新一代天气雷达速度退模糊算法研究

速度退模糊算法对新一代天气雷达后期数据同化及短时临近预报具有重要影响。针对在高切变和孤立回波情况下速度退模糊出现错误的问题,提出了基于联合切变检测和十字形多尺度窗口的速度退模糊改进算法。首先,采用MDV(Mininum Distance Velocity, MDV)数据预处理方法进行全局数据优化。其次,将当前速度库和参考库的差值与切变阈值相比较,根据对比结果,分别进行切向和径向的退模糊。然后,在远离雷达的孤立回波区域,建立一种十字形多尺度窗口,实现参考库的确定,进而完成全方位的速度退模糊。使用我国新一代天气雷达(CINRAD-SA)在极端天气情况下的实测数据对该算法进行了多次验证。结果表明,在高切变和孤立回波情况下,该算法的速度退模糊准确率较高,优于新一代天气雷达中运行的WSR-88D速度退模糊算法。     

基于自适应多尺度的梯度搜索风切变预警算法研究

新一代多普勒天气雷达(China new generation radar,CINRAD)主要依据单尺度的径向、切向速度梯度或者是两者合成的结果探测风切变,容易产生漏报。针对此问题,提出了基于自适应多尺度的梯度搜索风切变预警算法。该算法的核心思想是进行多个自适应尺度的速度梯度拟合。首先,计算多个尺度下最大风切变强度因子,取较大因子值对应的尺度为自适应尺度。其次,在径向上以自适应尺度进行最小二乘速度梯度拟合。最后,以国际上规定的低空风切变阈值搜索速度梯度,并合并切变段给予预警。采用东北空管局提供的新一代多普勒天气雷达(CINRAD-CD)真实数据进行实验。结果表明新方法能够检测出所有尺度类型的风切变,提高了风切变预警率,具有一定的实际应用价值。     

C波段双偏振雷达退速度模糊的分析

南京信息工程大学C波段双偏振雷达(NUIST-CDP)和南京龙王山的S波段多普勒天气雷达(CINRAD-SA)相距较近,两部雷达能探测同时刻的风场结构。相对于S波段的多普勒天气雷达,C波段双偏振雷达波长较短,更易产生速度混淆区,发生速度模糊现象。针对一般的算法不易实现速度退模糊的问题,提出了人机交互的退速度模糊处理方法;该方法通过结合操作者的专业知识,可以准确地退除速度模糊现象,保留真实的速度信息。实例分析表明,采用人机交互的退速度模糊方法,可以将大范围的速度模糊现象准确地剔除。此外,由于S波段雷达与C波段双偏振雷达探测的风场是客观唯一的,因此对比CINRAD-SA探测的同时刻速度回波,可以辅助判断退模糊算法效果。分析结果证实,该算法适用于解决C波段双偏振雷达的速度模糊现象,对今后该雷达数据的质量控制和应用分析有着重要的意义。     

一种简易的多普勒天气雷达速度退模糊方法

多普勒天气雷达提供的径向风场资料,是气象预报的重要判据之一.由于所探测到的风场信息存在着噪声、缺测和速度模糊等方面的问题,因此,多普勒天气雷达的速度退模糊技术也相应的受到越来越多的关注.文章根据多普勒天气雷达风场资料的特点,结合实际业务,提出了一种简易的速度退模糊方法.该方法在等距离圈切向和径线方向上进行速度退模糊.在等距离圈切向退模糊中,首先进行圈上的数据分段,然后检测段内和段间的速度模糊,再进行速度扩展退模糊.在径线方向退模糊中,从径线中点向外和向内检测速度模糊,然后进行速度扩展退模糊.进行了实例退模糊实验,证明了该方法的正确性和实用性.     

