C波段多普勒天气雷达地物识别方法

地物回波对雷达数据应用会造成负面影响,是影响定量降水估测等产品精度的重要因素,识别并剔除地物回波是雷达基数据质量控制的一个重要内容。该文在现有S波段雷达地物识别方法的基础上,使用长治、哈尔滨两部CINRAD/CC雷达2011年观测数据,对C波段雷达地物回波特征进行分析,改进识别参量的隶属函数,建立适合C波段多普勒天气雷达的地物识别方法 (MCC方法),并对该方法进行效果检验。结果表明:S波段及C波段雷达地物回波与回波强度有关的参量分布较为相近,与降水回波的参量分布有明显区别;S波段雷达地物识别方法中与回波强度有关的参量可用于C波段雷达地物的识别,与速度有关的参量中仅中值速度可用于C波段雷达。通过统计分析与个例分析,相对于现有S波段雷达识别方法,MCC方法可显著提高C波段雷达地物回波的识别正确率,并可减少层状云降水回波的误判。     

雷达回波预测极端暴雨概率方法构建原理与应用研究

基于局地雷达回波基数据强度与雷达体扫面内相应地区强降水量之间的统计关系,并通过LucasKanade局部光流法分析下一小时可能影响该地区的回波区域,将这些区域定义为强降水影响系统的动态回波上游。同时分析雷达各层体扫回波情况,即考虑强降水系统的空间伸展程度。通过分析这些动态回波区域在当前时刻内(每10 min多层体扫信息)的时空变化特征,建立回波强度特征与局地降水的相关,进一步与改善的降水极值概率预测方法相结合,构建对下一小时局地暴雨重现期极值预测预警指标,为应急保障方案和及时应对决策提供技术支持与专业参考信息。整体方案以2006-2011年6-8月盐城多普勒天气雷达回波强度的基数据资料和同时段盐城雷达体扫范围内建湖气象站的小时雨量序列为基础,采用Lucas-Kanade局部光流法确定回波强度反映的降水系统时空动态上游,并利用皮尔逊III型方法和广义帕累托方法建立回波类别与建湖局地白天与夜间降水序列的统计概率关系,计算回波类别对应的局地极端降雨极值以及极值重现概率特征,构建降水系统的雷达回波动态综合特征与下一小时局地强降水极值概率间的统计关系指标,指标的相关性检验达到70%。该方法具有强降水多等级重现期极值预测能力,为下一小时临近极端暴雨预测预警提供了雷达监测动力统计优化方法。     

基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除。为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7—8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别。通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用（降水估测等）具有正贡献。      

淮河下游初夏小时内降水分级与雷达信息特征

利用淮河下游盐城市多普勒天气雷达和雷达扫描范围内建湖县降水量资料,对2008年6月的6次小时内三等级降水过程进行环流背景和局地雷达信息特征分析,其中对不同等级降水又给出夜雨及午后雨降水日变化分类。在环流背景基础上,通过综合分析对应各级各类降水的多普勒天气雷达降水回波的滤波强度分布特征,以及相应时空的雷达径向风场沿体扫倾斜面的分布结构,归纳出小时内降水量级的动力信息特征。在两类主导性天气尺度环流背景下,局地雷达要素空间分布特征为：同等量级降水,夜间的平均回波强度明显弱于白天;上游补充回波范围指示降水连续性质;上游长而强的回波带支持下一小时短时强降水;沿经建湖的局地雷达倾斜体扫半径剖面, 径向风的风向风速辐合中心的高度越低,辐合层次越宽厚,对应的降水级别越大;在同等降雨量级中,沿倾斜的体扫半径的局地风速强切变,通过上下动量传递和水汽混合,维持着更强的降水。     

陇东南地区短时强降水的雷达回波特征及其降水反演

利用雷达基数据对比分析了天水、庆阳和兰州3部多普勒雷达等距离水平剖面上同步观测的回波强度差异,并研究了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和反演降水。结果表明,当回波强度10 dBz时,这3部雷达并不存在显著差异;从区域站和自动站的降水量对比分析可知,造成短时强降水的天气学尺度较小,对雷达回波的统计也映证了这一结论。有75%的强降水尺度20 km,表明原有的气象站并不能较好的反应局地降水;运用分组估测法、整体和分型Z-I关系法定量估测降水,结果发现分型Z-I关系法可以较好的反映陇东南地区的降水特点,较好的解决了低量值高估和高量值低估的问题,其中雨强在15~20 mm·h-1时反演效果最好。     

