基于最优化算法的北京市新一代天气雷达Z-R关系研究
天气雷达层状云降水中Z-R关系的优化与检验分析
天气雷达层状云降水中Z-R关系的优化与检验分析作者：曾培培刘晓迎杜明哲来源：《河南科技》2019年第10期摘要：新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测过程中，雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出[Z-R]关系的关键。
普遍使用的[Z-R]关系式为[Z=300R1.4]。
事实上，雷达反射率因子是由降水粒子谱分布决定的，不同的粒子谱分布会得到不同的雷达反射率因子。
本文采用Parsivel激光雨滴谱仪，并联合天气雷达资料，分析南京区域层状云降水过程，统计计算了南京地区当地新的[Z-R]关系，目的是提高南京地区雷达估测降水的准确度。
关键词：[Z-R]关系;天气雷达;检验中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0128-05Abstract： In the quantitative precipitation estimation of the new generation weather radar combined with the rainfall station data， the better matching of the radar echo intensity and the rainfall station observation is the key to accurately fit the Z-R relationship.The commonly used Z-R relationship is as follows：[Z=300R1.4].In fact， the radar reflectivity factor is determined by the spectral distribution of the precipitation particles， and different particle spectral distributions will result in different radar reflectivity factors. In this paper， the Parsivel laser raindrop spectrometer and weather radar data were used to analyze the precipitation process of stratiform clouds in Nanjing area， and the new Z-R relationship in Nanjing area was calculated. The purpose was to improve the accuracy of radar precipitation estimation in Nanjing area.Keywords： Z-R relationship;weather radar;test1 雷达资料来源文中选取两台雷达。
多普勒天气雷达原理与业务应用思考题
1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。
RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。
RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。
PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。
2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测；四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。
3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。
4 天气雷达有哪些固有的局限性？答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。
5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。
答：P t 为雷达发射功率(峰值功率)；G 为天线增益；h 为脉冲长度；、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度；r 为降水目标到雷达的距离；：波长； m ：复折射指数；Z 雷达反射率因子。
6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。
