毫米波云雷达数据衰减研究与应用.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:北京市气象局科技项目(BMB K J )资助作者简介:张龙斌(),男,硕士,工程师主要从事综合气象观测设备数据研究工作毫米波云雷达数据衰减研究与应用张龙斌,马宁堃,闫頔,陈羿辰,孟磊,于永涛(北京市气象探测中心,北京 ;北京市人工影响天气中心,北京 )摘要:文章通过分析 的次持续时间长、雨量级小的层状云降水过程,以微雨雷达底层数据作为参考进行系统偏差订正,随后运用逐库法对毫米波云雷达回波进行订正,将订正后的结果与微雨雷达整层回波进行对比,验证订正效果,可为提高天气预报准确度及设计人工影响天气作业方案提供有效的数据支撑.关键词:层状云降水;毫米波云雷达;微雨雷达;衰减订正中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fd a t aa t t e n u a t i o no fm i l l i m e t e rw a v e c l o u dr a d a rZ h a n gL o n g b i n,M aN i n g k u n,Y a nD i,C h e nY i c h e n,M e n gL e i,Y uY o n g t a o(B e i j i n gM e t e o r o l o g i c a lO b s e r v a t i o nC e n t e r,B e i j i n g ;B e i j i n gW e a t h e rM o d i f i c a t i o nC e n t e r,B e i j i n g )A b s t r a c t:B ya n a l y z i n go n es t r a t i f o r mc l o u dr a i n f a l lp r o c e s sf e a t u r i n gl o n gd u r a t i o na n ds m a l l r a i n f a l lg r a d eh a p p e n e do nA u g u s t ,a n dt a k i n gt h eu n d e r l y i n gd a t ao f l i g h td r i z z l er a d a ra sr e f e r e n c e,t h i sp a p e rm a k e s ac o r r e c t i o n f o r s y s t e md e v i a t i o na n d t h e nc o r r e c t s t h ee c h oo fm i l l i m e t e rw a v e c l o u dr a d a ra n dm a k e s t h ec o r r e c t e dr e s u l t sc o m p a r e dw i t hw h o l e l a y e re c h oo fm i c r o r a i nr a d a r,i no r d e r t ov e r i f yt h ee f f e c to fc o r r e c t i o na n dp r o v i d ee f f e c t i v ed a t as u p p o r tf o rt h ei m p r o v e m e n to fa c c u r a c yo fw e a t h e r r e p o r t a n dd e s i g no fo p e r a t i o ns c h e m e f o ra r t i f i c i a lw e a t h e r i n f l u e n c e K e yw o r d s:s t r a t i f o r mc l o u dr a i n f a l l;m i l l i m e t e rw a v e c l o u dr a d a r;m i c r o r a i nr a d a r;a t t e n u a t i o nc o r r e c t i o n引言目前,中国毫米波云雷达技术已取得长足进步,但相对国外毫米波云雷达的发展进程,国内毫米波云雷达技术发展相对较慢.年中国科学院大气物理研究所和井冈山机械厂合作研发了X波段(c m)和K a波段(m m)双波长雷达.魏重等进行了天气雷达和毫米波雷达观测云和降水结构的理论和观测对比工作,结果表明:即使在非常落后的毫米波器件条件下,毫米波雷达在探测近距离云细微结构等方面也具有优势.该工作是中国首次利用毫米波雷达进行云的观测,由于受到当时毫米波雷达技术、数据采集技术和计算机技术的限制,该工作在定量探测和分析等方面略显不足.随着毫米波云雷达技术的不断发展,仲凌志等 对毫米波云雷达数据进行初步分析后表明,毫米波云雷达能够有效探测到层积云、高层云和台风外围深对流云等典型云系.