基于CINRAD SA双偏振雷达新型定量降水估测方法研究

杭州下沙S波段天气雷达在双偏振升级的基础上增加了精细化探测技术，为了进一步提高雷达定量降水估测精度，本文参考小时雨量计订正雷达估测降水算法模型，建立了一种基于分钟级雨量计数据的实时定量降雨估测雨强订正方法（简称QPE ADJUST法），利用雨量计资料对雷达的QPE数据逐体扫实时订正，累计完成1 h、3 h降水估测产品，提高了雷达降水估测精度。通过对雷达产品及自动站数据资料的评估，分别从降水估测算法、雷达分辨率影响及体扫周期速度影响3方面对QPE ADJUST法的估测降水效果进行了统计分析。结果表明：QPE ADJUST法在雷达高分辨率、快体扫周期的情况下均比其他算法更好地表现出降水时空分布特征，并将雷达小时定量降水估测的误差从50%降低至20%左右，有很高的估测精度和稳定性，具有业务应用价值。     

C波段雷达资料在强降水过程中的应用

利用甘肃省天水市C波段多普勒雷达资料,选取2013年7月8日和8月1日2次强降水过程,在考虑雷达系统标定偏差的基础上用雷达定量估计降水,对比2次降水过程的雷达反演风场、回波与降水之间的关系,并利用雨水含量守恒方程对回波进行外推,利用反演结果检验发生冰雹和大风等强对流天气过程的预警条件。结果表明:不同降水类型采用不同Z-I关系估计的降水效果明显优于雷达默认的Z-I关系,并且由于C波段雷达回波信号的衰减,在使用前需对观测回波进行衰减订正;2013年7月8日的降水过程为低质心回波降水过程,2013年8月1日的降水过程为高质心回波降水过程,2次降水过程的回波强度与降水范围有很好的对应;对于低质心回波降水过程,外推回波与观测回波位置较为吻合,但强度偏强。对于高质心回波降水过程,外推回波较观测回波位置偏后,且强度偏强;考虑雷达系统标定偏差后,冰雹和短时强降水对应的一些特征量关系符合相关预警条件。     

双偏振天气雷达水平和垂直通道回波对比

本文针对南京溧水S波段双偏振多普勒天气雷达获取的回波I/Q信号,采用FFT算法处理水平和垂直通道I/Q数据,分别得到水平和垂直通道回波的强度、速度值,定性分析了两通道回波强度、速度数据差异,引入平均差及均方根误差参数做定量分析。对比结果表明:两通道I/Q数据处理得到的回波层次分布基本一致;两通道速度数据差异较小,强度数据差异较大。以水平通道回波数据为基准,当回波强度小于16 dBz时,水平通道强度偏小,这可能是由云系边缘较小的针状冰晶所致;当回波强度大于32 dBz时,水平通道强度值偏大,且随回波强度的增加两通道强度差值增大,这反映了强降水中大粒子较多,而粒子越大,降落过程中扁平程度越大;两通道回波强度的差值与回波强度大小呈现一定相关性,这可能反映了单偏振天气雷达在定量测量降水中精度不高,通过双偏振雷达联合利用两通道数据有望改善雷达定量测量降水精度,提升雷达定量估测降水能力。     

短时强降水监测和预警技术及其在山区的应用

为提高短时强降水的监测和预警技术在山区等复杂地形中的应用,本文选取相关的探空资料分析天气背景,划分降水类型,与自动站订正技术相结合,采用Z-I分型最优化技术估测降水,利用交叉相关法对雷达反射率因子进行外推,并预测30min后的累积降水量。根据近3年的观测资料,制定出适合岳阳地区雷达反射率因子以及雷达估测降水对应的降水量级。通过与自动站雨量对比,Z-I分型最优化技术估测降水的相对误差较小;与Z-I经验公式估测降水对比分析,雷达估测降水的准确率有一定提高。经过岳阳示范区一年的实际应用表明:该方法对短时强降水的估测和预警均取得良好的效果,对强降水引起的山体滑坡等灾害具有一定的防范作用。     

雷达估测对流性降水的误差空间分布及Z-R关系的优化

新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测中,雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出Z-R关系的关键。对流性降水回波强度具有时空变化大的特点,严重影响了雷达和雨量站数据的匹配以及定量降水估测的精度。利用河南地区3次强对流天气过程的雷达和雨量站数据,通过分析雷达对流性降水与地面雨量站观测值的误差空间分布,找到如下规律:雷达回波强度严重高估点和低估点大部分位于强回波的边缘地区(单点回波强度随时间变化较大);部分位于强回波中心的雨量站观测值为零(部分时刻)。通过分析可知,突发的强降水和强回波中心容易造成雨量站观测值误差较大,因此对Z-R关系拟合造成了较大的影响。根据对流性降水回波强度变化特点和本文得到的回波强度与雨量站雨量匹配关系,在Z-R关系拟合中,提出了加入回波强度随时间变化的指标对误差较大雨量站进行剔除的方法,也提出了一种优化的回波强度平均方法和累积时间,得到了用于对流性降水估测的最佳方案。详细分析以上因素对降水估测的影响表明,通过根据回波强度随时间变化的指标对雨量站进行剔除和使用最佳降水估测方案,提高了对流性降水估测的精度。     

