星载雷达DPR与地基雷达CR的匹配对比及系统偏差初探

将GPM(Global Precipitation Measurement)卫星搭载的双频降水雷达DPR(Dual-frequency Precipitation Radar)和广东龙门观测站的地基Ka/Ku双波段雷达CR(Cloud Rader)在2019年4—9月的观测数据进行时空匹配,结合微雨雷达MRR (Micro Rain Rader)的雨滴谱数据对CR衰减订正处理,比较DPR与CR探测回波强度差异,最后对两者的系统偏差进行分析。结果表明:(1) DPR和CR探测到的回波强度随高度变化的趋势大体一致,零度层亮带高度基本一致,同样高度下DPR探测到的回波强度明显大于CR。(2)统计弱的非降水云算得CR双频系统偏差约为3.1 dBz。(3)雨强越强,CR天线罩水膜厚度越大,回波衰减越大。(4)逐库订正过程中利用雨滴谱数据计算衰减系数,CR在Ka与Ku波段的反射率因子订正量不超过4 dBz。(5)综合所有适配数据,CR与DPR的反射率因子在Ka波段内订正后平均系统偏差为15.7 dBz,在Ku波段内订正后平均系统偏差为14.4 dBz。虽然经订正处理后两部雷达间的系统偏差偏大,但对改善地基Ka/Ku双波段雷达的数据质量有明显的改善。     

热带测雨卫星的星载雷达和地基雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

为了揭示热带测雨卫星上的测雨雷达热带测雨卫星的星载雷达与X波段多普勒雷达在探测云的反射率因子的大小和结构方面的差异 ,用散射模式和数值模拟的方法讨论了这两种雷达的波长、雷达波入射方向、波瓣宽度等参量对反射率因子的大小和结构的影响 ,并利用所得结果讨论了两种雷达实际观测的差异。结果表明 :雷达波长和入射方向的不同引起的两种雷达测量的反射率因子的差异在 2 .0dBz以内 ,TRMMPR可在强回波中心探测到更大的反射率因子 ,并在很大程度上平滑了回波的结构 ,在强回波和弱回波区分别低估和高估 3～ 5dBz,造成了观测的云的面积增大、平均回波强度减小、面积积分降水量增大。这些理论结果还不能完全揭示两种雷达实际观测结果的差异 ,看来星载雷达和地基雷达探测结果的对比问题很复杂 ,其中雷达波的衰减问题是必须考虑的。     

星载双频测雨雷达航空校飞试验降水反演分析

2010年9月6日到10月20日,在江苏东台黄海附近进行了中国首次星载双频(Ku和Ka波段)测雨雷达的外场校飞试验,获得了宝贵的机载雷达数据。利用所探测的有效降水资料,对机载雷达的降水探测能力进行了性能分析。对比机载测雨雷达和同步星载测雨雷达(Precipation Radar,PR)探测的反射率因子廓线可以发现,机载雷达反射率因子廓线在1.55 km高度的探测结果和PR较为一致,尤其是融化层一致性更好,表明机载雷达有探测降水垂直结构的能力。为了进行Ka波段机载雷达的降水反演,利用卫星数据模拟器(Satellite Data Simulator Unit,SDSU)计算了k-Z_e和R-Z_e关系的系数,并在此基础上进行了衰减订正以及雨强的反演。结果表明,Ku和Ka波段反演的雨强廓线基本一致,证实了反演系数的合理性。     

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。     

基于Ka波段毫米波云雷达资料对水凝物相态的识别研究

利用不同水凝物相态下反射率因子、多普勒径向速度、谱宽、线性退偏比等云雷达探测参量以及温度的阈值,采用不对称的T型成员函数,建立了识别水凝物相态的模糊逻辑算法,可识别的水凝物类型包括雪花、冰晶、混合相态、液态云滴、毛毛雨滴、雨滴。利用分级逐库订正法衰减订正后的Ka波段双偏振雷达探测数据和ECMWF再分析资料温度廓线数据对水凝物相态进行了识别研究。结果表明,识别出的水凝物相态结果基本合理,反映出了空中水凝物相态的演变过程,可进一步应用于降水微物理过程研究和人工影响降水应用研究。     