答：∑=单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无关。
新一代天气雷达简介
工作模式（Operational Mode）
WSR-88D使用两种工作模式，即降水模式和晴空 模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP，而VCP又 确定了具体的扫描方式。
工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相 应的扫描方式分别为14/5 和9/6。
工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两 者都使用扫描方式5/10。
退距离折叠（range unfolding）：为了精确地测量径向速度， WSR-88D雷达有时采用较高的PRF（脉冲重复频率）。此时，其最大探测 距离较短。雷达可收到位于其最大探测距离之外的目标物的较强回波，并将 目 标 物 误 认 为 是 位 于 其 最 大 探 测 距 离 之 内 ， 从 而 产 生 距 离 折 叠 （ range folding）。信号处理器的一个重要任务是消除这些折叠，这个处理过程称 为退距离折叠。
接收机
当天线接收返回（后向散射）能量时， 它把信号传送给接收机。由于接收到的回 波能量很小，所以在以模拟信号的形式传 送给信号处理器之前必须由接收机进行放 大。
信号处理器
当接收到接收机传来的模拟信号后，信号处理器完成三个重要的功 能：地物杂波消除，模拟信号向数字化的基本数据的转换，以及退多谱勒数 据的距离折叠。
式提供初始场
多普勒天气雷达原理
• 反射率因子 • 径向速度和谱宽 • 最大探测距离与距离折叠（模糊） • 最大径向速度与速度模糊
反射率因子 Z
Z R 2 Pr C
Z=∫N(D)D6dD
dBZ 10 • lg Z Z0
Z0 1mm 6 / m3
径向速度ห้องสมุดไป่ตู้谱宽
• 多普勒效应 • 频率变化难以直接测量 • 脉冲对相移 • 全相干雷达：每个发射脉冲的位相相对于一个
新一代天气雷达演示
雷达平均速度图
中尺度（2-20KM）系统的速度图像特征
不是在整个显示屏范围内识别，而是在其中选择一个小区域（包含了整个中尺度系统），将其放大显示。 首先确定所选择的小区域在雷达有效探测范围内的方位及小区域的方向，并近似的认为该小区域在同一高度层上
纯气旋式流场；纯反气旋式流场；纯辐合流场；纯辐散流场；气旋式辐合流场； 气旋式辐散流场；反气旋式辐合流场；反气旋式辐散流场
雷达的导出产品：有30多种。常用的包括组合反射率因子； 垂直累计液态水含量；回波顶；风暴路径信息；冰雹指数；中 气旋；速度方位显示风廓线；1小时累计雨量；3小时累计雨量； 相对风暴径向速度区。
雷达数据质量控制
雷达数据质量控制主要涉及地物杂波抑制；去距离折叠和退速度模糊。
地物杂波：包括固定地物杂波和超折射地物杂波（AP杂波）。
一般雷暴（单个单体雷暴）
单个单体雷暴—在其生命发展史中自始至终只有一个孤立单体的风暴。 水平尺度：5-10km； 生命史：<1小时；雷达回波特征：回波较垂直，单体对称，少移，冰 雹小，灾害小。回波强度相对较弱，回波面积小，发展高度低、生命史较短，上升与下沉气流 无明显的倾斜性，气流结构易受损坏，不易发展强盛。
雷达基本产品反射率因子，平均径向速度和径向速度谱宽三 种基数据。
SA和SB两种雷达，反射率因子基数据沿雷达径向的分 辨率为1km，沿方位角方向的分辨率为1°，即1km*1°，平均 径向速度和速度谱宽基数据的分辨率为0.25km*1°；扫描仰角 从0.5°到19.5°。
SA和SB两种雷达，反射率因子观测范围为460km，径 向速度和谱宽为230km；大部分算法适用的范围位于230km内。 CC和CD型雷达的观测范围只有150km。
在中等到高的CAPE和弱的深层垂直风切变情况下，可以出现的唯 一强风暴是脉冲风暴，其不是一种独立的对流风暴类型，是以多单体风暴 形态出现，含有一个或多个脉冲单体。
雷达定量降水估计常用方法介绍
B
%
6-
B-g$ ?-
$$
通过校准后得到的估测场则为
6 @Ag? @A c%
$)
平均降准法较单点校准法降低了随机误差精度上
有所提高但 该 方 法 无 法 体 现 降 水 梯 度 分 布 误 差 仍 然
较大 (&( 卡尔曼滤波法3
引入一个随时间动态变化的订正因子 >将前一时刻
(&$ 单点校准法
假设一个初始 f2J关系式根据该关系式得到雷达观
测降水的初估场 K ^H 将观测区内雨量计观测值记为
G则可得到观测区内的校准因子 "为
%g6?
'
而订正后的雷达估测场可由下式得到
6 @Ag? @A c%
$%
因单点雨量计具有较大的局限性由此得到的雷达观
该方法校准的雷达观测值降水分布更加准确且该方法适