一种天气雷达数据质量问题的理论分析与试验研究

针对新一代天气雷达在业务运行中低仰角观测时经常出现的相邻径向交替变化的条状回波(称为"马赛克"现象)的数据质量问题,分析了产生该现象的原因,提出了改进天气雷达观测模式,在低仰角采用较低的双脉冲重复频率组合或随机相位编码技术的解决方案。介绍了双脉冲重复频率技术扩展测速范围以及随机相位编码技术退距离模糊的基本原理和实现方法,并在新一代天气雷达上开展了数据质量提升试验。通过比较多种适配参数组合下实际天气过程的观测结果,验证了之前的理论分析。     

基于GIS的内蒙古中部地区多源雷达回波拼图

 为了做到内蒙古中部地区天气的实时监测,研究了该地区新一代天气雷达基本反射率产品和713雷达平显回波等多源雷达回波数据的拼合方法。首先阐述了两类回波数据的存储结构和格式,然后设计了两类径向数据向二维矩阵数据转换的算法,研究了该类数据转为栅格类型存储的直角坐标绘制模式,并采用ArcGIS Engine二次开发组件进行了实现。最后基于GIS技术研究了两种回波图像进行区域拼图的方法,并设计了回波图像拼合平台,其能够根据用户的选择条件实时对该地区4部雷达的回波图像进行拼合。在包头市气象局的测试应用表明,该平台可实现内蒙古中部地区天气的实时监测,同时为气象预报员制作气象预警预报提供辅助决策。     

中尺度冷涡切变暴雨多普勒雷达特征分析

利用天气形势场、物理量场、新一代雷达产品资料对2008年7月17日下午到夜里,豫北、鲁西、冀南地区出现的区域性暴雨天气进行多尺度诊断分析.分析结果显示:较弱的冷性低涡切变本身并不能造成强降水天气,当低涡东移遇副热带高压西北边缘较强暖湿气流时得到加强,在低涡东侧副热带高压边缘切变上产生暴雨天气.冷涡暴雨低层有明显的东北气流冷垫,加强了其动力上升运动,水汽输送依赖于对流层中层的西南气流,中层水汽辐合非常明显.在新一代雷达产品图上显示:较稳定的大范围中等强度回波能产生较强降水.中低层风场为暖平流加辐合,有利于暴雨的形成,中低层较大的垂直风场切变给对流云的形成提供动能,有利于暴雨的产生.     

天气雷达I/Q信号仿真建模及统计验证

基于天气雷达发射脉冲的时间自相关特性,采用大气分层模型,建立天气雷达发射端到接收端的I/Q信号仿真算法;并通过统计分析,对算法可靠性进行验证。研究结果表明仿真得到的I/Q信号均符合高斯随机分布,回波功率符合指数分布,与天气雷达真实回波信号统计特性一致;同时以南京大学的C波段双偏振天气雷达的真实弱降水回波数据为基础,进行仿真回波数据与真实数据对比分析。统计结果表明相似的参数设定下,仿真回波信号的反射率因子和速度的标准差与真实信号的统计特性基本一致;且与理论公式结果基本吻合。     

一种新的多普勒天气雷达回波数据无损压缩

为了解决多普勒天气雷达回波数据传输的实时性以及数据存储的有效性问题,提出了一种基于阶梯量化的多普勒天气雷达回波数据无损压缩新算法。针对天气雷达回波数据的特点,首先对天气雷达回波数据进行预处理,即将雷达回波数据进行格式转换;其次提出了一种阶梯量化方法,并采用MED预测进一步去除数据中的相关性;最后对量化和预测后的回波数据采用LZW编码以实现无损压缩。实验结果表明,新方法较其他方法大幅提高了回波数据的无损压缩倍数,可实现对多普勒天气雷达回波数据的有效压缩。     

基于数值模式订正背景场的多普勒雷达径向速度退模糊的改进

针对多普勒雷达径向风存在速度模糊的问题,提出一种基于数值模式背景场信息且对背景场信息再订正的雷达径向速度退模糊方法.利用中尺度数值模式模拟大气三维风场并将其作为背景场,基于背景参考和连续性原理对背景场进行多次风速偏差订正,使用订正后的背景场对雷达径向速度进行退模糊.针对两次台风个例进行多普勒天气雷达径向风的速度退模糊试验.结果表明,经过多次偏差订正的模式背景风场与观测的径向风偏差较小,能够较好地实现速度退模糊效果,避免径向速度大片区域无法退模糊或错误退模糊的问题,模糊区域径向速度廓线的不合理突变得到有效纠正,并能够在雷达各个仰角有效纠正一次模糊和二次模糊.     

