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波段双线偏振气象雷达反射率的衰减订正

X波段天气雷达的强衰减是影响其探测精度与应用推广的主要问题.本文旨在寻求适用于降水过程中对X波段双偏振雷达进行衰减订正的一种方法.在订正前先对雷达数据进行了质量控制和预处理;在分析了国内外已有订正方法的基础上,选择并改进了自适应约束算法作为雷达反射率进行衰减订正的方法;最后进行方法的效果验证.既对衰减订正前后反射率与同...     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

本文分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率 作为衰减订正的一种有效途径,以及由于 值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子 与差传播相移率 进行衰减订正的 综合法。基于同样的考虑,在随后利用 、 进行降水估测时,提出了 综合估测方法。利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得了一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明, 综合法对 、 有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求。2005年8月11日从15:08:03--22:05:46,间隔5-12分钟不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明, 综合估测法比单因子 法、 关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合。 关系法中,利用订正后的 值,比利用订正前的 值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善。     

雨区衰减对双线偏振雷达测雨的影响研究

以滴谱理论为基础，给出了双线偏振雷达各测雨式的雨区衰减订正公式和方法，并利用模拟的滴谱分布资料，分析了各波段双线偏振雷达各测雨式受雨区衰减的影响情况以及做衰减订正后的改进情况，提出了双线偏振雷达各测雨式在估测降雨中使用的建议。     

Application of X-band Polarimetric Phased-array Radars in Quantitative Precipitation Estimation

The performance of different quantitative precipitation estimation(QPE) relationships is examined using the polarimetric variables from the X-band polarimetric phased-array radars in Guangzhou,China.Three QPE approaches,namely,R(Z_H),R(Z_H,Z_DR) and R(K_DP),are developed for horizontal reflectivity,differential reflectivity and specific phase shift rate,respectively.The estimation parameters are determined by fitting the relationships to the observed radar...     

X波段双线极化雷达反射率的衰减订正

X波段雷达虽然其衰减较S和C波段雷达严重, 但是由于其易于移动等特点, 还在各国推广应用, 为了反演获得可靠的降水分布, X波段雷达数据需要进行衰减订正。本文提出一种基于气象目标和单位差分传播相移KDP特性的衰减订正方法。KDP由前向和后向两个分量组成, 为了计算KDP, 必须分离这两个分量以及消除其他随机噪声的影响。本文引进了一种最优化自回归数据滤波算法——卡尔曼滤波来分离这两个分量和消除其他随机噪声。这种方法效率高、实用性强, 同时可以用于其他雷达信号的处理。比较衰减订正结果, 发现使用卡尔曼滤波方法处理后的差分传播相移所进行的反射率衰减订正具有较高的稳定性。     

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...     

贵州威宁X波段双偏振雷达反射率因子的衰减订正分析

针对贵州威宁X波段双偏振雷达的衰减订正问题,在利用综合小波去噪方法对差分传播相移ФDP进行质量控制基础上,基于自适应衰减订正算法对雷达反射率因子ZH进行衰减订正分析,订正结果与昭通C波段新一代天气雷达进行对比,结果表明：（1）综合小波去噪能够有效去除ФDP存在的脉动和毛刺,保证ФDP的连续性和平滑度;（2）订正前后雷达反射率因子在距离雷达较近处（20-35 km）强度廓线基本重合,订正前后差别不大,随着对流区（雨区）距离的增加,电磁信号出现衰减,订正后反射率值加强,总体上订正后的反射率值比订正前高1-12 dB,其中在35～75 km距离范围内,订正后的反射率值达到50 dBz以上,雷达反射率因子更加接近真实情况;（3）使用综合小波去噪配合自适应衰减订正算法可以提高雷达反射率因子衰减订正的准确率,方法具有普适性,在今后科研业务中可以采用该订正方法以进一步提高对粒子相态识别、降水估测精度。     

降水粒子空间取向对双线偏振雷达观测影响模拟研究

该文从降水粒子散射和衰减理论出发, 采用数值模拟方法, 分析了雷达波束通过均匀雨区时, 双发双收偏振模式与单发单收偏振模式下, 水平、垂直偏振波之间的耦合关系, 比较了两种收发模式下, 由于雨滴倾斜引起的水平反射率因子ZH及其误差ΔZH, 差分反射率因子ZDR及其误差ΔZDR, 差传播相移ΥDP、差传播相移率KDP及其在不同偏振模式下的差异ΔKDP随距离的变化情况。结果表明:因实际大气中雨滴倾斜角较小, 雨滴倾斜引起的模式间ZH, ZDP的差别不大; 而受雨滴倾斜影响, 单发单收模式的KDP要大于双发双收模式。该文还提出了ZH, ZDR真值的两种定义方式, 分别为考虑与未考虑雨滴倾斜对散射效果的影响。未考虑雨滴倾斜的真值代表了雨滴实际的微物理结构, 剔除了传播效应的影响, 更能精确反映雨滴的实际大小, 在定量估测降水等雷达资料的应用中具有更好的代表性, 因此以未考虑雨滴倾斜作为ZH, ZDR真值较为合理。     