用于绝大部分场景
(展望
雷达定量降水估计因其具有高时空分辨率的特点且
能够快速获得大范围降雨资料在降雨监测方面具有广泛
运用的潜力 随着监测降水的不断深入研究雷达定量降
水估计的方法不断优化利用雷达进行定量降水估计具有
广泛的应用前景
水文气象领域的研究一直是非常复杂的雷达定量降
;&<=1-,'+:<E<:&e9<-=/=<=/[;I:;,/I/=<=/@-&f2J:;?<=/@-
44降水是水文循环的基本要素之一 区域洪涝灾害受
降水强度的直接影响研究降水时空间变化能够有效减
少洪涝灾害带来的影响 利用雨量计进行降水监测具有
单点精度高的优势但是其难以反映区域降水的时空分
9:'0-+40+9D/-8:<E<:=@C@-/=@:I:;,/I/=<=/@- ,<- \9/,.?H@F=</- <A/E;:<-8;@>:</-><??/->@:C<=/@-&O;,<9D;@>/=D <E[<-=<8;D@>B/8B =;CI@:<?<-E DI<=/<?:;D@?9=/@-"\9<-=/=<=/[;I:;,/I/=<=/@- ;D=/C<=/@- B<D8:<E9<??HF;;- <II?/;E =@:</-><??C@-/2 =@:/-8F9D/-;DD&QB/DI<I;:/-=:@E9,;DD;[;:<?:<E<:\9<-=/=<=/[;I:;,/I/=<=/@- ;D=/C<=/@- C;=B@ED,@CC@-?H9D;E /- F9D/-;DD>:@C =A@<DI;,=D+f2J:;?<=/@-DB/I C;=B@E <-E :<E<::</- 8<98;+@/-=;D=/C<=/@- C;=B@E&
气象学中的天气雷达数据处理和分析方法改进研究
气象学中的天气雷达数据处理和分析方法改进研究引言天气雷达是气象学中一种重要的观测设备，可用于获取天气现象的空间分布及变化情况。
然而，天气雷达数据处理和分析方法的改进仍然是一个具有挑战性的课题。
本文将探讨气象学中天气雷达数据处理和分析方法的现状，并提出改进思路。
一、天气雷达数据处理方法现状1. 雷达基本原理天气雷达的基本原理是利用微波信号与大气中的水雨粒子发生散射反射，然后通过接收和解码信号来获取有关降水情况的信息。
传统的雷达数据处理方法主要包括信号滤波、距离-速度-方位解算以及基于回波强度的降水估算等步骤。
2. 数据质量控制天气雷达数据的质量对于后续分析的准确性至关重要。
常用的数据质量控制方法包括雷达回波强度的阈值判断、回波剖面的质量评估以及雷达径向速度的数据筛选。
然而，传统方法对于雷达数据的有效利用率和准确性仍然有待改善。
3. 降水估算方法气象学中的降水估算是基于雷达回波强度数据的关键问题。
传统的降水估算方法主要基于经验关系和统计方法，例如Z-R关系和KDP算法。
然而，这些方法在强降水事件和复杂气象条件下的准确性和鲁棒性存在一定的局限性。
二、改进思路1. 数据质量控制改进为了提高雷达数据的质量，可以采用机器学习或人工智能方法来进行数据的自动质量控制。
例如，可以利用神经网络算法对雷达数据进行判别和修复。
此外，在数据处理过程中，还可以引入辅助数据源进行校验，以减少噪声和误差的影响。
2. 降水估算方法改进针对传统降水估算方法的局限性，可以采用基于物理原理的模型来对雷达回波数据进行修正和估算。
例如，可以基于波动方程和颗粒模型来对降水估算方法进行改进，以提高估算的准确性和可靠性。
3. 雷达数据的三维重构传统的天气雷达观测数据通常为二维的极坐标数据，无法提供精确的三维信息。
为了更好地理解和分析天气现象，可以借助雷达回波的时间和空间特性，利用插值和外推算法对雷达数据进行三维重构。
这将为气象学研究提供更为详细和准确的数据基础。
应用雨滴谱对天气雷达Z-R关系订正的研究
(4)
将激光雨滴谱仪观测到的雨滴谱资料带入数值模
层状云的滴谱特征,也可以反映层状云和积雨云混合
[7]
Γ( i + μ + 1)
λi + μ + 1
(3M4 M2 - 4M23 )
M23 - M4 M2
λ=
(5)
(6)
( μ + 4) M3
M3
(7)
接着利用反射率因子 Z 的积分形式,并结合 Gam-
10. 3λ μ + 4 ] Γ( μ + 4) ] - μ + 4 ( λ + 0. 6) μ + 7 Γ( μ + 7)
b=
μ +7
μ +4
(12)
(13)
将经过此算法生成的实时 A、b 参数,可以显著改
变雷达测量降水的精度,而通过新老参数结果的比对
表 1 分析过程时间表( UTC)
降水过程
起始时间
λ 是谱分布表达式中的 3 个参数,其中 N0 表示与粒子浓
度相关的参数(单位是 m ·mm
Ă
0
0
μ
6
N0
μ +7
Γ( μ + 7)
(9)
根据雨 强 的 定 义, 降 水 强 度 I 的 积 分 形 式 为 式
Gamma DSD 的表达式为:
-3
∫ N D exp( - λD) D dD = λ
