交叉相关外推算法的改进及其在对流临近预报中的应用

交叉相关外推算法是目前对流临近预报的主要算法之一。它主要是通过计算雷达回波等资料在连续时次的空间最优相关, 得到对流系统不同位置的移动矢量特征, 并基于这些获得的移动矢量对雷达回波等进行外推, 从而达到预报的目的。因为算法既考虑了回波移动矢量大小和方向的变化, 也考虑了整个回波在移动过程中的形变, 所以, 基于该算法的外推临近预报具有一定的物理意义。该文介绍了交叉相关外推预报算法的基本原理, 对算法进行了一系列的质量控制, 包括抑制地物杂波和噪声的影响、对“丢失”计算的点进行矢量补充以及对追踪的矢量进行平滑处理等多个步骤。个例对比分析表明:算法在通过质量控制和优化处理后, 追踪的回波移动矢量质量明显改善。利用优化后的算法, 对2004年夏季和2005年夏季发生在京津冀地区的4个强对流个例, 包括2次飑线过程、1次雹暴过程和1次强雷暴过程, 进行了外推临近预报试验, 并且对算法在对流临近预报中的效果做了初步的检验评估。结果表明:该算法对强对流天气过程的临近预报具有一定效果, 算法可以给出未来30 min或者60 min内雷达回波和雷暴位置以及形状的外推预报, 预报结果与实况比较接近。     

雷暴区域追踪矢量与雷暴单体追踪矢量融合临近预报研究

雷暴追踪矢量的准确性是决定短时临近降水外推预报效果的关键。以TREC（Tracking Radar Echoes by Correlation）为代表的区域追踪和以TITAN（Thunderstorm Identifiation,Tracking,Analysis,and Nowcasting）为代表的单体追踪是追踪雷暴移动矢量的两种典型方法。TREC基于追踪格点雷达回波数据得到,能较好体现层状云降水和对流云降水系统的区域总体移动趋势;TITAN可以识别、分析雷暴的二维和三维属性,自动跟踪雷暴的移动速度和方向,形成雷暴单体移动矢量,能够更好地刻画小尺度雷暴单体的移动速度和方向。将TREC和TITAN两种移动矢量进行融合,生成新的外推移动矢量,既保留了TREC方法在刻画大尺度雷暴总体移动趋势信息方面的特长,又能充分发挥TITAN方法在刻画小尺度雷暴运动细节信息上的优势。融合试验表明,采用TREC和TITAN两种降水移动矢量融合的新技术,可以一定程度改进降水外推移动矢量场估计的准确度,提升降水落区和强度外推预报的准确度,对改善北京地区降水临近预报水平具有一定正效果。      

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

A Composite Approach of Radar Echo Extrapolation Based on TREC Vectors in Combination with Model-Predicted Winds

Extending the lead time of precipitation nowcasts is vital to improvements in heavy rainfall warning, flood mitigation, and water resource management. Because the TREC vector (tracking radar echo by correlation) represents only the instantaneous trend of precipitation echo motion, the approach using derived echo motion vectors to extrapolate radar reflectivity as a rainfall forecast is not satisfactory if the lead time is beyond 30 minutes. For longer lead times, the effect of ambient winds on echo movement should be considered. In this paper, an extrapolation algorithm that extends forecast lead times up to 3 hours was developed to blend TREC vectors with model-predicted winds. The TREC vectors were derived from radar reflectivity patterns in 3 km height CAPPI (constant altitude plan position indicator) mosaics through a cross-correlation technique. The background steering winds were provided by predictions of the rapid update assimilation model CHAF (cycle of hourly assimilation and forecast). A similarity index was designed to determine the vertical level at which model winds were applied in the extrapolation process, which occurs via a comparison between model winds and radar vectors. Based on a summer rainfall case study, it is found that the new algorithm provides a better forecast.     

