新一代天气雷达组网估算降水的覆盖能力分析法研究

发布时间：2017-05-22 19:27

  本文关键词：新一代天气雷达组网估算降水的覆盖能力分析法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着新一代天气雷达网的建成,雷达的应用也逐步由单雷达发展到多雷达组网阶段,基于组网的产品拼图、基数据拼图、降水估算及临近预报等已相继投入业务应用。但是,现阶段只是实现了天气雷达最基本的应用目标,雷达拼图、降水估算等涉及到的因素非常多,包括雷达测高的精度、地形影响的精细化处理、雷达网探测能力的针对性评估、雷达组网估算降水的观测数据处理等,这些问题对新一代天气雷达的定量应用效果有着重要的影响,却并未得到足够重视或有效的解决。波束路径计算是雷达回波高度定位、地形阻挡分析、覆盖分析等的基础,论文首先针对新一代天气雷达网的日常业务观测模式,统计了雷达波束路径,分析了被普遍采用的单一的标准大气假定带来的测高误差及其适用性。其次,研究了复杂地形环境下基于数字高程模型(DEM)的雷达波束阻挡的处理方法和效果,并对判断、提高雷达位置准确性的方法进行了初步的研究,以获得准确的波束阻挡数据。然后,基于上述工作评估了区域雷达网定量估算降水的覆盖能力,以弥补此前各种覆盖评估不具备特定天气现象针对性的不足。最后,研究了雷达混合扫描反射率因子提取方法和组网方法,旨在为区域雷达网降水估算提供可靠的基础数据。主要研究工作及成果概括如下：(1)利用历史探空资料,统计了我国不同地域、不同季节的大气折射指数垂直分布,进而得到业务观测模式下雷达实际波束路径,分析了其时空分布特征和统计模型,并分析了标准大气假定导致的雷达的测高误差,讨论了其适用性。结果表明,我国业务天气雷达网的大部分雷达实际波束高度相对于标准大气条件下偏低,各地雨季则基本都是偏低的。(2)以浙江省山区雷达为例,针对复杂的地形环境,为提高波束阻挡模拟结果的准确性,应用高分辨率DEM的信息,采用分段法计算波束阻挡。以雷达实际观测的回波分布为对照,比较了不同DEM分辨率、不同方法模拟结果的差异,表明不同模拟结果在遮挡源很近的情况下有差异,其中分段法、更高分辨率的DEM模拟结果更好。此外,应用中发现有些站点模拟的波束阻挡有错误,为此提出相关性分析方法,分析模拟的波束阻挡与实际回波分布之间的相关性,来判断并订正雷达位置偏差,采用该方法有效地订正了金华雷达站的站址偏差,获得了正确的波束阻挡数据。(3)针对雷达估算降水这一特定对象,考虑波束阻挡和0℃层高度两个因素,制定评估方案,分析区域天气雷达网的覆盖能力。分别对浙江省和华南、西南、江汉、华北几个地区的覆盖情况进行了分析,制定了覆盖图表,评价了区域覆盖效果。评估表明,此前已有的覆盖评估对于降水估算来说都偏于乐观,事实上,高度的约束使得有效覆盖区通常都小于业务中用来估算的范围；应用地形和波束阻挡信息与否,业务降水估算产品的覆盖效果差别很大,应用后会显著提高有效覆盖率,否则,有效的估算区可能极为有限。在几个评估区中,华南、四川盆地、江汉、华北东部、浙江的覆盖都良好的覆盖潜力,雨季各区域内部内达到完整的覆盖；在华北高原与平原的过渡带、西南的高原地区,有覆盖不到的区域。(4)研究更能体现地表降水分布的组网雷达回波数据提取方法,为估算降水提供基础数据。首先制定了不同于现有一般业务的雷达组网估算降水的基本流程,即先获取单部雷达混合扫描反射率因子数据,再拼为区域的反射率因子组网数据,最后进行降水估算。改进混合扫描方案,在所有可用仰角中提取观测数据,并对部分阻挡进行与阻挡率完全对应的强度补偿；提出几种引入高度因子的组网方法,进行拼图处理。利用浙江省雷达分析了波束阻挡的订正效果,对比分析了几种拼图方法的特点和差异；针对降水过程,通过误差分析,检验了不同方法、方案估算降水的效果。结果表明,距离项权重比高度项权重表现稳定,适用性更好,后者的作用在雷达高度差异比较大时有体现。融化层以上的观测数据估算降水常常导致不确定性的误差。最后,取浙江、广东两省多个降水过程,与业务方法对比检验,证明了本文方法的优势,其估算结果与实况的空间分布更为一致。
【关键词】：波束传播路径 波束阻当 降水估算 覆盖 组网
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P406
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 选题依据和意义11-12
• 1.2 国内外天气雷达网的发展和应用研究进展12-26
• 1.2.1 世界天气雷达网的发展12-14
• 1.2.2 我国天气雷达网的发展和现状14-17
• 1.2.3 新一代天气雷达组网应用及研究17-18
• 1.2.4 雷达波束在大气中的传播路径18-20