-1 - μ
达反射率因子,R 为降水强度,A = 300,b = 1. 4 [6] 。
和 “ 麦莎” 两次台风过程,经过检测,该算法得出的小
2. 2 雨滴谱联合天气雷达降水估测系统
气象雷达反演算法及应用研究
气象雷达反演算法及应用研究气象雷达反演是从雷达回波信号中提取地面和云层的物理参数，如回波反射率因子、降水率等。
反演算法的精度是气象雷达的运用和卫星遥感的精度追求。
它是天气预报、气候研究、资源探测等领域不可或缺的一部分。
本文将介绍常见的气象雷达反演算法，并探讨它在实际应用中的一些局限与实践。
1. 反演算法的分类气象雷达反演算法可以分成两大类：定量化降水估算和云微物理参数反演。
前者是根据雷达反演出的反射率因子，根据经验或模型计算出降水强度，并作为预报的依据；后者是根据气象雷达的反演回波强度及雷达分辨率、波长，反演出云、雨滴或冰晶的物理参数。
这些参数可以更准确地了解云和降水的结构和特性。
2. 常见反演算法（1）反射率-降水率关系法定量化降水估算的反演算法大都是建立在反射率因子-降水率的经验公式基础上。
利用雷达接收到的回波强度，计算出反射率因子，根据反射率因子和经验公式，反推出降水率的情况。
例如，常见的SMOS降水估算算法使用了Z-R关系（即反射率-降水率关系），它根据反射率和降水率之间的乘方关系推出降水率。
这种方法需要充分考虑气象选择性条件、雨强的非线性响应和不同的降水类型，以提高预报精度。
（2）扫描策略和回波分割法在反演云微物理参数方面，最重要的问题是精确定位反演目标。
为此，有必要精心设计探测策略和回波分割算法。
回波分割，即将不同颜色代表的区域，按照不同的与大气和云雾相互作用关系，划分为属于不同层次的反演目标。
实现这样的目的，即需要在地基和卫星的气象雷达数据模型的基础上，综合运用计算机技术、数字信号处理技术等多种手段，对不同反演目标的电磁反射特性进行精确分析。
（3）微波散射理论微波散射理论是研究大气微波电磁波传播和反射的数学模型。
它能为雷达反演云、雨、雪粒子及其物理参数提供理论基础。
目前，散射微物理反演方法是在气象雷达反演技术中最重要的一种反演方法之一。
3. 局限与实践虽然气象雷达反演技术具有重要的应用价值，但也存在一些局限，这些问题常常影响反演结果的精确度。
新一代多普勒天气雷达网探测数据对比分析系统
（ 中国气象科学研究 院 灾害天气国家重点实验室，北 京 １ ０ ０ ０ ８ １ ） （ 通信作者电子邮箱 ｚ ｈ ｇ ＠ｃ ａ ｍｓ ． ｅ ｍａ ． ｇ ｏ ｖ ． ｃ ｎ ）
摘
要： 我 国即将建成 由２ １ ６部 多普勒天 气雷达组成 的观测 网， 组 网雷达数据对 比分析是及 时发 现雷达 网故障 、
ｅ ｑ ｕ ｉ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｊ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｓ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ａ ｖ ｏ ｉ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ．
为雷达定标提供参 考， 提高短时临近天气预报 准确率的基础 。为解决上述 问题 ， 研发 了雷达组 网数 据对 比分析 系统 。 首先 ， 针对距 离衰减和波束展宽对雷达探 测数据 的影响 ， 提 出利 用相邻 雷达等距 离线垂 直剖面 内的 网格数 据进行 对 比分析 ； 然后 ， 为了满足 实时计算 需求 ， 提 出快速等距 离线坐标变换 算法， 算法可节约 ８ ５ ％的计 算时间 ； 针 对雷达数据 空间分布特点 ， 提 出三维混合插值算法 ， 以便 最大限度保 留原始数 据特征 ， 提 高数据 对比分析精度 。 系统可 自动 处理 相邻雷达时间 同步数据 ， 统计分析等距 离线垂 直剖 面 内的数据 ， 实现 组 网数据 可靠性 和一致性 的客观评 估分析 。实
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｄｏ ｐ ｐ ｌ ｅ ｒ ｗｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｒ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ２ １ ６ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｓ ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ ｓ ｏ ｏ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｄ ａ ｔ ａ
多普勒天气雷达在不同降水类型中Z-R关系及检验