庐山2002—2010年夏季强降水特征分析

利用气象观测资料,对庐山2002—2010年夏季(7—9月)强降水(日降水量≥50 mm)进行了统计分析和天气系统分型,并对降水期间的气象要素变化、卫星云图及雷达回波特征进行了归纳分析。结果表明,(1)庐山夏季强降水日数平均每年为2.8 d,少约1 d,多达5 d。四类天气系统中台风占44%,西风带占32%,副热带高压边缘占16%,东风波占8%。(2)强降水过境时的要素变化,不同系统有不同的表现形式,台风影响时会出现降压、降温、增湿、风向旋转、风速增大以及较山下大几倍至几十倍的降水等要素变化;西风带系统影响时,会出现气温明显下降、气压前降后升的过程;副热带高压边缘影响时,前期高温、气压无明显波动,降水以午后到傍晚雷阵雨为主,常伴有短时强降水和强雷电;东风波系统影响时,要素反应弱,降水既有副热带高压边缘的强降水,又有台风性质的大降水。(3)台风系统云图主要表现为螺旋状结构和中尺度对流云团结构,雷达回波表现为混合型降水;西风带系统则呈东北—西南带状云系和带状回波分布;副热带高压边缘在午后到傍晚有一些分散的对流云团不断生消,较少移动,雷达图上午后到傍晚有分散的对流性回波发展;东风波自东向西移动,有带状云系相配合,带来明显的强降水,利用雷达也可以监测到南北向回波带自东向西移动。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波特征分析

应用昆仑山北坡小时、分钟降水资料以及和田C波段多普勒天气雷达资料,分析近8年该区域短时强降水天气分型,对比分析对流云与混合云2型5类短时强降水的回波强度、顶高、垂直液态含水量等回波特征量值以及持续时间的差异.得出昆仑山北坡短时强降水中,中亚低涡(槽)型环流形势和块状多单体回波最多,昆仑山北坡无超级单体回波.需高度关注3...     

副热带高压外围西北侧一次强对流天气的雷达回波特征

2005年7月15日14时到16日08时,宜昌市出现了一次强对流天气过程。根据宜昌多普勒天气雷达每6min一次体扫监测信息,分析了副热带高压外围西北侧强对流天气雷达回波的演变趋势。结果表明,在山地向平原过渡的地带,当对流云发展到最旺盛阶段并出现地面强降水时,在其基本反射率最低仰角产品中存在出流边界;弓形回波、带状回波的走向与环境风场几乎成正交时,给所经之地造成异常剧烈的天气,且灾害性大风均出现在径向速度场中具有旋转性环流的强单体移动的下风方。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日~4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南-东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南-东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。     

2010年8月丹东连续两次副热带高压暴雨多普勒雷达回波对比分析

利用丹东多普勒雷达的基本反射率、基本径向速度和风廓线资料,对2010年8月19日和20日丹东地区大暴雨天气过程进行分析,探讨丹东短时强降水天气形势和多普勒雷达回波特征。结果表明：在丹东处于副热带高压内部或边缘时,南下的冷空气与副热带高压后部暖湿空气势力相当时,形成丹东地区较典型的暴雨模式。风廓线产品在强降水前期,会产生一个水汽累积的过程,两次过程中出现短时强降雨时段均表现为高空急流出现和高空动量下传。这种高空动量的下传使低空急流得到加强,低层进一步辐合,使雨强明显增大。两次过程中降水回波区均形成一条40 dBz以上的回波带,回波移动方向与回波带轴向一致,导致沿途站降水时间偏长,降水总量偏多。逆风区出现时间与强降雨时段有较好的配合,其位置与强回波区的对应关系揭示出逆风区厚度越大、对应的反射率因子强度越强,产生的降水强度也越大。     

基于模糊逻辑的分步式超折射地物回波识别方法的建立和效果分析

超折射地物是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素,文中使用合肥、广州、温州、天津的SA多普勒雷达和上海的WSR-88D资料分析了混合性暴雨降水、对流性降水、地物回波的回波强度、径向速度、速度谱宽的取值范围、水平垂直变化及其地物回波与地形海拔高度的关系等特征,并确定了模糊逻辑识别超折射地物的隶属函数。在Kessinger方法基础上,考虑到雷达径向速度的距离模糊问题和地物回波与方位的关系,提出了基于模糊逻辑的分步式地物回波识别方法,通过调整已被严格标准识别为地物和非地物的邻近区域回波点的判据,来减小地物的漏判和降水回波的误判。利用降水回波、地物回波的个例资料分析了回波强度、径向速度和速度谱宽资料在识别地物回波中的贡献,分析了分步方法对地物回波识别效果的改善。结果表明:该方法能较好识别地物回波和降水回波,径向速度和速度谱宽资料在地物识别中作用明显,利用分步方法明显改善了在速度模糊区暴雨过程对流云团被误判为地物的概率。