傅立叶相位技术在雷达回波移动矢量特征分析中的应用

应用傅立叶相位分析技术,建立了一种新的基于雷达体扫资料的回波移动矢量、移动路径计算和临近预报算法。其基本思路是：对两个相邻时刻的雷达体扫回波资料分别进行快速傅立叶变换,得到两个雷达回波的相位差,再计算出回波的移动方向及移动速度。利用X波段多普勒多偏振雷达在吉林省获得的雷达资料对本算法进行检验,结果表明,此方法可以给出雷达回波内更加精细的回波移动矢量结构,能够较准确地反映出不同类型回波的中小尺度系统移动特征,对雷达回波移动路径有较好的追踪和临近预报能力。对一次飑线过程的计算结果显示,飑线上的强回波区移速移向存在明显的不均匀性。     

长江中游临近预报业务系统 (MYNOS) 及其应用

针对长江中游强风暴天气特点和现代预报业务需求,在借鉴世界临近预报系统, 特别是美国的Auto-Nowcaster和WDSS-II以及英国的GANDOLF等先进经验的基础上,以我国多普勒天气雷达网为重要技术手段,结合数值预报等信息资源,于2007年研究建成长江中游临近预报业务系统 (MYNOS)。MYNOS主要技术方法包括:雷达与雨量计实时同步积分结合的降水估算方法 (RASIM),雷达反演参量与中尺度模式输出物理量相结合的强风暴性质自动识别和追踪技术,基于暴雨回波生命史特性约束下的多尺度合成降水量临近预报,基于数值预报模式和模糊逻辑学的强对流天气分类落区潜势预报,集GIS功能并整合各种定量监测与预警产品于一体的短时预报工作站。MYNOS已成为短时临近预报业务的支撑平台,其中实时生成的流域定量降水估算与临近预报、强对流天气分类潜势诊断与识别预警产品等成为日常预报业务的重要参考依据。     

天气雷达回波运动场估测及在降水临近预报中的应用

在常用的基于天气雷达反射率因子图像的相关方法跟踪回波运动的TREC(Tracking Radar Echo by Correla-tion)技术基础上,文中发展了一种基于差分图像(时间梯度图像)的相关方法追踪雷达回波运动(Difference Image-based Tracking Radar Echo by Correlations)技术,简称DITREC,并与TREC技术进行比较。个例分析表明,DITREC矢量场消除了TREC矢量场中由于回波型的迅速变化导致的一些无序矢量,使得DITREC矢量场的时间连续性和空间连续性好于TREC矢量场。在TREC矢量场中不存在无序矢量的地方,DITREC矢量场与TREC矢量场基本一致。分别用DITREC矢量场和700 hPa风场作为回波运动估测场外推合肥CINRAD/SA雷达反射率因子复合扫描图,得到1 h外推降水场。以地面雨量计为标准,对外推降水场进行评估,结果表明,DITREC外推小时降水优于700 hPa外推小时降水,但其精度还与所采用的Z-R关系有关。     

基于卷积门控循环单元神经网络的临近预报方法研究

基于天气雷达资料的外推预报是灾害天气0～2h临近预报基础,本文以业务应用为目标,应用广东省2015-2018年11部新一代多普勒雷达反射率拼图资料,研究了基于卷积门控循环单元神经网络ConvGRU的临近预报方法,采用多损失函数加权与分级加权的策略,基于ConvGRU框架建立三层自编码模型(Encoder-Decoder...     