多普勒天气雷达在不同降水类型中Z-R关系及检验作者：韩洁李恩莉冯富强来源：《绿色科技》2018年第08期摘要：利用宝鸡多普勒天气雷达的基本反射率因子以及宝鸡区域站和自动站的逐分钟或10 min雨量资料.将2015年汛期降水分为积状云降水、层状云降水、层积混合状降水，并分别计算三种降水类型的Z-R关系中的A、b值。
再对一次降水过程中的自动站雨量进行检验，检验结果显示96.1%的估测与实况值的差距在5 mm以内。
且根据降水强度的不同，发现新的Z—R关系在雨强较大时，降水估测值误差大。
关键词：多普勒雷达;Z-R关系;宝鸡中图分类号：P412文献标识码：A文章编号：1674-9944（2018）8-0209-021 引言多普勒雷达提供的丰富产品为制作精细和准确的短时及临近预报预警提供了最有力的支撑。
本文对雷达的Z-R关系进行重新计算，旨在为越来越重要的短临预报预警中提供更为有效地定量估测降水。
近年来，随着区域气象站的建成，使得加密监测成为可能，尺度较小的短时强降水也能被准确的监测。
为了提高雷达定量估测降水的能力，确定一个适合宝鸡当地的反射率因子Z和降雨率R之间的关系，对短时强降水的短时预报预警有着重要的意义。
2 资料选取和方法利用天气雷达的基本反射率因子及宝鸡各自动站、区域站雨量的统计数据，对201 5年5～8月的13次降水过程，根据降水类型划分为积状云降水、层积混合状降水和层状云降水，再将距离区域站或自动站最近的雷达回波强度挑选出来。
已有的研究表明[1]雷达资料与该分钟观测到的前6 min降水量相对应，依照此原则，由于区域站无逐分钟雨量，因此选择区域站或自动站雷达回波强度前10 min的降雨量，求出小时雨强。
在雷达回波选取过程中，雷达回波强度值小于10dBz的资料，对降水贡献几乎没有或者很小，所以不进行处理，而对于大于60 dBz的资料。
则按照60dBz进行处理，因为少数大雨滴对Z的贡献远大于对R的贡献。
Z—R关系
首先定义目标函数，即参数优化的评价函数，一般定义为误差函数。在最小平方误差原理的基础上，本算法 对最小平方误差函数作进一步的优化，使优化结果更能满足实际情况。主要增加两方面的改进。
①动态资料质量控制：实际测量获得的雷达资料和雨量计资料都存在着一定的随机误差，而且由于仪器设备 本身和一些人为因素在样本中常常存在着一些不合格的奇异数据，这部分样本数据的存在有可能对参数优化算法 的结果产生较大的影响，因此资料的质量控制显得十分重要。除了常规的资料预处理方面的质量控制之外，由于A， b事先的不确定，排除奇异数据显得相对比较困难，利用遗传算法对目标函数连续性无要求的特点，采用实时资料 控制方法，根据不同的A，b动态地进行奇异数据的排除。
通过比率与回波强度随时间变化率G的统计和散点分布分析，得到了剔除异常点的方法。剔除异常点后的雨量 站数据精度可以用来进行Z－R关系的拟合以及进一步的定量降水估测和评估。根据雷达估测对流性降水与雨量站 观测值误差的空间分布规律和局地强对流天气过的特征，对动态拟合Z－R关系进行了优化。Z－R关系的优化主要 分为两个方面：①分析不同回波强度平均方法得到降水估测的精度，即雷达拟合场数据的优化；②回波强度和雨 量站累积时间的不同，经反演后得到了不同精度的雷达降水估测初值场，即雷达拟合场数据累积时间的分析。
（1Байду номын сангаас一般的参数优化方法
理论上雷达反射因子Z和降水强度R存在的Z-R关系式为Z=ARb，其中A，b两个参数在一般情况下可以按实测的 滴谱和下落末速度等资料给出，通常由M-P滴谱分布得到：A=200，b=1.6。这是最常用的层状云降水M-P关系式。 然而这组由Marshall-Palmer得到的参数值只适用于层状云大范围降水的平均情况，因为具体到每一次降水实际 上并不均匀，而且随时间、空间和降水类型的不同而并不满足M-P滴谱条件。一种替代的方法是在雷达定量估测 降水时使用雷达实测的Z值和相应的雨量计实测值进行比较，从而获得与实际情况相接近的Z-R关系参数。
气象雷达数据处理方法和算法研究
气象雷达数据处理方法和算法研究气象雷达是一种重要的天气探测工具，在气象行业得到广泛应用。
它可以测量空气中降水、风速、风向以及潜在的风暴活动等信息。
然而，气象雷达的原始数据往往非常复杂，需要经过一系列的数据处理方法和算法，才能得到有用的气象信息。
本篇文章将介绍气象雷达数据处理方法和算法的研究现状以及未来趋势。
一. 气象雷达数据处理方法的研究现状气象雷达原始数据通常包含雷达反射率、多普勒速度和谱宽等信息。
这些信息需要经过一系列的数据处理方法才能转化为可用的气象信息。
当前，气象雷达数据处理方法包括以下几种：1. 数据预处理数据预处理是气象雷达数据处理的第一步，其目的是通过数据修复、去噪、涂抹和校正等方法，提高原始数据的质量。
数据预处理方法主要包括：- 数据修复方法：用于修复雷达数据的缺失或错误。
