新一代天气雷达气象回波与非气象回波识别方法的研究

作     者：江源 

作者单位：中国气象科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘黎平

授予年度：2008年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：雷达回波分类 模糊逻辑法 超折射回波 海浪回波 晴空回波 

摘      要：雷达回波可以区分为气象回波和非气象回波。气象回波中的非降水回波会对降水因子有一定影响;而非气象目标一方面会在雷达探测时对雷达资料造成污染,并导致雷达数据的质量问题;另一方面某些非气象回波又可以反演出有用的气象信息。因此实时对探测到的雷达资料进行回波分类,对雷达资料的质量控制以及其在下游的雷达产品的生成有重要的意义。本文是在现有的基于模糊逻辑识别地物回波工作的基础上,发展适合于我国新一代天气雷达(SA)的地物回波识别的方法,采用北京和天津SA雷达体扫资料,同时使用了反射率因子和径向速度以及速度谱宽进行处理,分析了气象回波和非气象回波的特征,对地物回波进行识别;并采用CSI方法改进了地物识别的隶属函数;并探讨了晴空海浪回波的特征。本论文工作的开展为新一代雷达资料基数据的质量控制,雷达产品的质量,以及非气象回波反演大气特征等等提供了强有力的基础。论文的主要结论如下: (1)采用北京和天津SA雷达体扫资料,同时使用了反射率因子和径向速度以及速度谱宽进行处理,得到降水回波,地物回波的隶属函数的各种特征,并对各个函数进行分析;结果也表明地物回波和降水回波有不同的特征,即降水回波和地物回波的MDVE、SDVE、MDSW、TDBZ、GDBZ和SPIN这6个参量取值范围有明显的区别,用这6个参量能够反演地物和降水的回波特征并加以识别。 (2)考虑到隶属函数的确定是地物识别准确率的关键,运用CSI评判标准确定了模糊逻辑超折射地物回波识别的最佳线性梯形隶属函数,结果表明该隶属函数能够有效识别地物和降水回波;将其与美国的隶属函数以及我国现有的隶属函数进行了比较,结果显示该隶属函数减小了将降水回波误判为地物的可能性;特别是减小了没有径向速度资料的空间变化梯度比较大的层状云降水回波被误判为地物的现象。 (3)在对径向速度对回波识别的贡献的分析中,可以看出来,径向速度对雷达回波识别是有贡献的,综合使用雷达回波强度径向速度以及速度谱宽可以使雷达回波识别的准确率有所提高;并且经过效果检验发现其影响主要体现在对降水的识别上,使用径向速度有关的参量参与识别能减小降水的误判。 (4)在对个例中降水的误判分析中也显示,对强降水的边缘回波的以及层状云降水回波的误识别主要是与回波强度的水平变化以及速度有关,速度参量不参与识别时误识别的可能性加大。这些也说明在地物回波的识别中使用径向速度数据是可以提高识别效果的。 (5)对厦门地区的超折射海浪回波的个例分析中可以看出,其特点与超折射地物回波相似,但是也存在着一些明显的差别,如相比于地物回波,海浪回波的垂直变化高概率区比地物回波略大,这样会导致海浪回波的垂直变化隶属函数曲线在地物回波的右侧;而海浪回波的水平变化则比地物回波略小,其隶属函数曲线将在地物回波的左侧;而径向速度则显示海浪回波的高概率区范围在负值区略广于地物回波;海浪回波的速度方差范围则在地物的范围之内;速度谱宽则略广于地物回波。 (6)对北京地区的层状晴空回波的个例研究表明,此次层状云晴空回波处于大气边界层内,主要散射机制符合湍流尺度为λ/2的布拉格散射。边界层晴空回波的出现,说明了边界层中存在较强的大气温、压、湿的不均匀结构,由温度、气压和水汽的梯度引起湍流过程。 (7)同时,我们也应该注意到雷达回波识别问题仍然是一个比较复杂的问题,仅仅依靠预报员和雷达资料,要准确区别地物和降水回波有时是非常困难的;但是各种回波的识别又是非常有意义的,因此,进一步发展综合利用卫星和雷达资料来进行地物、海浪和晴空回波的识别是非常必要的。