基于地学研究的CINRAD/CB雷达回波显示与提取

为准确显示天气雷达指定回波强度的回波区域,基于CINRAD/CB新一代天气雷达(简称CB雷达)的基数据,从地学角度提出一种CB雷达反射率因子回波的可视化方法,即将雷达基数据中的反射率因子数据采用地学中栅格数据格式进行显示。然后生成反射率因子图,结合风暴单体识别与跟踪算法(SCIT)中对风暴单体的识别模式,提出能够提取指定回波强度的雷达回波区域的方法。通过鄂尔多斯气象雷达站的CB雷达基数据提出方法并进行了验证。实验结果表明,提出的反射率因子图可视化方法可以显示雷达的反射率因子特征,针对反射率因子图提出的回波区域提取方法能够提取指定强度的回波区域。     

基于IBP的天气雷达超分辨率重建算法

雷达基数据分辨率不够会导致灾害性天气系统预报、跟踪的准确率低.为了提高基数据的分辨率,将迭代反投影算法应用于雷达回波超分辨率重建中,并对算法进行了改进.该方法基于对天气雷达回波使用滑动窗的重建模型,并引入时间相关性约束,由低分辨率回波重建出高分辨率回波.基于天气雷达提供的实例反射率回波,给出其超分辨率重建后的结果,并对其重建效果进行估计和比较.实验表明该方法在定量估计和视觉评价上都具有良好的高分辨率重建效果.     

多普勒天气雷达合成切变模块设计

本文利用新一代多普勒雷达资料,借鉴美国WSR-88D合成切变算法的主要思路,并结合多普勒天气雷达二次产品软件的特点,以动态链接库的方式,进行了多普勒雷达合成切变模块的工程设计。该模块可直接装入多普勒雷达二次产品生成(RPG)模块进行实时运行。最后对2006年4月11日长沙的一次飑线过程进行调试分析,并和北京敏视达(METSTAR)雷达有限公司Build 10.8软件系统中的合成切变产品进行了对比和分析,结果表明该模块效果良好。     

大角度旋转目标微波成像

增大转台转角可提高目标成像时的横向分辨率,传统成像算法大转角会引起雷达像模糊,采用一种插值办法在频率空间的直角坐标系中计算出雷达回波数据,用二维快速傅里叶变换对回波数据进行处理,从而获得转台目标的雷达像。经过对仿真数据进行验证,用该方法获得的二维雷达像,其质量高于用极坐标回波数据所成的像。     

2017年抚州市一次飑线天气诊断分析

基于常规天气图、地面自动站和多普勒雷达等资料,对2017年6月5日抚州市一次飑线过程的地面气象要素、环流形势以及天气尺度、不稳定能量、雷达回波演变特征等进行分析。分析表明:此次过程在中高纬度“两槽一脊”的环流形势下,中低层西南急流的形成促成了大气对流不稳定,地面辐合线是强对流天气发生的触发机制。飑线过境时温、压、湿等气象要素发生了剧烈变化。飑线形成之前,低层增温、增湿为强对流天气发生累积的不稳定能量起到促进的作用。快速东移的弓形回波带、在回波所经之地易出现雷暴大风天气;径向速度图上大片负的速度区前沿出现速度模糊,表明地面雷暴大风即将出现,这种速度场特征对抚州雷暴大风预警预报有指示作用。     

X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达产品比对分析

为探究、验证X波段移动雷达系统及其回波数据实用性,利用X移动雷达在台风外围云系降水天气过程(2016.7.9)进行探测作业并收集观测数据,对移动雷达观测范围100 km内的回波信息进行研究分析,同时将其与S波段天气雷达同一时间段内探测到的速度场、强度场及对应测站雨量数据等资料进行数据分析,比对两部雷达观测结果的差异及原因。结果表明:X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达相比,X波段雷达对气象目标物有灵敏的探测能力,X波段雷达比S波段雷达能探测到较好的空间分辨率和较低的地杂波。但是X波段雷达因探测降水时衰减严重,因此在60 km的探测范围内,X波段雷达回波强度略强,之后随之减弱。在探测降水的移动过程及强度变化趋势,与S波段雷达的探测结果基本一致。X波段移动雷达在S波段雷达故障或探测不到的地方,具有替代S波段雷达的应急作用,能够作为填补S波段雷达探测盲区的一种方法。     