最常用的数据修复方法是插值法，通过邻近的数据点估计缺失的数据值。
- 去噪方法：用于消除雷达数据中的随机噪声。
去噪方法主要包括滤波法和小窗口平滑法。
- 涂抹方法：用于消除恶劣天气条件下的人工干扰。
涂抹方法主要包括多普勒速度不连续涂抹法和S波段涂抹法。
- 校正方法：用于消除雷达数据的偏差。
校正方法主要包括位置校正和增益校正。
2. 信号处理信号处理是将雷达反射率转换为近地面降水率的重要步骤。
信号处理方法主要包括：- 立体扫描方法：用于将三维雷达数据转换为二维图像。
立体扫描方法主要有垂直扫描和水平扫描两种。
- 反演降水率方法：用于将雷达反射率转换为近地面降水率。
反演降水率方法主要包括Z-R关系反演法和Z-Zdr关系反演法。
3. 产品生成产品生成是将原始雷达数据处理成可视化的天气产品的过程。
产品生成方法主要包括：- 降水强度分布图- 风暴跟踪分析- 闪电监测分析- 雷达回波精细分析等二. 气象雷达数据处理算法的研究现状近年来，随着大数据、人工智能等新技术的发展，气象雷达数据处理算法也取得了重要进展。
目前，气象雷达数据处理算法主要包括以下几种：1. 机器学习算法机器学习算法是一种通过模型训练、数据自适应和参数优化等方法，实现数据处理和分析的方法。
优化Z—R关系及其在北京地区面雨量估测中的应用
优化Z—R关系及其在北京地区面雨量估测中的应用
袁晓清;倪广恒
【期刊名称】《广东水利电力职业技术学院学报》
【年(卷),期】2011(009)004
【摘要】运用最优化方法，选取北京市新一代天气雷达2007年5场降雨的基数据资料与对应的地面雨量计资料进行Z—R关系研究，对比由雨量计观测值和雷达估测值插值得到的面雨量分布情况。
结果表明：采用缺省的Z—R关系估算出的区域面雨量普遍偏小很多，优化后雷达估测的雨强分布与雨量站点测量的雨强分布更接近，且雷达定量估测区域面雨量的精度有了较大提高。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】袁晓清;倪广恒
【作者单位】广州市流溪河流域管理委员会办公室,广东广州510640;水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,清华大学水利水电工程系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】P332.1
【相关文献】
1.Z-I关系最优化在海口雷达估测热带气旋降水中的应用 [J], 石娟;林建兴;唐家翔
2.优化Z-I关系及其在淮河流域面雨量测量中的应用 [J], 姚燕飞;程明虎;杨洪平;张亚萍;田付友
3.雨滴谱资料在雷达面雨量估测中的应用 [J], 肖秀珠;刘君;张红梅
4.最优化方法估测伊犁地区降水及其估测面雨量软件设计 [J], 祝小梅; 江新安; 时
新明
5.最优化方法估测伊犁地区降水及其估测面雨量软件设计 [J], 祝小梅; 江新安; 时新明
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基于最优化算法的北京市新一代天气雷达Z_R关系研究
基于最优化算法的北京市新一代天气雷达Z-R关系研究袁晓清1，倪广恒1，潘安君2，魏立川3（1.清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.北京市水务局，北京100038；3.北京城市气象研究所，北京100089）摘要：运用最优化方法，选取北京市新一代天气雷达2007年4场降雨的基数据资料与对应的雨量计资料进行Z-R关系研究，对不同类型的降雨和不同距离范围的雷达估测点分别优化。
结果表明：运用优化后的Z-R关系估测降水量的误差要比缺省的Z-R关系式直接计算出降水量的误差小得多；降水的估测结果优于对流云降水的估测；距离雷达站较近的地区其估测结果优于较远的地区。
层状云关键词：新一代天气雷达；中图分类号:P332.1Z-R关系；最优化方法；北京文献标识码: A文章编号:1000-0852(2010)01-0001-06关系在北京地区是否适用还需深入分析，需要按照本地的地形、气候、季节和降水类型的特点重新确定A、b（Z=AR b），以获取较为准确的降水估测。
国内外利用雨量计资料订正雷达估测降水的主要方法有：平均校准法、插值法、变分法、卡尔曼滤波法和最优化方法等等[4-7]。
平均校准法起到一种平滑作用，可能平滑掉强降水中心；插值法将雷达探测区网格化，采用线性内插公式，其中最重要的就是权重因子P k 的取值，而最优插值就是寻找使分析场方差达到最小值的P k；变分法是一种比线性加权内插更好的方法，求得每个网格点上的校准因子，但其对地面雨量站网密度的要求较高，涉及系数设置、边界处理、迭代方案等[8]；目前实验观测表明，卡尔曼滤波校准法、变分校准法最为精确，卡尔曼滤波校准法是线性无偏最小方差递推滤波，它的估计性能是最优的，递推计算形式可适应实时处理需要。
