双偏振雷达反射率因子数据质量控制及在拼图中的应用

摘要

雷达是目前唯一可能准确描述对流尺度降水现象的观测系统，充分利用多普勒雷达探测资料，提取、利用有意义的气象信息，对于灾害性天气的预报、预警有着重要的价值，也是进行临近预报的最主要参考资料来源。但是，多普勒天气雷达在探测过程中资料不可避免的受到波束阻挡、电磁波衰减和地物杂波的干扰，导致雷达数据出现质量问题，影响雷达数据的定量使用。因此研究雷达资料出现的各种质量问题就有了重要的科学意义和实际意义，如何进行相关回波的识别和订正，提高雷达的数据质量，是本文研究的关键。本文主要是进行波束阻挡的识别和订正、地物杂波的识别和剔除以及电磁波衰减订正三个方面的研究，主要内容概括如下: (1)根据雷达观测数据的空间相关性，提出了不依赖于高精度数字高程模型的波束阻挡识别和订正算法，可以方便地用于天气雷达反射率因子的阻挡识别和订正。对于部分阻挡或小范围完全阻挡造成的回波数据不准确情况，先进行阻挡识别，再进行线性插值处理，实现对阻挡数据的订正。选择NUIST-CDP雷达三次不同类型降水数据进行算法验证，结果表明:利用本文的算法，可以有效地对阻挡数据进行订正，提高了雷达数据质量。 (2)针对雷达资料中出现的地物杂波，分别采用基于雷达回波纹理特征算法、标准地物模板算法和模糊C均值聚类算法识别地物，并以加入偏振参量的地物识别算法为标准，评价上述三种算法。结果表明:地物模板算法受季节和气候影响较大，FCM聚类法容易将晴空回波误识别为地物回波，导致部分晴空回波缺失，回波纹理特征法计算方便，误差小，最适合业务使用。 (3)针对NUIST-CDP雷达衰减订正提出一种新方法-径向拟合法，结合C和S波段雷达系统探测优势，将衰减更小的S波段雷达观测数据插值成和NUIST-CDP相同空间分辨率的数据，用于衰减订正，并和ZH-KDP法订正结果对比分析。先用小波分析法对雷达φDP资料滤波处理，再采用变距离最小二乘法重新估算KDP;对比订正前后的径向回波强度随距离变化的廓线，同时对偏振参数KDP～ZH的散点分布变化进行分析。结果表明:两种方法订正后的回波强度值均有增加，ZH-KDP法在近距离处订正量偏小，远距离处订正量偏大，受到经验系数的影响，会产生一定的误差;径向拟合法订正结果和S波段实测回波有较好的一致性，不受反射率和衰减率关系、雨滴谱变化等的影响，效果较好，能够显著提高雷达数据质量。 (4)选取广东省清远、韶关、阳江和广州四个站点的S波段双线偏振多普勒天气雷达数据组网拼图。对雷达反射率因子数据质量控制基础上，在3km高度组网拼图，分析了台风“妮妲”登陆广州的雷达反射率因子区域拼图。分析表明:多站点雷达数据组网拼图能够发挥多雷达的探测优势，克服了单部雷达最大探测距离的限制，为分析大-中尺度天气系统提供高分辨率的数据信息。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究进展

1．2．1波束阻挡订正国内外研究进展

1．2．2地物杂波识别国内外研究进展

1．2．3衰减订正国内外研究进展

1．2．4雷达组网拼图研究进展

1．3论文主要工作内容

第二章利用空间相关性进行天气雷达波束阻挡数据的识别和订正

2．1数据资料来源

2．2波束阻挡识别

2．3阻挡订正

2．4波束阻挡订正实例

2．4．2个例2-有零度层亮带的情况

2．4．3个例3-层状云降水、无零度层亮带

2．5阻挡识别阈值优化

2．6订正结果分析及算法验证

2．6．1订正效果

2．6．2算法验证

2．7本章小结

第三章天气雷达地物识别三种方法比较

3．1识别原理及算法介绍

3．1．1基于雷达回波纹理特征的地物识别算法

3．1．2标准地物模板匹配法

3．1．3模糊C聚类算法

3．1．4偏振参量识别地物

3．2地物识别效果分析

3．2．1降水和地物回波分离情况

3．2．2降水回波与地物回波混合

3．2．3晴空条件下地物回波

3．3本章小结

第四章C波段双偏振雷达雷达反射率因子衰减订正

4．1资料来源及数据预处理

4．1．1资料来源

4．1．2ΦDP数据预处理

4．2衰减订正方法

4．2．1 ZH-KDP综合订正法

4．2．2径向回归衰减订正法

4．3衰减订正效果

4．3．1两雷达实测回波对比

4．3．2衰减订正效果对比分析

4．4偏振特性分析

4．5本章小结

第五章天气雷达组网拼图的初步研究

5．1单站雷达CAPPI插值

5．2坐标系投影变换

5．3重叠区域处理

5．4拼图产品显示

5．5本章小结

第六章总结及展望

6．1总结

6．2创新点

6．3不足与展望

参考文献

作者简介

致谢