我国天气雷达和星载雷达的数据匹配及其回波强度订正方法研究

发布时间：2020-05-07 02:42

【摘要】：天气雷达对中小尺度灾害性天气具有很强的监测预警能力,对分析中小尺度对流系统的内部结构、理解降水内部的动力学和热力学过程有很大的帮助。单站地基雷达(Ground-based Radar,GR)受到诸如电磁波衰减、地物遮挡、波束充塞程度等影响,在探测能力和数据质量上受到一些限制。为了扩大天气雷达探测范围,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而,组网的各雷达如果缺乏统一标定,则影响雷达网资料一致性,组网拼图以及在数值模式同化的应用中受到限制。本文将稳定运行多年的热带降水测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的、经过精确标定的测雨雷达(PrecipitationRadar,PR)的数据产品作为标准参照源,通过与江苏省地基雷达观测数据进行对比分析研究,提出基于星载雷达的地基雷达网观测数据一致性定标理论和方法。通过比较雷达反射率因子,发现相邻地基雷达间测量数据的不一致性,并采取一定的方法处理雷达网的系统观测差异,改善雷达网测量的降水产品质量。本文研究了基于几何匹配法的TRMMPR和江苏省六部地基雷达的反射率因子空间匹配。在2008年1月至2014年9月期间,六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)与PR的有效匹配时次中分别有265151、230854、453448、322941、480423、467240个有效匹配点。结果表明,单站GR与PR具有良好的空间一致性,有效匹配点主要分布在5km高度以下,大多在15-30dBZ。本文基于谱分析原理,提出傅里叶插值法。通过与双线性插值的结果进行比较,该方法可以更好地凸显强对流天气情况下强回波区的结构特征。为了提高TRMM PR与GR之间观测数据关系的可靠性,本文提出最优可对比数据集法(Available Best Comparable Dataset法,简称ABCD)。该方法包括七个步骤,通过前六步:PR-GR网格配对、GR方位角调整、GR地物阻挡处理、径向距离选择、垂直高度选择、NUBF的处理,逐步剔除TRMM PR与地基雷达对比数据中的不确定数据,筛选出一个PR与GR之间最优可对比的数据集,最终利用该数据集计算得到GR与PR反射率因子偏差并以此订正地基雷达反射率因子值。通过(1)ABCD方法中各步骤统计量的变化对比分析、(2)自动站降水与GR订正前后估测降水对比分析、(3)订正前后的两部地基雷达回波差异分析、(4)订正前后拼图效果检验,结果均表明,ABCD法能有效订正GR反射率因子偏差,使GR之间的观测值保持一致。在ABCD方法的基础上,以全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)主卫星上搭载的Ku波段降水雷达(Ku-Band Precipitation Radar,KuPR)为参考标准,挑选2016年的两次降水过程,比较分析了 GPMKuPR和长江下游三部地基雷达(南京、常州、合肥)之间的差异。从GR和KuPR全部配对数据中,筛选最优可对比的数据去订正多地基雷达的标定误差,最终得到一个空间连续且观测值准确的反射率和降水估计产品。订正后相邻GRs重叠区的Z和QPE的差异分别减小了 65%和92%,不连续现象基本消失,订正后MGR-QPE与雨量计观测值更一致。最后利用先进的区域性预报系统(the Advanced Regional Prediction System,ARPS)及其同化系统(ARPS DataAssimilation System,ARPSDAS),通过同化订正前、后的雷达反射率因子数据,对雷达资料的同化方案以及中小尺度暴雨天气模拟预报等方面的应用进行分析研究。结果表明,在单层网格设置下,以NCEP再分析资料作为背景场,在云分析系统(Cloud Analysis System)加入雷达反射率因子会对气象要素场和降水模拟产生影响,其中初始湿度场和降水预报场得到明显改善。同化订正后的反射率因子可以进一步调整气象要素场,对模拟预报降水的效果更好,降水分布和降雨量更接近实况。
【图文】：

分布图,新一代天气雷达,天气雷达,联合观测

ＣＩＮＲＡＤ／ＳＣ）天气雷达，波长５ｃｍ，主要分布在沿海及江淮流域等降水强、降水多的逡逑地区。Ｃ邋波段雷达（ＣＩＮＲＡＤ／ＣＣ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＢ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＤ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＣＪ），波长逡逑１０ｃｍ，大多布设在西北、东北地区。图１．２给出了我国新一代天气雷达分布图。逡逑随着中国新一代天气雷达投入业务应用，对龙卷气旋、雹云等小尺度天气系统和对逡逑台风、暴雨等大范围降水天气的监测和预报能力大大提高。多年来，研究人员在天气雷逡逑达资料的分析、应用等方面积累了丰富的经验，同时取得了很多有价值、有意义的研究逡逑成果（张培昌等，１９９８；刘洪恩，２００１；伍志方，２００３；俞小鼎等，２００５；张沛源等，逡逑２００８；郑媛媛等，２００９；王红艳等，２００９；袁美英等，２０１０；周海光，２０１０；俞小鼎等，逡逑３逡逑

波段,反射率因子,零度,亮带

邋ＰＲ沿天顶角垂直向下观测，地基雷达水平观测等逡逑条件，分别计算观测雨、雪两种不同相态粒子群时，Ｋｕ波段和Ｓ波段雷达反射率因子逡逑值的关系。如图１．６所示，在观测雨滴和雪花时，Ｋｕ波段和Ｓ波段雷达反射率因子之逡逑间的差异存在不同趋势，即对雨滴观测时，Ｋｕ波段反射率比Ｓ波段的值大，两者差异逡逑随着反射率的增加而增加，而对雪花冰晶观测时，则相反。逡逑对雨滴和雪花，，拟合得到的二次方程式分别为逡逑＝－１．５０３９３＋１．０７２７４Ｚ５邋＋邋０．０００１６５３９３Ｚｓ２逦（１．１）逡逑Ｚ＆邋＝邋０．１８５０７４＋１．０１３７８ＺＳ邋－０．００１８９２１２ＺＳ２逦（１．２）逡逑４分别表示Ｋｕ、Ｓ波段的雷达反射率因子值，式中Ｚ值的单位均为ｄＢＺ。逡逑ＧＰＭ的ＶＮ系统使用ＬＭ２００９方法对ＧＲ反射率因子值进行调整（Ｓｃｈｗａｌｌｅｒ邋ａｎｄ逡逑Ｍ0ｒｒｉｓ，２０１１）：零度层亮带以上使用雪调整；零度层亮带以下使用雨调整。王振会等（２０１５）逡逑比较上海雷达和ＴＲＭＭＰＲ数据前，对地基雷达数据进行了邋Ｋｕ调整，发现零度层亮带逡逑以下，Ｋｕ调整可使匹配点发射率因子平均偏差减小；零度层亮带以下，Ｋｕ调整
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P412.25

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