人工增雨催化区跟踪方法与效果评估指标研究

如何利用新一代天气雷达作业前后回波的变化分析人工增雨效果,对提高人工影响天气的科学性有非常重要的意义。文章基于新一代天气雷达三维拼图和最大相关系数的雷达回波跟踪方法（TREC）,在考虑多个作业影响时间和催化剂扩散背景下,实现对高炮和飞机播云作业中催化区的连续跟踪,并计算区域内的最大反射率、垂直积分液态含水量等回波参数。利用2个降水过程,选择多个跟踪区域进行连续跟踪,详细分析了回波跟踪的合理性。选择北京的一次高炮增雨作业与一次模拟飞机作业,对其催化区进行跟踪。结果表明：利用TREC算法,能够合理跟踪回波在空间的垂直位置与水平位置,较好地跟踪单点、多点作业时催化区域移动,实时跟踪飞机播云催化区的回波变化,从而为人工增雨的效果评估提供了一个有意义的参考。     

基于多尺度小波边缘检测的对流降水和闪电分析

为准确估测对流降水,提出了多尺度小波边缘检测算法,借鉴小波变换的多尺度分析和边缘检测原理,对雷达反射率数据进行处理,有效地识别出对流云回波区域,进而反演对流降水,精细化分析其和闪电的相关关系。选取了南京2009年7月6—7日的一次强雷暴降水过程中对流活动较剧烈的180 min为例,对采自南京龙王山雷达站的真实数据进行了算法识别分析,反演得到对流降水,统计6 min时间间隔内的闪电频数与同期降水进行相关分析,得到该时段中每次闪电所表征的降水量（RPF）的范围在7.47×106～4.46×107 kg,平     

利用雷达回波资料对夏季对流云降水的初步探讨

2000年7～9月在福建省建阳气象雷达站利用“713-C”数字化雷达完整地观测到101块对流云生成、发展、消亡过程。通过对这些资料分析，探讨夏季对流云降水机制。分析表明:夏季对流云中初始回波出现在0 ℃层以下，单体对流云占89.2%，多单体对流云占77.8%，其中回波及地时，主体回波扩展到冷暖区多单体明显高于单体(各为77.8%和63.9%)。由于多单体对流云其回波强度、尺度及降水时长都大于单体对流云，是夏季降水和人工催化的重要云系。     

多普勒雷达资料在暴雨临近预报中的应用

强暴雨、台风暴雨等灾害性暴雨天气是造成洪涝灾害最主要的降水天气系统。以广州雷达和梅州雷达的拼图资料以及温州单站雷达资料为基础, 讨论了TREC方法中时间步长、网格大小及雨强阈值等参数变化对跟踪结果的影响, 并对TREC矢量场进行了平滑处理, 这在一定程度上减少了TREC矢量场中由于地物回波和回波梯度变化造成的一些明显错误的矢量, 得到较为连续的矢量场, 并将得到的矢量场用于暴雨的临近预报。个例分析及预报结果的验证表明:通过选择合适的参数, 雨强CAPPI、反射率因子CAPPI和CR 3种资料得到的TREC矢量场一致性好, 能够反映我国的强暴雨、台风暴雨等灾害性暴雨的移动方向。CR资料的外推预报结果稍差于其他两者, 3种资料预报的准确性都随着预报时间的递增而降低, 对连续时刻的TREC矢量进行拟合, 有助于提高预报准确率。TREC方法对于结构比较复杂、不易识别的台风暴雨等灾害性暴雨天气, 在预警方面具有一定应用价值。     

Synchronization of Radar Observations with Multi-Scale Storm Tracking

The 3-D radar reflectivity data has become increasingly important for use in data assimilation towards convective scale numerical weather prediction as well as next generation precipitation estimation. Typically, reflectivity data from multiple radars are objectively analyzed and mosaiced onto a regional 3-D Cartesian grid prior to being assimilated into the models. One of the scientific issues associated with the mosaic of multi-radar observations is the synchronization of all the observations. Since radar data is usually rapidly updated (～every 5--10 min), it is common in current multi-radar mosaic techniques to combine multiple radar' observations within a time window by assuming that the storms are steady within the window. The assumption holds well for slow evolving precipitation systems, but for fast evolving convective storms, this assumption may be violated and the mosaic of radar observations at different times may result in inaccurate storm structure depictions. This study investigates the impact of synchronization on storm structures in multiple radar data analyses using a multi-scale storm tracking algorithm.     