彭亮等研究表明利用小粒子示踪法在湍流较弱时能比较精确地反演空气垂直速度,而湍流较强时,湍流造成的误差不可忽略;改进算法在湍流较强时能够减少湍流对反演结果的影响.樊雅文等 利用 GH z测云雷达研究了层状云和对流云降水衰减订正个例,结果表明,对于回波强度比较弱的层状云来气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 说,订正后数据可靠性较高;对于降水回波来说,雨水及传播路径中的丰富水汽会造成毫米波信号的严重衰减,因此降水云的衰减订正难度大,经过订正后,虽然仍存在误差,但对毫米波雷达数据的质量有明显改善.近年来,国内学者利用毫米波云雷达的数据分析工作已初见成效.陈羿辰等以次降雪过程为例,从降雪系统的宏观结构特征、微物理变化以及毫米波云雷达在探测中电磁波衰减情况、雪粒子含水量和地面降雪量估测几方面进行了初步分析.文章在以上研究的基础上,参考马宁堃等对毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布的相关研究成果,利用分级逐库法对毫米波云雷达回波强度进行衰减订正,并将订正结果与微雨雷达整层回波进行对比验证.衰减订正方法对毫米波云雷达回波与微雨雷达回波进行比较时,由于部雷达探测波长不同、发生米散射和瑞利散射的范围不同,以及可能存在的雷达天线覆盖雨膜衰减等问题,部雷达存在较为稳定的系统偏差.因此,文章将选取近地面受衰减影响相对较小高度(m)的数据进行系统偏差计算,并运用逐库法进行订正.衰减订正分析及订正效果验证 个例分析 出现的持续时间长、小雨量级层状云降水过程,整体雨强保持在 mm/h以下,回波强度最大可达到 d B Z.首先进行系统偏差订正,挑取其中一个连续时间段(:)在 m高度上毫米波云雷达的回波强度序列,并与微雨雷达回波强度序列进行对比.经计算,系统偏差确定为 d B Z,偏差标准差为 d B Z.云雷达的回波强度在各个高度加上系统偏差(d B Z)后,进一步运用分级逐库法进行订正.衰减订正之后云雷达回波序列在各个高度上数值都与微雨雷达的回波序列较为接近,订正效果良好.不同高度毫米波云雷达衰减订正效果分析降水存在间歇性,通过数据分析可知,:前降水量趋于减小,但从:开始降水量逐渐增大,后续一直持续较大降水量.因此选取降水过程中连续、较有代表性的时间段(:),探究部雷达回波强度偏差,验证衰减订正效果.由图可知,在 m高度上:时段内,回波衰减订正最大值出现在:,数值为 d B Z;最小值出现在:,数值为 d B Z;衰减订正平均值为 d B Z.订正后的毫米波云雷达数据与微雨雷达差值绝对值最大值出现在:,数值为 d B Z;最小值出现在:,数值为 d B Z;差值绝对值平均值为 d B Z.在降水前半时段衰减订正后的数据一致性普遍较好,但在:时段内衰减订正后的数据一致性较差,差值绝对值平均值达到 d B Z,约为整体平均数值的倍.图 T :/T :在 m高度上层状云降水过程回波时间强度由图可知,在 m高度上:时段内回波衰减订正最大值出现在:,数值为 d B Z;最 小 值 出 现 在:,数 值 为 d B Z;衰减订正平均值为 d B Z.订正后的毫米波云雷达数据与微雨雷达数据差值绝对值最大值出现在:,数值为 d B Z,最小值出现在:,数值为 d B Z,差值绝对值平均值为 d B Z.在降水前半时段衰减订正后的数据一致性普遍较好,但在:衰减订正后的数据一致性较差,差值绝对值平均值达到 d B Z,约为整体平均数值的倍.图 T :/T :在 m高度上层状云降水过程回波时间强度由此可见,在规定时间段内,无论是 m高度还是 m高度,层状云降水过程前、中期的衰减订正效果较好,降水末期衰减订正效果相第期张龙斌,等:毫米波云雷达数据衰减研究与应用对中、前期较差,总体衰减订正效果良好.不同时间点毫米波云雷达衰减订正效果分析由图可知,在:回波衰减订正最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;衰减订正平均值为 d B Z.订正后的毫米波云雷达数据与微雨雷达数据差值绝对值最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;差值绝对值平均值为 d B Z.在相对较低高度衰减订正后的数据一致性普遍较好,但在 m衰减订正后的数据一致性较差,差值绝对值平均值达到 d B Z,较订正前增加了一倍多.图 T :层状云降水过程回波高度强度由图可知,:回波衰减订正最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;衰减订正平均值为 d B Z.订正后的毫米波云雷达数据与微雨雷达差值绝对值最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;差值绝对值平均值为 d B Z.在相对较低高度衰减订正后的数据一致性普遍较好,但在 m衰减订正后的数据 一 致 性 较 差,差 值 绝 对 值 平 均 值 达 到 d B Z,较订正前增加了近倍.