网络化多普勒天气雷达反射率因子的衰减订正

利用国内第一个网络化雷达试验平台的观测资料,基于网络化雷达反射率因子衰减订正算法,对观测数据进行衰减订正。并与单部雷达自适应约束算法和常州S波段雷达观测资料进行比较分析,结果显示订正方案合理。个例分析表明,经过雨区后单部雷达探测的回波强度较弱甚至探测不到,而网络化雷达可以利用多部雷达的共同观测,弥补单部雷达探测上的不足,体现出网络化雷达衰减订正的优势。     

网络化衰减订正方法在北京X波段网络化雷达中的应用

衰减是影响X波段雷达数据质量的主要因素之一,直接影响到X波段雷达在强对流监测预警中的应用效果。文中在分析中、外雷达衰减订正方法的基础上,选择并改进了一种利用雷达网中不同雷达相互订正的方法,该方法通过不断迭代运算,使订正误差达到最小,形成了适合于网络化X波段雷达的反射率因子衰减订正方法。订正结果与原始雷达数据以及差分相位（${\phi _{{}_{{\rm{DP}}}}}$）订正法结果进行对比,并且还同时与北京S波段雷达观测数据进行了对比。结果表明：衰减订正对X波段雷达穿透强降水后的回波以及探测距离较远的回波效果比较明显,订正后的回波与S波段雷达观测结果比较吻合。     

联合遥感技术对X波段雷达反射率的衰减订正

由于在使用X波段雷达时,必须要对雷达反射率进行衰减订正,本文发展了X波段雷达和微波辐射计联合遥感技术对雷达反射率进行衰减订正的方法。并选用两个不同降水系统个例(积层混合云降水和层状云降水),分析了联合遥感方法的订正效果,结果表明,联合遥感方法可对雷达反射率进行有效的衰减订正,订正后雷达回波的空间结构、回波强度和路径分布较为合理,订正后雷达反射率因子平均值在两个个例中分别增加1.71 dBZ和0.84 dBZ,略小于双偏振方法订正后的结果。     

上海浦东X波段双线偏振雷达衰减订正效果分析北大核心CSCD

降水对X波段雷达电磁波的显著衰减,造成了回波弱化现象,带来了定量应用不准确的问题。为了减轻降水衰减对雷达数据的影响,用Z-K_(DP)(反射率因子-差分传播相位常数)方法对上海浦东气象局的X波段雷达反射率因子进行订正试验,具体方案为:当K_(DP)≥0.3°·km^(-1)时,用K_(DP)的值进行订正;当K_(DP)<0.3°·km^(-1)时,使用雨滴谱拟合A(衰减系数)和Z间的经验公式做衰减订正。选取对流性降水个例(2020年9月17日)和稳定性降水个例(2021年2月26日)进行衰减订正试验,经过衰减订正和系统偏差订正后,X波段雷达反射率因子与S波段雷达的反射率因子大小相当,回波形态相似,验证了该订正方法适用于对流性降水和稳定性降水的X波段雷达反射率因子的衰减订正。     

立体雷达方法在星载测雨雷达上的应用

星载测雨雷达的应用,必须满足一些主要条件：高的空间分辨率、宽阔的覆盖范围、大的动态降雨测量范围以及精确的点测量等。由于技术条件的限制,满足这些条件的雷达工作在被雨衰减的频率段,因此必须修正由于衰减所导致的误差。立体雷达方法利用雷达从两个不同角度对雨团的观测来进行衰减效应的订正并实现整个观察区域的雷达反射率因子和比衰减因子场的反演。通过数值实验研究了星载特性的引入造成的不均匀性束内填充效应对立体雷达方法的影响     

