基于双高斯拟合的风廓线雷达在降水条件下的风场反演

风廓线雷达在降水天气下探测到的返回信号主要包括大气湍流信号和降水粒子信号,其功率谱数据在结构上通常表现为双峰结构,并且在一定程度上可以看成是双高斯形式的。本文利用北京延庆CFL-08型边界层风廓线雷达在降水条件下获得的探测数据,采用双高斯拟合的方式将湍流谱和降水谱分离开,并通过分离之后的湍流谱对不同强度的降水过程进行了垂直速度场和水平风场的反演。反演结果表明,利用双高斯拟合可以有效地将湍流谱和降水谱区分开,反演得到的垂直速度场、水平风场较处理之前更加精确。     

双高斯拟合的风廓线雷达降水时的风场反演

风廓线雷达在降水天气下探测到的返回信号主要包括大气湍流信号和降水粒子信号,其功率谱数据在结构上通常表现为双峰结构,并且在一定程度上可以看成是双高斯形式的。利用北京延庆CFL-08型边界层风廓线雷达在降水条件下获得的探测数据,采用双高斯拟合的方式将湍流谱和降水谱分开,并通过分离之后的湍流谱对不同强度的降水过程进行了垂直速度场和水平风场的反演。反演结果表明,利用双高斯拟合可以有效地将湍流谱和降水谱区分开,反演得到的垂直速度场、水平风场较处理之前更加精确。     

风廓线雷达测风资料对比分析及问题探讨——以翔安风廓线雷达为例

由于风廓线雷达和L波段探空雷达的测风原理和数据格式不同,在二者风场对比前进行数据预处理是必要的,该文采用了时空匹配方法进行两种雷达风场误差的对比分析,总结出风廓线雷达测风资料的影响主要有以下两个方面:一方面,风廓线雷达自身探测能力的影响,晴空下风廓线雷达在低空和高空风场的误差较大,其主要原因是低空地物杂波干扰和高空湍流回波信号较弱,特别是风速比较小的情况下,其误差特性尤其明显;另一方面,风廓线雷达自身探测机制的影响,雷达探测空间风场违背局地均匀各向同性的原则都会产生较大的风场误差,尤其在强降雨或者对流性降雨过程,其误差特性尤其明显。因此,在应用风廓线雷达风场资料时,应根据以上存在的问题进行质量控制,为改进风廓线雷达资料质量和业务应用提供重要的参考价值。     

利用云雷达反演层状云空气垂直速度及微物理参数的个例研究

为了研究层状云内空气垂直运动特征,深入了解层状云微物理性质,通过雷达功率谱估算层状云内空气垂直运动速度反演得到了层状云的微物理参数值。利用雷达实测反射率分布与反演的反射率谱分布的对比分析,验证了反 演结果的合理性。研究结果表明：对受湍流影响较小的层状云,利用毫米波雷达的功率谱数据能够比较准确的反演空气的垂直运动及层状云的微物理参数值。     

基于小波变换的风廓线雷达间歇杂波抑制方法

针对风廓线雷达实际应用中,飞鸟等飞行体产生的间歇杂波对风谱识别的严重干扰问题,提出了一种小波系数代换的杂波抑制方法.通过分析风廓线雷达的信号特性,根据间歇杂波的突发性和持续时间短的特点,给出了在小波域内通过非相干谱积累之间信号能量一致性检验的杂波识别方法、判定公式以及相关尺度间小波系数代换的抑制方法.实测数据验证结果表明,杂波抑制效果明显.     

一种机载前视风切变雷达的信号分析及仿真

机载前视风切变雷达是飞机进行风切变探测和预警的重要工具.为了设计一种可输出风切变雷达仿真信号的风切变信号发生器,利用快速傅立叶变换(FFT)法分析某型机载前视风切变雷达的回波信号,分别用频谱估计法和经典功率谱估计法两种方法估计了雷达回波信号的多普勒频移,比较两种方法的优劣,进而选择经典功率谱估计法计算出风场的径向风速分布.建立均一化静止对称的风场模型仿真了风切变雷达的回波信号,从而设计出可输出风切变雷达仿真信号的风切变信号发生器,可满足机载气象雷达航空部附件维护和维修时对便携性和灵活性的需求.     