本文在他人研究经验和成果的基础上，利用北京南郊亦庄雷达站CINRAD-SA新一代多普勒天气雷达2007年的基数据和全市122个雨量站点日降雨量资料，进行雷达反射率因子Z 的提取、基数据处理、日降1 引言雷达作为一种主动遥感手段可以探测较大范围的瞬时降雨分布，能估计雷达扫描范围内各点的雨强和一定区域上的雨量分布和总雨量，是具有很高的时间和空间分辨率降雨数据的重要来源，这样的降雨数据对于河流流量和洪水预报是非常关键的[1]。
襄阳新一代天气雷达Z-R关系本地化修正分析
襄阳新一代天气雷达Z-R关系本地化修正分析佘运江;聂成;佘晨旭;李海民【摘要】文章利用襄阳市2016年1～12月223个区域站的降水与雷达数据资料,采用最优化Z-R关系,再一次进行降水回波分类,得到适用于不同降水回波类型的Z-R关系,选取几次降水过程中的利用O U P78号产品进行降水估计产品验证,默认Z-R关系比对实际降水有30％以上提升,且层状云降水估计结果优于其它降水回波类型,为新一代天气雷达本地化进一步奠定了基础.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】3页(P36-37,44)【关键词】新一代天气雷达;Z-R关系;本地化【作者】佘运江;聂成;佘晨旭;李海民【作者单位】襄阳市气象局 ,襄阳441021;襄阳市气象局 ,襄阳441021;襄阳市气象局 ,襄阳441021;襄阳市气象局 ,襄阳441021【正文语种】中文【中图分类】P415.20 引言襄阳属亚热带季风气候，东部、中部以山岗地形为主，西部为山区，降水类型主要以层状云、积状云、混合型降水为主。
襄阳CINRAD/SA型新一代天气雷达投入业务运行已经有3 a多，而CINRAD/SA型雷达目前沿用的是WSR-88D中设定的美国夏季对流云降水统计得到Z-R关系的经验公式，即Z=300R1.4，式中Z为雷达反射率因子，R为降水率，影响此参数的主要是降水类型和雨滴谱。
在新一代天气雷达实际Z-R关系中，由于雷达测定的是目标体积内的平均值，随着距离的变化雷达波束探测到的目标体积也将变化，即雷达探测到的并不是到达地面的雨量。
为了减少降水估计产品和实际降水的差值，文章将地面雨量计的测量值作为真实值，结合雷达的Z值对本地Z-R关系进行修正[1]。
降水强度与降水粒子直径的分布(雨滴谱)有关，Z-R关系亦与雨滴谱密切相关。
在同样的降水强度下，对流降水和暖云降水由于雨滴谱不同，反射因子Z也不同。
在同一次降水过程中，云的不同发展阶段雨滴谱也不一样。
使用遗传算法优化雷达测量降水Z-R关系
使用遗传算法优化雷达测量降水Z-R关系
徐枝芳;熊军;葛文忠
【期刊名称】《高原气象》
【年(卷),期】2006(25)4
【摘要】将遗传算法应用到雷达测量降水的Z--R关系参数优化问题中，通过引入改进的误差函数加入总降水量误差控制，对1998年6月28日～7月2日阜阳地区的两次降水过程进行了参数优化试验，并和常规的最小二乘法、最优化方法及M—P参数法进行了对比，试验结果表明：新方法在总降水量估测方面具有更高的准确性和更好的动态适应性。
【总页数】6页(P710-715)
【关键词】遗传算法(GA);雷达;降水测量;Z—R关系
【作者】徐枝芳;熊军;葛文忠
【作者单位】中国气象局国家气象中心;南京大学电子科学与工程系;南京大学大气科学系
【正文语种】中文
【中图分类】P457.6
【相关文献】
1.固原市强降水的多普勒雷达Z-R关系分析 [J], 范小明;张成军;丁国荣
2.舟山地区台风降水Z-R关系研究及其应用 [J], 何宽科;范其平;李开奇;陈淑琴;龚(龙天)
3.多普勒天气雷达在不同降水类型中Z-R关系及检验——以宝鸡市为例 [J], 韩洁;李恩莉;冯富强
4.天气雷达层状云降水中Z-R关系的优化与检验分析 [J], 曾培培;刘晓迎;杜明哲
5.祁连山南麓夏季不同降水云系雨滴谱特征及其Z-R关系 [J], 张玉欣;韩辉邦;郭世钰;田建兵;唐文婷
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用 了 ＷＳ 一 ８ 中设定 的 由美 国夏季 对 流云 降 水统 计 Ｒ ８Ｄ
方 法有 ： 平均 校准 法 、 值法 、 插 变分 法 、 卡尔曼 滤波 法和 最 优 化方 法 等等 。平均 校 准法 起 到一 种 平滑 作 用 ， 可 能平 滑掉 强 降水 中心 ； 插值 法将 雷达 探测 区 网格 化 ， 采 用线 性 内插 公式 ， 中最 重要 的 就是权 重 因子 Ｒ 的 其 取 值 ，而最优 插 值就是 寻找 使分 析场方 差 达到最 小值 的 ；变分 法 是一 种 比线 性 加权 内插 更 好 的方 法 ， 求
２
水 文
第３ 卷 Ｏ
雨量计算 ， 同时结 合地 面雨量站 资料 ， 用最优 化方法 运
对北京 本地 ｚ 尺关系 进行优 化 ， 而得 到较 为精 确 的 ＿ 从
