性偏振雷达回波与北京南郊观象台CIN-RAD/SA多普勒天气雷达回波具有较高的一致性,在零度层之下,HDR>0的区域能有效地反映出地面降雹情况;在零度层之上,HDR>0的区域可能是冰雹或湿霰,订正后HDR判别冰雹的虚警率有可能提高。

X波段双偏振雷达相态识别与拼图的关键技术

X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点,但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究,提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中,融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布,有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题,识别的降雹区与地面观测相符。

移动X波段双线偏振雷达数据质量分析及偏差订正

2019年8月,中国电子科技集团第十四研究所南京恩瑞特实业有限公司研制的GLC-12A型移动X波段双线偏振多普勒天气雷达在江苏大丰进行外场观测。根据该雷达外场观测资料,联合盐城新一代SA天气雷达和江苏省6个雨量站资料,对移动X波段双线偏振雷达做数据质量分析。结果表明,针对同一次降水过程而言,距离越远,衰减越大。为了降低衰减造成的观测误差,首先利用信噪比对差分反射率Z_(dr)、零滞后相关系数ρhv(0)进行偏差订正,提高Z_(dr)和ρhv(0)的数据质量,以便进行地杂波、生物回波等非降水回波过滤。然后应用去抖动滤波后的差分传播相移率K dp或总差分传播相位Φdp表达在雨中距离雷达R处的总双向反射率因子衰减订正值。数据分析表明,订正后移动X波段双线偏振雷达数据质量得到了提高。

1522号台风外围佛山强龙卷X波段双偏振多普勒雷达反射率因子特征

广东是我国一个龙卷多发地区,近年来该地区发生的龙卷造成了重大人员伤亡和巨大的经济损失。为了开展对龙卷的监测和预警,2015年佛山市建设了X波段双偏振多普勒天气雷达。2015年10月4日下午广东省佛山市发生了一次龙卷天气过程,当龙卷涡旋移近佛山市X波段双偏振雷达时,该雷达探测到了超级单体风暴钩状回波内的龙卷涡旋。龙卷涡旋位于钩状回波的末端,龙卷涡旋的反射率因子呈现为一强反射率因子区,该强反射率因子区的中间反射率强度相对较弱;与该强反射率因子对应的位置,平均径向速度有明显的涡旋特征;在龙卷涡旋的位置,双偏振雷达的差分反射率ZDR有一明显的低值区,零滞后相关系数CC也有一明显的低值区。分析认为,这是龙卷卷起的杂物碎片形成的龙卷碎片特征。

一次吉林强降雨的X波段双线偏振多普勒天气雷达资料分析

本文利用714XD P-A型X波段双线偏振多普勒雷达的回波信息及地面雨量站资料,对2007年5月吉林省伊通地区一次带状对流性降水进行了研究。本文首先采用卡尔曼滤波对ФDP进行处理,并利用滤波后的ФDP对ZH和ZDR进行衰减订正,然后通过多元线性回归拟合出3种雷达测雨公式。最后通过3个相对雷达不同距离的雨量站对测雨公式的测雨效果进行检验。结果表明3种测雨公式中R(KDP)对不同距离的降水反演效果均较好。

X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法

利用双偏振参量在弱降水过程中性质均一、随时空变化缓慢的特征,选取北京、佛山地区弱降水过程的观测资料,通过将较长时间观测结果沿径向或方位累积的方法,分析双偏振参量测量精确度受地物、避雷针、旋转及俯仰关节的影响,并提出相应的质控方法,得出以下结论:(1)差分反射率(ZDR)、相关系数(ρhv)及差分传播相位(ΦDP)比水平反射率(Z)对地物更敏感,其中在地物处ρhv小于0.85,ZDR低于-1 dB。根据降雨与地物之间偏振参量特征的不同,将ρhv长时间累积能有效的识别地物回波。(2)每根避雷针对双偏振参量影响的方位和幅值是近似一致的。在以避雷针为中心的±15°的方位范围内,ZDR增大0.4~1.5 dB,ρhv降低0.01以下、Z降低1~2 dBZ,且均在避雷针中心处影响达到极值。通过基于上述方位的统计订正可以较好的去除避雷针对双偏振参量的影响。(3)雷达旋转关节的异常会导致ZDR在水平方向上不平稳变化,而俯仰关节异常会使ZDR在高、低仰角差距较大,通过ZDR沿方位一段时间的累积得到各层仰角ZDR变化曲线,用此曲线来实现ZDR的误差标定。通过检验,本文提出的质量控制方法有效的提升了X波段双偏振雷达的数据质量,为其在业务中的进一步推广提供了支持。

结合Ka和X波段双偏振雷达对北京一次锋面降雪过程雪带的观测分析

本文设计了中国科学院大气物理研究所位于同一观测站内的一部单发双收Ka波段双偏振雷达和一部双发双收X波段双偏振雷达高效结合观测的方法,并首次将Ka和X波段双偏振雷达结合应用在降雪过程的观测中,对2019年2月14日锋面气旋系统在北京地区降雪过程中雪带的形成、发展、消亡过程的宏微观结构进行了分析。结果表明,雪带的垂直结构符合以往对层状云垂直分层的物理认识,类似但不同于雨带由凝结增长层、丛集层、淞附层、融化层组成的四层结构,雪带只包含由上层“播种”至下层的冰晶形成的凝结增长层、丛集层和淞附层三层。由于各层水平风速不同,雪带的三层结构并非垂直排列。多个雪带不断生成发展维持降雪,直至冰晶凝结生长层变空,云从冰晶凝结生长层分裂为多层云后各自消散。证明了Ka和X波段双偏振雷达结合的必要性和高效性,丰富了对锋面气旋系统雪带的认识,补充了Ka波段和X波段雷达对降雪的观测研究。

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_(H)、差分反射率因子Z_(DR)进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_(H)与雨滴谱仪反演的Z_(H)对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_(DR)、差分相移率K_(DP)与Z_(H)的一致性较好,其中K_(DP)约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。

X波段双线偏振多普勒雷达资料质量评估

以山东省首部X波段全固态双线偏振多普勒天气雷达724XSP观测的几次降水过程资料为例,与济南站多普勒天气雷达（CINRAD/SA）资料进行对比分析,并利用XSP雷达观测的层状云降水资料进行偏振参量的质量分析。结果表明：XSP雷达波束在穿越层状云云体时的衰减比较均匀,与SA雷达探测的云体结构比较接近,但XSP雷达对45 dBZ以上强回波的探测能力较差,尤其探测冰雹云云体结构时二者差别较大。对偏振参量分析发现,当SNR〈10 dB时,ZDR、CC、ΦDP和KDP等偏振参量受噪声影响明显,误差较大不可信;当SNR位于15-23 dB时,ZDR和CC的测量值有明显波动,质量较差;XSP雷达的ZDR测量值较理论值偏低0.5 dB;ΦDP和KDP资料受衰减影响较小,当SNR〉10dB时,质量比较可靠。

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。