Classification and Diurnal Variations of Precipitation Echoes Observed by a C-band Vertically-Pointing Radar in Central Tibetan Plateau during TIPEX-III 2014-IOP

This study investigates classification and diurnal variations of the precipitation echoes over the central Tibetan Plateau based on the observations collected from a C-band vertically-pointing frequency-modulated continuous-wave (C-FMCW) radar during the Third Tibetan Plateau Atmospheric Scientific Experiment (TIPEX-III) 2014-Intensive Observation Period (2014-IOP). The results show that 51.32% of the vertical profiles have valid echoes with reflectivity >–10 dBZ, and 35.06% of the valid echo profiles produce precipitation at the ground (precipitation profiles); stratiform precipitation with an evident bright-band signature, weak convective precipitation, and strong convective precipitation account for 52.03%, 42.98%, and 4.99% of the precipitation profiles, respectively. About 59.84% of the precipitation occurs in the afternoon to midnight, while 40.16% of the precipitation with weaker intensity is observed in the nocturnal hours and in the morning. Diurnal variation of occurrence frequency of precipitation shows a major peak during 2100–2200 LST (local solar time) with 59.02% being the stratiform precipitation; the secondary peak appears during 1300–1400 LST with 59.71% being the weak convective precipitation; the strong convective precipitation occurs mostly (81.83%) in the afternoon and evening with two peaks over 1200–1300 and 1700–1800 LST, respectively. Starting from approximately 1100 LST, precipitation echoes develop with enhanced vertical air motion, elevated echo top, and increasing radar reflectivity. Intense upward air motion occurs most frequently in 1700–1800 LST with a secondary peak in 1100–1400 LST, while the tops of precipitation echoes and intense upward air motion reach their highest levels during 1600–1800 LST. The atmospheric conditions in the early morning are disadvantageous for convective initiation and development. Around noon, the convective available potential energy (CAPE) increases markedly, convective inhibition (CIN) is generally small, and a super-dry-adiabatic layer is present near the surface (0–400 m). In the early evening, some larger values of CAPE, level of neutral buoyancy, and total precipitable water are present, suggesting more favorable thermodynamic and water vapor conditions.     

对流天气临近预报技术的发展与研究进展

目前，临近预报技术主要包括雷暴识别追踪和外推预报技术、数值预报技术以及以分析观测资料为主的概念模型预报技术等。其中，识别追踪和外推预报技术主要以雷达资料为基础，在这方面，交叉相关外推和回波特征追踪识别外推是比较成熟的技术，已经用于许多的临近预报业务系统中，其缺陷是预报时效较短，准确率也不是很高。随着精细数值天气预报技术和计算机技术的发展，利用多普勒天气雷达资料和其它中小尺度观测资料进行数值模式初始化，来预报雷暴的发生、发展和消亡已经成为一个研究的热点，该技术发展很快但还不成熟。概念模型预报技术主要是通过综合分析多种中小尺度观测资料，包括雷达和气象卫星资料等，在此基础上建立雷暴发生、发展和消亡的概念模型，特别是边界层辐合线和强对流的密切关系等，再结合数值模式分析预报和其它外推技术的结果，然后建立雷暴临近预报的专家系统，其不但可以获取雷暴和对流降水移动、发展的信息，还可以预报它们的生成和消亡。检验和定性评估也表明，将多种资料和技术集于一体的概念模型专家系统，其临近预报的准确率最高，时效也最长，是临近预报技术未来发展的主要趋势之一。NCAR的Auto Nowcaster系统是雷暴临近预报概念模型专家系统的一个典型代表。     

20070708阜阳极端降雨事件的综合分析

使用阜阳多普勒天气雷达、安徽省气象自动观测网、卫星云图等资料,对2007年7月8日发生在阜阳市迎仙镇的一次极端降雨事件进行了综合分析.结果表明,这场特大暴雨是在西太平洋副热带高压向南撤退形势下发生的,大气层结主要表现为强的对流性不稳定,特大暴雨对流云带恰好发生在低层辐舍区、高层辐散区,并且和850 hPa典型的静止锋式切变线相对应;特大暴雨由狭窄而持续强盛的对流性回波带形成.切变线的组织作用使得新生回波单体不断地聚合到回波带中,是维持回波带持续强盛的原因.回波单体移动方向和回波带的走向接近一致造成迎仙持续的强降水.     