C波段雷达快速循环同化技术在宁夏降水天气预报中的应用

介绍了宁夏C波段雷达快速循环同化技术及其在2018年夏季降水预报中的应用效果。快速循环同化技术主要基于天气研究预报(weather research and forecasting,WRF)模式,通过对C波段多普勒雷达资料进行去除奇异点、地物遮挡、谱宽检查、退模糊等质量控制,利用三维变分同化、动力降尺度及冷暖启动方法,实现了C波段多普勒天气雷达观测数据的逐小时快速循环同化分析,可逐时滚动输出未来12 h逐小时间隔、水平分辨率3 km的降水、气温、风向风速、相对湿度、物理量场等格点预报产品以及雷达回波产品。通过在2018年宁夏降水预报中的应用分析发现,加入雷达资料同化后的WRF模式降水预报能力有明显提升,可为宁夏降水天气智能网格预报特别是暴雨的短临预报预警提供技术支撑。     

福建2019年春季两次不同类型强对流过程对比分析

利用常规高空和地面观测资料、区域自动站资料和多普勒雷达资料,对2019年春季福建两次不同类型强对流天气过程从动力条件、不稳定层结和水汽条件、雷达回波特征等方面进行对比分析,结果表明,3月29日和4月10日的过程均发生在高空槽前、低层切变南侧的西南暖湿气流中,低层系统的位置及移动速度是导致两次对流发生范围和地点不同的主要原因,而地面倒槽内的中尺度辐合线、冷暖空气的交绥分别是触发机制。从探空资料上来看,0329湿层深厚,中上层和近地面层较干,呈"喇叭口"形态,更有利于短时强降水和雷暴大风产生; 0410合适的0℃和-20℃层高度为形成冰雹提供了有利的条件。从雷达回波分析,0329可见弓状回波、速度模糊、大风核等特征; 0410可见三体散射、回波垂悬、旁瓣回波等特征,降雹前后回波顶高、最强回波中心高度、质心高度、VIL有先跃增再减小的趋势。     

机载多普勒雷达模糊回波模拟源的研究

建立了机载脉冲多普勒（PD）雷达模糊回波模拟源的仿真模型,分析了其工作原理和回波的统计特性,利用先内插后抽样的方法实现了回波数据的速度模糊和频域杂波模糊。通过设置模型参数,可模拟产生多种工作环境下的雷达模糊回波数据,并可通过PCI－7200高速数字接口析板输出。     

宜春北部一次冰雹过程雷达回波特征分析

为提高县级台站对冰雹天气的识别和预警能力，使用常规天气图和宜春SA雷达数据等资料，采用天气学、雷达气象学方法，对2021年3月30—31日江西宜春北部罕见大冰雹天气过程进行分析，结果表明:1)西南急流、地面倒槽、切变线、暖脊、“上干下湿”不稳定层结是主要影响天气系统，属于典型暖区强对流天气形势;)在雷达拼图上，30日冰雹是超级单体，呈孤立椭圆状; 31日冰雹是回波带上的超级单体，呈带上强单体形态; 3)在雷达PPI产品上:超级单体风暴组合反射率CR达65 d BZ，回波顶高ET达17 km，垂直积分液态水含量VIL为55～60 kg/m²，能够识别出中气旋M和龙卷涡旋结构TVS; 4)在反射率因子垂直剖面RCS上:30日孤立超级单体存在明显的有界弱回波区（BWER）、回波悬垂和中气旋特征; 31日回波带上超级单体存在明显的悬挂结构回波和虚假旁瓣回波顶; 5)在径向速度垂直剖面VCS上:超级单体存有中气旋结构和上正下负速度层。研究结果为江西宜春北部冰雹天气的预警预报提供了理论依据。