晴空湍流在强天气过程临近预报中的应用研究

为研究强对流天气发生前的先兆信息,利用多普勒天气雷达的径向风场与谱宽数据对大气的湍能耗散率进行了反演。通过对2009年6月3日南京一次强雷暴过程和2009年6月14日南京一次飑线过程的研究发现,天气过程发生前湍能耗散率随时间的变化,可以用来判断湍流运动的剧烈程度。强对流天气发生前往往会有晴空回波的出现;并且湍流运动较正常情况下剧烈。反演得到的边界层湍能耗散率可以用来识别较强的湍流运动。通过两次典型的强天气过程的对比分析还发现,湍流在降水过程发生前2~3 h,会有趋势变化的拐点出现;并且是一个持续的加强阶段。当趋势特征出现后,且湍能耗散率最大量级达到3 000 cm2·s-3以上时,可认为即将有强对流的天气过程出现。根据湍能耗散率的变化可以获得强对流天气出现的先兆信息,这对提高强对流天气的预报水平具有重要意义。     

高分辨率雷达近距离下的海杂波建模与仿真

作为一种具有统计特性的随机变量,海杂波的特性可以用幅度分布特性和谱特性来描述。文章以韦伯分布、具有高斯谱的海杂波为例,介绍一种海杂波的模拟模型;之后进行海杂波信号仿真并验证了仿真结果。仿真得到的海杂波数据可以直接用于雷达目标模拟器中的输入信号。     

一种毫米波防撞雷达频域恒虚警处理新方法

针对毫米波防撞雷达中目标信号检测虚警率高的问题,提出一种基于有序统计量在瑞利分布杂波背景下的频域恒虚警检测(OS-CFAR)的方法。该方法通过对雷达差频信号的频谱进行检测,对检测后的信号进行杂波对消,使系统从雷达中频信号的频谱中检测出目标信号的谱线并滤除杂波。准确检测目标的同时去除干扰,从而降低目标信号检测虚警率。仿真结果证实了该方法适用于多目标干扰环境,能有效对抗杂波干扰,具有良好的虚警控制能力,提高了雷达系统的有效性。     

GPM DPR雷达联合地面S波段雷达反演雨滴谱

针对GPM-CO DPR观测数据反演雨滴谱算法中存在的双值问题, 提出通过匹配地面S波段天气雷达与GPM-CO DPR观测数据, 为双值问题提供判断依据的方法。在建立反演查算方法的基础上, 利用雷达仿真程序Quickbeam进行算法的理论验证, 并使用观测数据进行实例验证。理论验证的结果表明, 反演结果数据和输入数据的相关系数达到0.99以上; 实例验证的结果显示, 利用此反演算法得到的雨滴谱可以反映降水过程中雨滴粒径的分布情况, 在一定程度上解决双值问题。     

基于ZMNL的K杂波建模与仿真

雷达杂波特性可以用幅度分布特性和频谱分布特性来描述,文章利用无记忆非线性变换(ZMNL)进行建模仿真,产生具有高斯谱的相关K分布杂波;详细介绍了仿真建模的具体过程,并验证了仿真结果;结果表明,此方法能更快速准确地模拟高分辨近距离雷达杂波,仿真得到的杂波序列可以直接用于雷达杂波模拟器中的输入信号。     

脉冲多普勒雷达杂波信号的实时重构方法研究

针对脉冲多普勒雷达信号处理机在杂波半实物仿真时由重构算法带来的噪声应低于主瓣杂波60dB这一特殊要求,提出了一种给定功率谱的杂波产生方法,即先将功率谱转换为矢量频谱,并进行相位随化和傅里叶反变换,然后对得到的一系列时域数据组加窗,搭接,保证随机数据的数学期望和方差边疆,从而得到缓变的非平衡杂波信号,仿真结果表明,采用此方法得到的杂波信号与简单组合时域数据组得到的杂波信号相比,信噪比可由30dB提高到60dB。     