A nowcasting technique based on application of the particle filter blending algorithm

To improve the accuracy of nowcasting, a new extrapolation technique called particle filter blending was configured in this study and applied to experimental nowcasting. Radar echo extrapolation was performed by using the radar mosaic at an altitude of 2.5 km obtained from the radar images of 12 S-band radars in Guangdong Province, China. The first bilateral filter was applied in the quality control of the radar data; an optical flow method based on the Lucas–Kanade algorithm and the Harris corner detection algorithm were used to track radar echoes and retrieve the echo motion vectors; then, the motion vectors were blended with the particle filter blending algorithm to estimate the optimal motion vector of the true echo motions; finally, semi-Lagrangian extrapolation was used for radar echo extrapolation based on the obtained motion vector field. A comparative study of the extrapolated forecasts of four precipitation events in 2016 in Guangdong was conducted. The results indicate that the particle filter blending algorithm could realistically reproduce the spatial pattern, echo intensity, and echo location at 30- and 60-min forecast lead times. The forecasts agreed well with observations, and the results were of operational significance. Quantitative evaluation of the forecasts indicates that the particle filter blending algorithm performed better than the cross-correlation method and the optical flow method. Therefore, the particle filter blending method is proved to be superior to the traditional forecasting methods and it can be used to enhance the ability of nowcasting in operational weather forecasts.     

2008年盛夏阿克苏一次强对流天气成因及雷达回波分析

2008年7月24日阿克苏地区出现了暴雨、冰雹强对流天气。利用常规高空、地面观测资料和新一代天气雷达资料系统地分析了此次天气中环流背景、物理量场、雷达回波的演变特征。分析得出,此次强对流天气在上层干冷、下层暖湿的不稳定层结、充沛的水汽条件和较强的抬升运动的配合下,导致不稳定能量突增,直接诱发了强对流天气的发生、发展。雷达回波上的“v”形槽口、有界弱回波的出现、较强的垂直风切变以及气流辐合现象,均为强对流天气回波的典型特征。     

利用雷达和自动站资料综合分析风暴移动和发展规律

为了研究地面中尺度辐合对对流回波发展趋势的影响,本文利用多普勒雷达和经过质量控制的地面加密自动站资料,选取浙江宁波地区较典型的10次强对流天气过程,逐时统计地面辐合场、累计雨量、雷达回波之间的相互对应情况,并进一步通过Shuman-Shapiro滤波来揭示地面中尺度风场辐合与风暴发展的内在联系,最后基于所统计的回波发展...     

一次超级单体风暴的天气学成因及多普勒雷达回波特征研究

对2002年5月27日发生在安徽蚌埠地区的一次超级单体风暴过程的天气形势、卫星云图、雷达回波进行了分析,此次过程为该地区近50 a来发生的最强烈的一次超级单体风暴过程。本文尝试从常规的高空、地面环流形势中寻找特殊的异常信息,结合卫星云图、多普勒雷达资料对超级单体的结构及其演变过程进行分析。发现这次强对流性超级单体风暴过程是在较为有利的大尺度环流形势下,多尺度天气系统相互作用,由中尺度对流云体激发产生的超级单体风暴;文章揭示了该地区超级单体风暴的多普勒雷达回波典型特征,旨在对这类强天气的监测、识别和临近预报提供天气学及雷达回波分析的参考依据。