图 T :层状云降水过程回波高度强度由图可知,:回波衰减订正最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;衰减订正平均值为 d B Z.订正后的毫米波云雷达数据与微雨雷达差值绝对值最大值出现在 m高度上,数值为 d B Z;最小值出现在 m高度上,数值为 d B Z;差值绝对值平均值为 d B Z.在相对较低高度衰减订正后的数据一致性普遍较好,但在 m衰减订正后的数据 一 致 性 较 差,差 值 绝 对 值 平 均 值 达 到 d B Z,增加到整体平均数值倍多.图 T :层状云降水过程回波高度强度由此可见,:,:和:层状云降水过程在 m高度以下衰减订正效果较好,m高度以上衰减订正效果相对 m以下较差,总体衰减订正效果良好.层状云降水过程中回波强度的概率分布文章选取:m高度上,毫米波云雷达数据衰减订正前后及微雨雷达的所有反射率分钟数据进行回波强度的概率分布统计.毫米波云雷达数据衰减订正前的反射率数据在:时段 m高度上回波强度小于 d B Z的值共有,个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有,个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;没有大于 d B Z的值.毫米波云雷达数据衰减订正后的反射率数据在:时段 m高度上回波强度小于 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有,个,占总数值的 ;大于 d B Z的值共有 个,占总数值的 .(下转第 页)气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 肖递祥,杨康权,俞小鼎,等四川盆地极端暴雨过程基本特征分析J气象,():邓虹霞,智海,马中元,等 年江西汛期设区市城区暴雨回波特征分析J气象科学,():辛玮琦,马中元,谌云,等宜丰短时强降水雷达回波特征分析J沙漠与绿洲气象,():肖云,努尔夏提,马博涵,等袁河流域极端降水事件成因分析J海洋气象学报,():苏俐敏,夏文梅,马中元,等 年江西宜春四类短时强降水特征分析J气象科学,():李欢欢,马中元,肖云,等袁河流域大暴雨天气中尺度特征分析J气象水文海洋仪器,():余俊杰,陈鲍发,马中元昌江流域特大暴雨过程强降水及天气形势特征分析J气象水文海洋仪器,():洪丽霞,马中元,罗燕,等宜丰县短时强降水云图回波数值产品特征分析J气象水文海洋仪器,():陈鲍发,马中元,王立志,等江西昌江流域特大暴雨短时强降水回波特征分析J气象,():付超,谌芸,朱克云,等 年江西省暖季短时强降水特征分析J气象,():桂园园,马中元,齐永胜,等 年鹰潭市城区暴雨天气与回波特征分析J自然灾害学报,():彭莎,马中元,卢秋芳,等 年鹰潭次大暴雨过程雷达回 波 特 征 分 析J气 象 水 文 海 洋 仪 器,():(上接第页)由于微雨雷达与毫米波云雷达空间分辨力不同,所以微雨雷达收集到的数据相对较少.微雨雷达的反射率数据在:时段内 m高度上回波强度小于 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;回波强度在 d B Z的值共有 个,占总数值的 ;大于 d B Z的值共有 个,占总数值的 .由此可见,订正后毫米波云雷达反射率数据的分布情况在不同强度区间内与微雨雷达反射率数据的分布情况一致性较好,小于 d B Z和 d B Z的 数 值 分 布 相 差 均 在以 内,d B Z和大于 d B Z的数值分布相差均在以内,总体衰减订正效果良好.结束语文章使用的微雨雷达回波强度数据已经通过地面雨滴谱仪的比对,验证数据质量良好,可以为毫米波云雷达提供参照和对比,在条件成熟的前提下,对一次连续的层状云降水过程进行衰减订正.除个例研究外,文章还分别选取 m和 m高度上的数据及:,:和:时间点的数据验证毫米波云雷达衰减订正效果,最后对回波强度的概率分布情况进行分析.毫米波云雷达回波强度订正结果与微雨雷达回波强度在各个高度和时间点偏差均较小,订正效果良好,此方法适用于华北地区毫米波云雷达层状云降水衰减订正业务.参考文献:魏重,林海,忻妙 新毫 米波 气象 雷 达的 测云 能力J气象学报,():仲凌志,刘黎平,葛润生毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望J地球科学进展,():仲凌志,刘黎平,葛润生,等毫米波测云雷达的系统定标和探测能力研究J气象学报,():彭亮,陈洪滨,李柏 m m多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究J大气科学,():樊雅文,黄兴 友,李锋毫米 波雷 达 测云 个例 研究J大气科学学报,():樊雅文云雷达资料订正及应用研究D南京:南京信息工程大学,陈羿辰,金永利,丁德平,等毫米波测云雷达在降雪观测中的应用初步分析J大气科学,():马宁堃,刘黎平,郑佳锋利用K a波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究J高原气象,():