车载X波段双线偏振多普勒天气雷达及其数据处理系统

文章介绍了车载X波段双线偏振多普勒天气雷达及其数据处理系统,并对其资料质量和应用问题进行了分析和讨论。该雷达采用的单发双收的工作机制,实现对Z_H、Z_(DR)、Φ_(DP)、K_(DP)、ρ_(HV)(0)以及L_(DR)等参数的探测。这些信息反映了云和降水粒子的范围、大小和运动变化等特征,是研究云和降水特别是灾害性天气的形成机制及其物理过程变化的有效工具。基于该雷达的数据处理系统是在利用这些测量参数的基础上,可以实现降水处理和降水粒子相态识别功能,为用户提供有效的气象服务。     

X波段双偏振多普勒天气雷达降雨估算试验

用X波段双偏振多普勒天气雷达和RG3-M型自动采集翻斗式雨量计,经过严格科学设计,在平凉野外布置试验场,采用与天气系统移动方向一致的两次层积云资料,验证X波段双偏振多普勒天气雷达的测雨能力。试验表明:雷达原始数据滤波处理的好坏直接影响降雨估算精度的高低,特别是对R(Kdp)和R(Kdp,Zdr)影响明显,滤波后数据点的空间平滑是必要的;发展了用雨量计反演雷达测雨参数方法,此方法改进了不同地区、不同雨滴谱分布情况下雷达定量测雨能力;同时表明X波段雷达受降雨衰减的影响比较严重,这些试验结果可作为下一代测雨天气雷达的重要参考依据。     

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（ZDR）差异集中在0dB值附近,Z≥30dBz时,差分相移率（KDP）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,KDP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。     

A Quality Assurance Procedure and Evaluation of Rainfall Estimates for C-Band Polarimetric Radar

A mobile C-band dual polarimetric weather radar J type (PCDJ), which adopts simultaneous transmission and simultaneous reception (STSR) of horizontally and vertically polarized signals, was first developed in China in 2008. It was deployed in the radar observation plan in the South China Heavy Rainfall Experiment (SCHeREX) in the summer of 2008 and 2009, as well as in Tropical Western Pacific Ocean Observation Experiments and Research on the Predictability of High Impact Weather Events from 2008 to 2010 in China (TWPOR). Using the observation data collected in these experiments, the radar systematic error and its sources were analyzed in depth. Meanwhile an algorithm that can smooth differential propagation phase (Ф_DP) for estimating the high-resolution specific differential phase (K_DP) was developed. After attenuation correction of reflectivity in horizontal polarization (Z_H) and differential reflectivity (Z_DR) of PCDJ radar by means of K_DP, the data quality was improved significantly. Using quality-controlled radar data, quantitative rainfall estimation was performed, and the resutls were compared with rain-gauge measurements. A synthetic Z_H/K_DP-based method was analyzed. The results suggest that the synthetic method has the advantage over the traditional Z_H-based method when the rain rate is >5 mm h^-1. The more intensive the rain rates, the higher accuracy of the estimation.     

A Comparison of De-noising Methods for Differential Phase Shift and Associated Rainfall Estimation

Measured differential phase shift ΦDP is known to be a noisy unstable polarimetric radar variable, such that the quality of ΦDP data has direct impact on specific differential phase shift KDP estimation, and subsequently, the KDP-based rainfall estimation. Over the past decades, many ΦDP de-noising methods have been developed; however, the de-noising effects in these methods and their impact on KDP-based rainfall estimation lack comprehensive comparative analysis. In this study, simulated noisy ΦDP data were generated and de-noised by using several methods such as finite-impulse response(FIR), Kalman, wavelet,traditional mean, and median filters. The biases were compared between KDP from simulated and observedΦDP radial profiles after de-noising by these methods. The results suggest that the complicated FIR, Kalman,and wavelet methods have a better de-noising effect than the traditional methods. After ΦDP was de-noised,the accuracy of the KDP-based rainfall estimation increased significantly based on the analysis of three actual rainfall events. The improvement in estimation was more obvious when KDP was estimated with ΦDP de-noised by Kalman, FIR, and wavelet methods when the average rainfall was heavier than 5 mm h-1.However, the improved estimation was not significant when the precipitation intensity further increased to a rainfall rate beyond 10 mm h-1. The performance of wavelet analysis was found to be the most stable of these filters.     