杂波谱中心和谱宽估计方法

在雷达动目标检测等处理中 ,为了有效抑制杂波 ,并防止目标白化 ,首先需要对杂波谱中心和谱宽进行有效的估计。基于短序列雷达杂波数据的快速付氏变换 (FFT)运算结果 ,提出了新的杂波功率谱中心和谱宽的估计方法 ,分别称之为“质心法”和“积分法”。将物理学中的“质心法”应用于杂波功率谱中心估计 ,取得了较常规方法好的多的估计效果。在杂波功率谱宽估计中 ,结合相应的功率谱谱形特征 ,利用能量积分的方法完成了功率谱谱宽的估计。和常规的方法相比较 ,有性能好、算法复杂性较小的优点     

3.5维雷达资料变分同化技术及改进方案在WRF中的应用

本文主要介绍3.5维雷达资料同化技术以及增加雷达垂直风场反演信息对该同化技术的影响,利用WRF模式建立了雷达变分同化系统,对同化效果进行检验。3.5维雷达资料同化技术是变分同化技术的扩展,使用多时次雷达观测资料,采用方程约束增加动力学、热力学信息,逐步反演得到风场、动力场和热力场。该技术使用3组连续多普勒雷达体扫资料,分三步获得分析增量以便在背景场基础上更新模式变量。首先利用连续两个时次的格点化三维径向风场来反演三维风场,然后利用连续两个时次的三维风场来依次反演出水平气压场与热力学变量。同时分析空间采用B-样条基底来降低空间的维数,并增加观测信息在空间上的扩散。但该技术也表现出垂直速度强度不够,浮力抬升作用不强的缺陷。针对本缺陷,本文讨论了通过物理初始化方法由雷达回波反演得到的垂直速度,并将该垂直速度作为观测信息同化进入3.5维变分同化中,考察原雷达资料同化方法以及改进方案对随后降水的改善。结果表明,对降水有明显的改善。     

单Doppler雷达IVAP风场反演试验

单Doppler雷达风场反演技术对于扩大Doppler雷达在中尺度气象监测和预报中的应用范围具有重要的作用。通过采用"给定方位角内风场均匀假定"提出积分速度—方位处理技术IVAP(Integrating Velocity-azimuth Processing),克服了VAP技术在单多普勒雷达风场反演中对Doppler速度小尺度脉动过分敏感的缺点,及VAD(Velocity-azimuth Display,速度-方位显示)技术只能反演平均风矢量问题。利用2001-08-05上海特大暴雨时虹桥机场Doppler雷达速度资料进行中尺度风场反演试验。对均匀风方位角区间分别取9?,18?,45?和90?的反演结果的比较表明,采用较小的方位角区间可以反演出与这次暴雨有关的气旋式环流和中尺度辐合线。利用地面站实测风记录及风廓线数据对IVAP反演风的质量进行了评估。结果表明,反演风的风向和地面实测风的风向有很好的相关性,反演方位角区间越大,相关性越好。与20个时次同高度上风廓线仪探测的风速数据的对比表明,IVAP技术反演出的风速和它们也有很好的相关性,两者u、v分量均方误差在2m/s左右。由于IVAP技术风场反演无需事先对Doppler雷达原始的速度资料进行人为的滤波或平滑处理,所以具有较强的客观性,便于在气象雷达预报业务中应用。     