A Recognition Method of Hydrometeor in Tropical Cyclones by Using the GPM Dual‐Frequency Precipitation Radar

In this paper, we propose a fuzzy logic algorithm to recognize the types of hydrometeors by using ka and ku reflectivity factors, temperature thresholds and an asymmetric t-form membership function. the identifiable types of hydrometeors include snow, graupel, mixed-phase particles, large raindrops, and small raindrops. the reflectivity detection data of ka and ku with attenuation correction is from dual-frequency precipitation radar onboard the global precipitation measurement satellite. the temperature data from the European Centre for medium-range weather forecasts are used to identify the hydrometeors. and the identified hydrometeors are compared with the vertical profiles of phase from official level-2 DPR products. the results show that the identified hydrometeors are reasonable and reveal the evolution process of tropical cyclones, which can befurther applied to the study of precipitation microphysical process and artificial precipitation.     

X 波段双极化雷达对云中水凝物粒子的相态识别

人工影响天气研究需对云中降水粒子的相态和分布结构进行准确识别,以便提高人工影响天气作业效率.中国科学院大气物理研究所的车载X波段双极化雷达可提供与云中降水粒子大小、形状、相态等特征密切相关的4个极化参数:反射率因子、差分反射率、差分相移率、水平和垂直极化相关系数.利用这4个极化参数加上环境温度作为5个输入参量,建立了降水粒子相态模糊逻辑识别算法,识别的降水粒子有10种:毛毛雨、雨、湿霰、干霰、小雹、大雹、雨加雹、湿雪、干雪、冰晶.利用此雷达的实际观测资料,并与地面和飞机空中实测资料对照,对我国南、北方地区观测的降水天气过程进行分析,结果表明:建立的模糊逻辑算法对云内水凝物粒子的相态识别分类合理.     

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。     

基于X波段双线偏振雷达质量控制及云内水成物粒子识别方法研究

为了更好的基于X波段双线偏振雷达,开展强对流天气的监测与预警、云内微物理过程等的应用研究,本文对该雷达的质量控制方法及云内水成物粒子识别方法进行了较系统的比较分析,得到的主要结论如下:(1) 采用径向连续性检查的方法对差分传播相移进行相位退折叠后,其连续性明显提升。对差分传播相移进行滤波处理,其小波去噪明显优于滑动平均和中值滤波。经自适应约束算法进行衰减订正后,其值与S波段雷达差异减小,且强回波区回波强度增幅比弱回波区明显,可达5dBZ。(2) 基于模糊逻辑算法能较好地解决阈值重叠问题,有效识别毛毛雨(DR)、雨(RA)、干雪(DS)、干冰晶(DC)、湿雪(WS)、干霰(DG)、湿霰(WG)、小冰雹(SH)、大冰雹(LH)和雨夹雹(RH)10种水成物粒子。此外,环境温度的引入对解决0℃层以下液态与冰相粒子混合,以及其他粒子分布不合理的现象有较明显的帮助。至此,建立了一套基于检查径向连续性-小波去噪-自适应约束算法-加入环境温度的模糊逻辑算法的质量控制及粒子识别方法。      

双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析

联合利用3 GHz双偏振雷达RHI探测数据和温度廓线数据, 建立了云粒子相态反演的模糊逻辑算法, 算法采用Beta型成员函数, 成员变量包括:水平反射率因子、线性退偏比、差分反射率及温度0℃,-40℃对应高度, 反演出的相态包括毛毛雨、雨、低密度干冰晶、高密度干冰晶、湿冰晶、干霰、湿霰、小冰雹、大冰雹、雨夹雪和液态云滴等11种, 并利用雷达的连续探测数据对一次层状云降水过程中水凝物相态的演变情况进行了分析, 得到如下结果:初始阶段层状云相态呈现分层结构, 从上至下依次为高密度干冰晶、湿冰晶和液态云滴; 初始阶段云体中的回波大值区核心区域为大的冰相粒子, 其余部分为液态粒子; 在初始到成熟阶段演变中, 回波大值区上部液态粒子逐步向冰相转化; 消散阶段云中零度层亮带逐步消失, 零度层以上云粒子结构呈现高密度干冰晶包裹湿冰晶的情况。关键词:双偏振雷达; 模糊逻辑; 水凝物相态反演; 层状云降水过程; 水凝物相态演变     