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。     

2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征

利用X波段双极化相控阵雷达等多源观测资料,分析了2022年6月19日早晨广东佛山超级单体龙卷的环境条件和对流风暴的结构及演变特征。龙卷母体风暴是在强西南季风天气背景下的一条东北-西南向飑线南端发展起来的。环境条件具备较大对流有效位能、低抬升凝结高度和强垂直风切变等有利于超级单体龙卷发生发展的热力和动力条件;低空风暴相对螺旋度、超级单体复合指数和强龙卷指数的显著增强对超级单体龙卷的发生有较好指示意义。具有高时空分辨率的佛山南海X波段双极化相控阵雷达探测到了龙卷母体微型超级单体的发展过程和龙卷涡旋的演变特征：对流单体在前侧低层入流的加强下逐渐形成钩状回波和反射率弱回波空洞;中气旋首先在2.5km附近高度形成后向低层伸展,随着后侧下沉气流的加强,低层涡旋旋转增强,当低层中气旋旋转速度超过22m·s-1(强中气旋)且直径紧缩至1.5km以内时,龙卷即将触地,龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)出现是龙卷触地的主要特征,龙卷发生在反射率弱回波空洞、TVS和TDS附近。     

X波段双线极化雷达差分反射率的衰减订正

同时发射水平和垂直极化电磁波的双线极化雷达,能同时获取两个通道的反射率和相位.使用极化雷达极化分集的物理基础是降水粒子在下落过程中总是呈现扁椭球形状,在平衡时,降水粒子椭率与其体积有关,差分反射率就是衡量粒子椭率大小的物理量.但是由于水平和垂直方向的差异,导致了这两个方向的衰减出现差异,进而导致差分反射率不能真实地反映粒子的椭率大小,所以必须进行衰减订正.本文使用实际雷达回波资料,利用反射率和差分反射率之间的约束关系,同时考虑了探测仰角对差分反射率的影响,通过统计拟合的方法,确定了差分衰减与差分传播相移之间的关系.在此基础上,比较了一次层状云个例的两个比较均匀降水区域在订正前后的差异.结果表明,雷达RHI、PPI图像在订正前后发生了明显的变化,差分反射率与反射率之间的关系得到改善,说明这种订正方法的可行性和实用性.这种使用实际雷达资料本身的约束关系进行订正的方法,可以灵活地根据不同的雷达、不同的地点、不同的天气环境统计相应的订正参数,因此避免了诸如温度等的变化对订正参数的影响,具有较好的实际应用前景.     

河北省双线偏振雷达数据质量分析和衰减订正

选取河北邢台X波段双线偏振全固态多普勒雷达观测到的典型降水过程资料,分析了偏振参量的数据质量及系统稳定性,用ΦDP对ZH和ZDR进行了初步的衰减订正,并对订正结果进行了评估.结果 表明,724XSP双偏振雷达初始相位ΦDP(0)随仰角、方位的变化都是较为稳定的,波动较小.分析垂直扫描数据,发现ZDR和CC能较好地反映降...     

Utilization of Specific Attenuation for Rainfall Estimation in Southern China

This study uses rain gauge observations to assess the performance of different radar estimators R(ZH), R(KDP)and R(A) in estimating precipitation based on the observations of an S-band polarimetric radar over southern China during a typical convective storm and an extremely severe typhoon, i. e., Typhoon Manghkut. These radar estimators were derived from observations of a local autonomous particle size and velocity(Parsivel) unit(APU) disdrometer. A key parameter, alpha(α), which is the ratio of specific attenuation A to specific differential phase K_(DP) with three fixed values(α=0.015 dB deg~(-1), α=0.0185 dB deg~(-1) and α=0.03 dB deg~(-1)) was examined to test the sensitivity of the R(A) rain retrievals. The results show that:(1) All radar estimators can capture the spatio-temporal patterns of two precipitation events, R(A) with α =0.0185 dB deg~(-1) is well correlated with gauge measurement via higher Pearson's correlation coefficient(CC) of 0.87, lower relative bias(RB) of 16%, and lower root mean square error(RMSE) of 17.09 mm in the convective storm while it underestimates the typhoon event with RB of 35%;(2) R(A) with α=0.03 dB deg~(-1) shows the best statistical scores with the highest CC(0.92), lowest RB(7%) and RMSE(25.74 mm) corresponding to Typhoon Manghkut;(3) R(A) estimates are more efficient in mitigating the impact of partial beam blockage. The results indicate that α is remarkably influenced by the variation of drop size distribution. Thus, more work is needed to establish an automated and optimized α for the R(A) relation during different rainfall events over different regions.     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

根据不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了基本形式为不对称的T型函数的模糊逻辑识别的隶属函数, 完善了该识别方法的流程, 并利用美国KOUN雷达的观测资料, 详细讨论了利用双线偏振雷达观测资料识别降水粒子相态的方法, 并对其在实际业务运用中的合理性和可行性进行分析探讨.通过分析, 作者认为: (1)利用模糊逻辑方法处理双线偏振雷达测量到的偏振参数, 可以识别降水区域的降水粒子相态, 反映降水区域的相态结构, 识别的结果基本合理, 但还需要资料作进一步的研究.(2)从实际资料的分析结果来看, 虽然利用模糊逻辑法识别降水粒子相态得到的结果比较粗, 没有明确的数据特征值, 但是它基本上能反映各种降水粒子的相态结构, 其识别的结果对目前日常的天气预报参考和人工影响天气的作业指挥和效果评估来说还是符合可用的.为中国国内未来的双线偏振雷达业务运行提供参考和帮助.(3)根据有限的观测资料分析表明, 降水区域中出现60 dBZ以上的回波强度, 并不一定就会出现冰雹, 还有可能是大粒子的液态降水.综合考虑双线偏振雷达的测量参数, 可以得到更合理的结果.