雨量 。
２３ 最 优 化 方 法 原 理 圆 ．
雷达估测 雨量值 。
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对于河 流 流量 和 洪水 预 报是 非 常 关键 的Ⅲ 。一 般 雨 量
站之 间的距 离有几 十公 里 ：而 降水 区 的雨 强往 往是 不 均匀 的 ， 即使 层状 云 降水时 也存 在雨 强 中心 ， 对流 云 在
的研究 目标 目前 ．我 国新 一代 天气 雷达 的降 水 系列算 法 中沿
度 的要 求 较 高 ， 及 系 数 设 置 、 界 处 理 、 代 方 案 涉 边 迭 等 嘲 目前 实 验 观 测 表 明 ， 尔曼 滤 波 校 准 法 、 分校 ： 卡 变
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资料 进 行 ｚ 兄 关 系研 究 ， 不 同类型 的 降雨和 不 同距 离范 围的雷达 估测 点分 别优化 。 － 对 结果表 明 ： 用优 运
化后 的 关 系估 测 降水 量的误 差要 比 缺省 的 Ｚ Ｒ 关 系式直接 计 算 出降 水量 的误 差 小得 多 ：层 状 云 —
关 系 ； 最优 化 方 法 ； 北 京 降 水 的 估 测 结 果 优 于 对 流 云 降 水 的 估 测 ： 离 雷 达 站 较 近 的 地 区其 估 测 结 果 优 于较 远 的 地 区 。 距 关键 词 ： 一 代 天气 雷达 ； 新
地 的地 形 、 候 、 气 季节 和降水 类 型 的特点重 新 确定 Ａ、 ｂ （ ＝ Ｒ ） 以获 取 较为准 确 的降水估 测 。 Ｚ Ａ ，
国 内外利 用雨 量计 资料 订正 雷达估 降水 的主要 ４
瞬时 降雨 分 布 ．能 估计 雷达 扫描 范 围 内各 点 的雨强 和
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定 区域 上 的雨量 分 布和总 雨量 ，是 具有很 高 的时 间
（． 华 大学水利 水 电工程 系 水沙 科 学与水 利水 电工 程 国家重 点实验 室 ， １ 清 北京 １０ ８ ； ０ ０ ４
２北京 市水 务局 ， 京 １０ ３ ； ． ． 北 ０ ０ ８ ３北京城 市 气象研 究所 ， 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ ９
摘 要 ： 用 最优化 方 法 ， 运 选取 北京 市新 一代 天 气雷 达 ２ ０ ０ ７年 ４场 降 雨的 基数 据 资料 与 对应 的 雨量计
降水 时不 同地点 的雨强 差别 很 大 ．故 地 面雨量 站测 量 的雨强 因站 网密度 过稀 往往 缺乏 代表 性 ，很难 准确 地
算 出一定 区域上 的雨 量 圜 。雨 量 站 的点 雨 量 数据 精 度 较高 ， 而雷达 估测 的数 据空 间分 布较 合理 ， 结合 两者 的 优势 ， 提高 降雨数 据 面上 分 布 的合理 性和精 度 ， 本文 是
第 ３ 卷第 １ ０ 期
２ ０ ２ ０１ 年 月
水 文
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Ｖ １ ０ ｏ１ ０ ． Ｎ ． ３
Ｆｅ ，２ ０ ｂ． ０１
基于最优化算 法的 北京市新 一代 天气 雷达 Ｚ 关 系研 究 ＿
袁 晓 清 ， 广 恒 ， 安 君 ， 立 川 倪 潘 魏
中图分 类号：３ ２１ Ｐ ３．
文献 标识 码：Ａ
文章 编号：０ ０ ０ ５ （０ ００ — ０ １ ０ １０ — ８ ２２ １）１ ０ ０ — ６
１ 引 言
雷 达作 为一种 主 动遥感 手段 可 以探测 较大 范 围的
关 系在 北京地 区是否适 用还 需深 入分 析 ．需要按 照本
得 到的 ｚ 尺 关 系式 ， Ｚ ３ ０ 式 中 Ｚ为 雷 达 反 射 ＿ 即 ＝ ０ Ｒ。 ．
率 因子 。 为降水 强度［ ３ １ 。由于 ｚ 尺关 系随季节 、 候 、 ＿ 气 地形 和 降水 类 型 的 不 同 而 变 化 ， Ｒ一 ８ 中的 Ｚ 尺 ＷＳ ８ Ｄ 一
２０ ０ ７年 的基 数 据 和 全市 １ ２个 雨 量 站 点 日降 雨 量 资 ２
料 ， 行 雷 达反 射率 因子 Ｚ的提 取 、 数据 处理 、 进 基 日降
收 稿 日期 ： ０ ９ ０ — ２ ２０ — ６ ２ 基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金项 目（０ ７ ０ １５ ８ ３ ０ ） ５ ６ ９ ３ ，Ｏ ２ ０ ５ 作 者 简 介 ： 晓 清 （ ９ ６ ） 女 ， 西 九 江 人 ， 士 研 究 生 ， 要从 事 雷 达测 雨 方 面研 究 。 袁 １８一 ， 江 硕 主
２ 资料 与方 法
２ １ 雨 量 计 数 据 ．