基于滴谱分布的机载雷达波束匹配情况研究

基于机载双频测雨雷达外场校飞试验中获取的有效降水测量数据,利用Ku波段的雨衰系数和等效雷达反射率因子的比值估算了雨滴谱分布参数.在此基础上,通过米散射模拟计算了Ka波段在该滴谱分布下的等效雷达反射率因子,并和机载Ka波段衰减订正后的等效雷达反射率因子进行了比对.结果表明:两者的廓线基本重合,相关系数超过0.95,两部雷达探测的目标物一致,测量的雷达反射率因子的差异主要是由雷达频率的不同所引起的后向散射以及衰减的不同所造成的,波束匹配精度较高.此外,单频滴谱参数的估计依赖于单频衰减订正的精度.机载雷达外场试验中探测的都是弱降水,Ku波段衰减订正不会存在太大的误差,估计的滴谱较为可靠.必须指出的是,精确的参数估计仍然要借助双频雷达的反演方法.     

Model analysis of radar echo split observed in an artificial cloud seeding experiment

An artificial cloud seeding experiment was performed over the Japan Sea in winter to show how massive seeding could be effective to mitigate heavy snowfall damage. The results showed that 20 min after cloud seeding, a portion of the radar echo beneath the seeding track was weakened to divide the radar echo into two parts. In order to analyze the results, a numerical simulation was conducted by using the Weather Research and Forecasting model verion 3.5.1. In this simulation, the seeding effects were represented as phenomena capable of changing rain particles by accreting cloud ice and snow to form graupel particles and by changing cloud liquid water to snow particles. The graupel particles fell rapidly, thus temporarily intensifying the rainfall, which subsequently decreased. Therefore, the weakened radar echo in the field experiment is deemed to have been caused by the increase in rapidly falling graupel particles.     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

Impact of cloud microphysical processes on hurricane intensity, part 2: Sensitivity experiments

Summary Seven different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating hurricane intensity forecasts using mesoscale model MM5. Microphysical processes such as melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors, suppression of evaporation of falling rain, the intercept parameter and fall speed of snow and graupel hydrometeors are modified in the existing NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) microphysical parameterization scheme. We studied the impacts of cloud microphysical processes by means of track, intensity, precipitation, propagation speed, kinematic and thermodynamic vertical structural characteristics of hurricane inner core. These results suggest that the set of experiments where (a) melting of snow, graupel and cloud ice were suppressed (b) melting of snow and graupel were suppressed and (c) where the evaporation of rain water was suppressed all produced most intense storms. The major findings of this study are the interconversion processes such as melting and evaporation among hydrometeors and associated feedback mechanism are significantly modulate the intensity of the hurricane. In particular an experiment where the melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors was eliminated from the model parameterization scheme produced the most explosively intensified storm. In the experiment where rain water evaporation was eliminated from the model, it produced a stronger storm as compared to the control run but it was not as strong as the storms produced from absence of melting processes. The impact on intensity due to variations made in intercept parameters of the hydrometeors (i.e., snow and graupel) were not that evident compared to other experiments. The weakest storm was noted in the experiment where the fall speeds of the snow hydrometeors were increased two fold. This study has isolated some of the factors that contributed to a stronger hurricane and concludes with a motivation that the findings from this study will help in further improvement in the design of sophisticated explicit microphysical parameterization for the mesoscale non-hydrostatic model for realistic hurricane intensity forecasts.