【摘要】：天氣雷達對中小尺度災害性天氣具有很強的監(jiān)測預警能力,對分析中小尺度對流系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、理解降水內(nèi)部的動力學和熱力學過程有很大的幫助。單站地基雷達(Ground-based Radar,GR)受到諸如電磁波衰減、地物遮擋、波束充塞程度等影響,在探測能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量上受到一些限制。為了擴大天氣雷達探測范圍,需要采用多部天氣雷達組網(wǎng)聯(lián)合探測。然而,組網(wǎng)的各雷達如果缺乏統(tǒng)一標定,則影響雷達網(wǎng)資料一致性,組網(wǎng)拼圖以及在數(shù)值模式同化的應用中受到限制。本文將穩(wěn)定運行多年的熱帶降水測量衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭載的、經(jīng)過精確標定的測雨雷達(PrecipitationRadar,PR)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為標準參照源,通過與江蘇省地基雷達觀測數(shù)據(jù)進行對比分析研究,提出基于星載雷達的地基雷達網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)一致性定標理論和方法。通過比較雷達反射率因子,發(fā)現(xiàn)相鄰地基雷達間測量數(shù)據(jù)的不一致性,并采取一定的方法處理雷達網(wǎng)的系統(tǒng)觀測差異,改善雷達網(wǎng)測量的降水產(chǎn)品質(zhì)量。本文研究了基于幾何匹配法的TRMMPR和江蘇省六部地基雷達的反射率因子空間匹配。在2008年1月至2014年9月期間,六部地基雷達(南京、常州、連云港、南通、徐州、鹽城)與PR的有效匹配時次中分別有265151、230854、453448、322941、480423、467240個有效匹配點。結(jié)果表明,單站GR與PR具有良好的空間一致性,有效匹配點主要分布在5km高度以下,大多在15-30dBZ。本文基于譜分析原理,提出傅里葉插值法。通過與雙線性插值的結(jié)果進行比較,該方法可以更好地凸顯強對流天氣情況下強回波區(qū)的結(jié)構(gòu)特征。為了提高TRMM PR與GR之間觀測數(shù)據(jù)關(guān)系的可靠性,本文提出最優(yōu)可對比數(shù)據(jù)集法(Available Best Comparable Dataset法,簡稱ABCD)。該方法包括七個步驟,通過前六步:PR-GR網(wǎng)格配對、GR方位角調(diào)整、GR地物阻擋處理、徑向距離選擇、垂直高度選擇、NUBF的處理,逐步剔除TRMM PR與地基雷達對比數(shù)據(jù)中的不確定數(shù)據(jù),篩選出一個PR與GR之間最優(yōu)可對比的數(shù)據(jù)集,最終利用該數(shù)據(jù)集計算得到GR與PR反射率因子偏差并以此訂正地基雷達反射率因子值。通過(1)ABCD方法中各步驟統(tǒng)計量的變化對比分析、(2)自動站降水與GR訂正前后估測降水對比分析、(3)訂正前后的兩部地基雷達回波差異分析、(4)訂正前后拼圖效果檢驗,結(jié)果均表明,ABCD法能有效訂正GR反射率因子偏差,使GR之間的觀測值保持一致。在ABCD方法的基礎(chǔ)上,以全球降水測量(Global Precipitation Measurement,GPM)主衛(wèi)星上搭載的Ku波段降水雷達(Ku-Band Precipitation Radar,KuPR)為參考標準,挑選2016年的兩次降水過程,比較分析了 GPMKuPR和長江下游三部地基雷達(南京、常州、合肥)之間的差異。從GR和KuPR全部配對數(shù)據(jù)中,篩選最優(yōu)可對比的數(shù)據(jù)去訂正多地基雷達的標定誤差,最終得到一個空間連續(xù)且觀測值準確的反射率和降水估計產(chǎn)品。訂正后相鄰GRs重疊區(qū)的Z和QPE的差異分別減小了 65%和92%,不連續(xù)現(xiàn)象基本消失,訂正后MGR-QPE與雨量計觀測值更一致。最后利用先進的區(qū)域性預報系統(tǒng)(the Advanced Regional Prediction System,ARPS)及其同化系統(tǒng)(ARPS DataAssimilation System,ARPSDAS),通過同化訂正前、后的雷達反射率因子數(shù)據(jù),對雷達資料的同化方案以及中小尺度暴雨天氣模擬預報等方面的應用進行分析研究。結(jié)果表明,在單層網(wǎng)格設置下,以NCEP再分析資料作為背景場,在云分析系統(tǒng)(Cloud Analysis System)加入雷達反射率因子會對氣象要素場和降水模擬產(chǎn)生影響,其中初始濕度場和降水預報場得到明顯改善。同化訂正后的反射率因子可以進一步調(diào)整氣象要素場,對模擬預報降水的效果更好,降水分布和降雨量更接近實況。
【圖文】：

