降雨条件下风廓线雷达垂直气流探测技术研究

The information of vertical air motion is crucial for weather analysis and forecasting. Wind profiler radar on sunny day can measure the vertical air motion, while in rainfall the vertical velocity detected by wind profiler radar is the synthesis of vertical airflow and precipitation particles falling speed. The project intends to study the method based on wavelet analysis to measure the vertical air motion by using wind profiler radar under the condition of rain, then analyze the radar echo data and doing simulation research. Aiming at this problem, we study the key technical problems of wind profile radar vertical air motion sounding with rain: (1) by the study of sounding mechanisms of wind profile radar and characteristics of microwave scatters of turbulence and rain, simulate the domain data and the spectral data with different parameters of radar and different rainfall conditions for the foundation of vertical air motion information extraction; (2) on the basis , wavelet method is used to analyze the radar echo time domain signal which contains precipitation noise, and develop an adaptive algorithm to remove precipitation noise, thus restore the true vertical airflow information, at the same time, carry out experimental verification work to verify and improve the effectiveness of the algorithm.

垂直气流是天气分析和数值预报中必须考虑的重要物理量。风廓线雷达在晴天时可以测量垂直气流，而降雨条件下探测到的回波是湍流散射信号和下落雨滴散射信号的叠加，无法直接获取真实的垂直气流信息。针对此问题，本项目研究降雨条件下风廓线雷达垂直气流探测的关键技术问题：（1）通过对降雨天气下风廓线雷达探测机理以及微波湍流散射与雨滴散射特征的研究，仿真不同雷达工作参数和降雨条件下的风廓线雷达回波时域数据和谱数据，为垂直气流提取方法的研究奠定基础；（2）利用小波技术分析含有降雨杂波的雷达回波时域数据，通过对最优小波基的选择、最优小波分解级数确定和自适应阈值算法的研究，提出具有自适应性的降雨杂波去除算法，还原真实垂直气流信息，并开展相关比对试验工作，验证和改进方法的有效性。

摘要：面向风廓线雷达探测垂直气流速度业务化应用的需求，针对降雨条件下风廓线雷达探测垂直气流速度失真的问题，开展基于小波变换的降雨条件下风廓线雷达探测垂直气流速度探测方法研究。(1)在降雨条件下风廓线雷达探测数据分析方面，研究发现在降雨阶段，L波段边界层风廓线雷达受降雨粒子影响，其垂直气流探测数值急剧增大，而VHF波段平流层风廓线雷达的探测结果几乎不受降雨影响。(2)在基于小波变换的风廓线雷达探测垂直气流方法研究方面，针对含有降雨杂波的L波段边界层风廓线雷达回波时域信号，选取最优小波基和小波分解级数和自适应小波阈值，应用小波分析技术对其进行处理，抑制降雨杂波，还原出真实的垂直气流速度，与VHF平流层风廓线雷达时空匹配数据进行对比结果为：垂直气流速度还原的偏差为0.023 m/s，均方根误差为0.271 m/s，一致性较好，验证了方法的有效性。(3)在降雨识别方面，首先对L波段边界层风廓线雷达探测数据进行时频分析获得风谱资料；然后利用功率谱阈值函数判断其是否受到降水干扰；针对受到降水干扰的回波功率谱，依据降水影响下“双峰谱”特征，通过零点插值、中值滤波平滑谱数据；最后结合曲线拟合和谱矩判别对不同“双峰”特征的功率谱曲线进行降水识别。