• 1.2.5 雷达波束阻挡处理20-22
• 1.2.6 雷达估算降水22-25
• 1.2.7 雷达网覆盖能力25-26
• 1.3 研究目的、内容及技术路线26-31
• 1.3.1 研究目的26-27
• 1.3.2 研究内容与论文安排27-28
• 1.3.3 技术路线28-31
• 第二章 新一代天气雷达波束路径统计分析31-53
• 2.1 资料31-32
• 2.1.1 资料来源31
• 2.1.2 资料选择31-32
• 2.1.3 资料处理32
• 2.2 雷达波束传播路径32-36
• 2.2.1 原理32-34
• 2.2.2 计算34-36
• 2.3 统计特征分析36-51
• 2.3.1 站点选择36
• 2.3.2 空间分布特征36-41
• 2.3.3 时间分布特征41-44
• 2.3.4 波束高度误差分析44-51
• 2.4 小结51-53
• 第三章 复杂地形条件下雷达波束阻挡的分析与研究53-71
• 3.1 资料53-56
• 3.1.1 地形高度数据53-54
• 3.1.2 雷达观测资料54-56
• 3.2 模拟波束阻挡的原理与方法56-60
• 3.2.1 雷达发射、接收功率56-57
• 3.2.2 雷达波束高度57
• 3.2.3 雷达波束阻挡率57-59
• 3.2.4 地形高度数据处理59-60
• 3.3 波束阻挡模拟计算结果与实际观测比较60-65
• 3.3.1 雷达周边地形环境60-61
• 3.3.2 雷达产品中的波束阻挡61
• 3.3.3 回波探测概率61-62
• 3.3.4 不同波束阻挡模拟结果对比62-65
• 3.4 雷达站位置订正65-68
• 3.5 小结68-71
• 第四章 区域天气雷达网估算降水的覆盖能力分析71-97
• 4.1 与雷达降水估算覆盖范围有关的两个主要因素71-76
• 4.1.1 地形阻挡71-73
• 4.1.2 0℃层高度73-74
• 4.1.3 天气雷达降水监测模式74
• 4.1.4 雷达网降水估算预处理方法74-76
• 4.2 使用的资料76-77
• 4.2.1 探空数据76
• 4.2.2 地形高度及波束阻挡数据76-77
• 4.3 评估方法77-80
• 4.3.1 单部雷达覆盖范围的确定77-78
• 4.3.2 区域雷达网覆盖范围的确定78-79
• 4.3.3 覆盖效果的表现形式79
• 4.3.4 评估区域、时间的划分79
• 4.3.5 雷达站点的确定79-80
• 4.4 覆盖效果分析80-95
• 4.4.1 浙江省80-84
• 4.4.2 其它区域84-95
• 4.5 小结95-97
• 第五章 天气雷达组网估算降水的回波提取方法研究97-121
• 5.1 资料97
• 5.1.1 雷达观测数据97
• 5.1.2 雨量计观测数据97
• 5.1.3 波束阻挡数据及覆盖信息97
• 5.2 区域雷达组网估算降水处理流程97-98
• 5.3 单部雷达混合扫描处理方法98-104
• 5.3.1 单部雷达混合扫描方案98-99
• 5.3.2 波束阻挡的处理方法99
• 5.3.3 混合扫描反射率因子格点化方法99-100
• 5.3.4 混合扫描方案改进效果100-104
• 5.4 混合扫描反射率因子组网方法104-108
• 5.4.1 最低高度法104-105
• 5.4.2 距离权重法105
• 5.4.3 高度权重法105-106
• 5.4.4 距离-高度权重法106
• 5.4.5 不同方法的混合扫描组网结果比较106-108
• 5.5 降水估算效果分析108-119
• 5.5.1 检验方法108-109
• 5.5.2 不同混合扫描组网方法估算降水结果对比分析109-111
• 5.5.3 不同覆盖条件区域的降水估算效果分析111-114
• 5.5.4 区域雷达网估算降水的效果分析114-119
• 5.6 小结119-121
• 第六章 总结与讨论121-127
• 6.1 主要的结论121-124
• 6.1.1 新一代天气雷达波束路径统计分析121-122
• 6.1.2 复杂地形条件下雷达波束阻挡分析与方法研究122
• 6.1.3 区域天气雷达网估算降水的覆盖能力分析122-123
• 6.1.4 天气雷达组网估算降水的回波提取方法研究123-124
• 6.2 论文特色与创新点124
• 6.2.1 论文特色124
• 6.2.2 创新点124
• 6.3 未来工作计划124-127
• 参考文献127-138
• 致谢138-139
• 个人简历139-140

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本文编号：386677