ＣＩＮＲＡＤ／ＳＣ）天氣雷達，波長５ｃｍ，主要分布在沿海及江淮流域等降水強、降水多的逡逑地區(qū)。Ｃ邋波段雷達（ＣＩＮＲＡＤ／ＣＣ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＢ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＤ、ＣＩＮＲＡＤ／ＣＣＪ），波長逡逑１０ｃｍ，大多布設在西北、東北地區(qū)。圖１．２給出了我國新一代天氣雷達分布圖。逡逑隨著中國新一代天氣雷達投入業(yè)務應用，對龍卷氣旋、雹云等小尺度天氣系統(tǒng)和對逡逑臺風、暴雨等大范圍降水天氣的監(jiān)測和預報能力大大提高。多年來，研究人員在天氣雷逡逑達資料的分析、應用等方面積累了豐富的經(jīng)驗，同時取得了很多有價值、有意義的研究逡逑成果（張培昌等，１９９８；劉洪恩，２００１；伍志方，２００３；俞小鼎等，２００５；張沛源等，逡逑２００８；鄭媛媛等，２００９；王紅艷等，２００９；袁美英等，２０１０；周海光，２０１０；俞小鼎等，逡逑３逡逑

邋ＰＲ沿天頂角垂直向下觀測，地基雷達水平觀測等逡逑條件，分別計算觀測雨、雪兩種不同相態(tài)粒子群時，Ｋｕ波段和Ｓ波段雷達反射率因子逡逑值的關(guān)系。如圖１．６所示，在觀測雨滴和雪花時，Ｋｕ波段和Ｓ波段雷達反射率因子之逡逑間的差異存在不同趨勢，即對雨滴觀測時，Ｋｕ波段反射率比Ｓ波段的值大，兩者差異逡逑隨著反射率的增加而增加，而對雪花冰晶觀測時，則相反。逡逑對雨滴和雪花，，擬合得到的二次方程式分別為逡逑＝－１．５０３９３＋１．０７２７４Ｚ５邋＋邋０．０００１６５３９３Ｚｓ２邐（１．１）逡逑Ｚ＆邋＝邋０．１８５０７４＋１．０１３７８ＺＳ邋－０．００１８９２１２ＺＳ２邐（１．２）逡逑４分別表示Ｋｕ、Ｓ波段的雷達反射率因子值，式中Ｚ值的單位均為ｄＢＺ。逡逑ＧＰＭ的ＶＮ系統(tǒng)使用ＬＭ２００９方法對ＧＲ反射率因子值進行調(diào)整（Ｓｃｈｗａｌｌｅｒ邋ａｎｄ逡逑Ｍ0ｒｒｉｓ，２０１１）：零度層亮帶以上使用雪調(diào)整；零度層亮帶以下使用雨調(diào)整。王振會等（２０１５）逡逑比較上海雷達和ＴＲＭＭＰＲ數(shù)據(jù)前，對地基雷達數(shù)據(jù)進行了邋Ｋｕ調(diào)整，發(fā)現(xiàn)零度層亮帶逡逑以下，Ｋｕ調(diào)整可使匹配點發(fā)射率因子平均偏差減��；零度層亮帶以下，Ｋｕ調(diào)整
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P412.25

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本文編號：2652297