单Doppler雷达IVAP风场反演试验

单Doppler雷达风场反演技术对于扩大Doppler雷达在中尺度气象监测和预报中的应用范围具有重要的作用.通过采用"给定方位角内风场均匀假定"提出积分速度一方位处理技术IVAP(Integrating Velocity-Azimuth Processing),克服了VAP技术在单多普勒雷达风场反演中对Doppler速度小尺度脉动过分敏感的缺点,及VAD(Vebcity-Azimuth Display,速度-方位显示)技术只能反演平均风矢量问题.利用2001-08-05上海特大暴雨时虹桥机场Doppler雷达速度资料进行中尺度风场反演试验.对均匀风方位角区间分别取9°,18°,45°和90°的反演结果的比较表明,采用较小的方位角区间可以反演出与这次暴雨有关的气旋式环流和中尺度辐合线.利用地面站实测风记录及风廓线数据对IVAP反演风的质量进行了评估.结果表明,反演风的风向和地面实测风的风向有很好的相关性,反演方位角区间越大,相关性越好.与20个时次同高度上风廓线仪探测的风速数据的对比表明,IVAP技术反演出的风速和它们也有很好的相关性,两者u、v分量均方误差在2 m/s左右.由于IVAP技术风场反演无需事先对Doppler雷达原始的速度资料进行人为的滤波或平滑处理,所以具有较强的客观性,便于在气象雷达预报业务中应用.     

双基地雷达合成风场仿真与莫兰蒂台风的风场试验

双(多)基地多普勒天气雷达适于构建局域探测网,对于需进行气象保障的局部区域的对流性降水探测尤为重要。利用双(多)基地多普勒雷达网监测其强降水以及风场结构,通过风场反演了解其风场结构,能够更好地认识中小尺度天气的演变机理,改进短临预报。研究了双基地雷达的合成风场反演方法,通过仿真试验,可获得大气的辐合辐散、旋转以及上升或下沉等三维风场特征。借助福建厦门和泉州的两部多普勒天气雷达的实测资料,构成仿真的双基地雷达探测,分析了"莫兰蒂"台风的降水强度与径向风场回波特征,并反演了二维和三维的合成风场。结果表明,双基地雷达的合成风场方法,可以有效地反演台风的二维和三维风场,为监测台风的精细结构和演变提供了丰富信息。     

福建滨海区台风过程风特性实测及分析

在福建省平潭县王爷山构建风场实测系统,记录了2017年1709号台风“纳沙”和1710号台风“海棠”的三维风速时程. 利用两次台风数据,对台风风眼区经过前后的近地边界层风特性进行研究和分析. 总结风速剖面参数、湍流强度、湍流积分尺度、阵风因子等风参数的分布规律和风眼壁区脉动风速功率谱在频域内的特征,并对实测风速功率谱进行了分析及拟合,得到适应该地区的风速功率谱及相应谱参数,供该地区结构抗风设计参考.     

地基12通道微波辐射计反演大气温湿廓线及估算雷达路径积分衰减

利用TP/WVP-3000型地基微波辐射计12通道亮温观测资料,发展了一套大气温湿及液态水廓线反演算法.首先对近20年历史探空数据进行数据转换、插值等处理后,分无云和有云两种类型,运用MWMOD微波辐射传输模式,计算无云情况下的微波亮温集,根据相对湿度廓线,利用模式的绝热液水含量分析方法,模拟计算出液态水廓线及对应的微波亮温数据集,利用改进BP神经网络计算模型,通过神经网络学习训练,获取代表该地区的神经网络系数,用于反演计算大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线.与GPS探空数据对比,反演的大气温度廓线在7 km以下误差均在3 K以内,水汽密度廓线在6 km以下误差均在3 g/m2以内,部分底层廓线的反演值与GPS探空观测接近,获得了较好的反演结果.同时,通过模式分析出云水廓线,弥补GPS探空不足,利用微波辐射计观测进行验证,估算雷达路径积分衰减,用于试验降水雷达反演分析.     

探地雷达信号的KL变换处理分析

实测探地雷达记录中存在大量的噪声干扰,有时致使目标信号难以分辨,为提高雷达剖面的信噪比,主要探讨KL变换在消除干扰噪声方面的有效性.在说明KL变换原理的基础上,通过Matlab软件进行编程计算,对时域有限差分法获得的探地雷达模拟剖面和现场实测雷达数据进行处理;再对处理前后的雷达图像进行对比分析.经过处理分析可知,KL变换可压制模拟数据中边界反射信号和棱角点的绕射波、抑制和消除实测雷达剖面中的高频杂波噪声信号,从而突出有效信号,增强有效信号的相对强度,这提高了探地雷达剖面的分辨率和反演解释精度.