新一代天气雷达产品故障识别及监测预警系统设计实现

新一代天气雷达故障直接影响数据质量,异常产品的产生对短时临近预报预警带来了重大的影响,实现雷达异常产品实时监测具有一定现实意义。本系统采用WinForm 3层架构+ORM模型架构,通过统计纹理分析、灰度图像特征值分析等图像处理技术实现自动识别雷达异常产品。新一代天气雷达产品故障监测预警系统可以实时、高效、准确检测出异常雷达产品,满足强对流天气预警监测、天气雷达故障预警服务预判、天气雷达产品可用性服务等功能要求,从单部雷达产品数据中识别出异常回波,避免进一步影响多雷达组网拼图,对天气雷达组网产品的质量控制具有重要的意义。     

基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除。为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7—8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别。通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用（降水估测等）具有正贡献。      

CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别技术

双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上,对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进,利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估,并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明:总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%,降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%,有待尝试利用深度学习方法改进。     

基于CINRAD SA双偏振雷达新型定量降水估测方法研究

杭州下沙S波段天气雷达在双偏振升级的基础上增加了精细化探测技术，为了进一步提高雷达定量降水估测精度，本文参考小时雨量计订正雷达估测降水算法模型，建立了一种基于分钟级雨量计数据的实时定量降雨估测雨强订正方法（简称QPE ADJUST法），利用雨量计资料对雷达的QPE数据逐体扫实时订正，累计完成1 h、3 h降水估测产品，提高了雷达降水估测精度。通过对雷达产品及自动站数据资料的评估，分别从降水估测算法、雷达分辨率影响及体扫周期速度影响3方面对QPE ADJUST法的估测降水效果进行了统计分析。结果表明：QPE ADJUST法在雷达高分辨率、快体扫周期的情况下均比其他算法更好地表现出降水时空分布特征，并将雷达小时定量降水估测的误差从50%降低至20%左右，有很高的估测精度和稳定性，具有业务应用价值。     

基于消息调度的江西省天气雷达拼图技术方法

为提高多普勒天气雷达资料处理效率,基于消息中间件技术、数据缓存等技术,开展了雷达资料处理与组网拼图技术应用研究.采用RabbitM Q消息中间件,实现雷达资料质量控制、网格化处理、数据缓存等实时调度处理.采用多进程技术,实现雷达资料组网拼图和可视化绘制.在此基础上,构建分布式并行业务运行系统,对江西省8部多普勒天气雷达进行组网拼图处理,实时制作时空分辨率分别为6 m in和0.01°的雷达拼图产品.基于消息的雷达拼图技术显著提高了数据处理时效,满足了天气监测预警等精细化气象业务服务需求.     

中尺度层状云系数值预报系统及其业务化应用试验

研制了中尺度静力平衡层状云系数值模式；针对人工影响天气业务特点，开发了模式预处理、后处理和产品服务系统；初步建立了一套可在业务中实时运行的中尺度层状云系数值预报业务系统。经过两年多的业务运行试验，结果表明：系统运行稳定，功能实用，对降水场和云场具有一定的预报能力；对小、中雨量级的稳定性降水预报准确率较高；模拟的云场同卫星、雷达实测云系有较好的一致性。可为人工影响天气作业决策及降水预报等实时业务提供帮助。     

基于雷达基数据的探测回波自动报警系统设计与实现

利用天气雷达厂商提供的雷达基数据类CINRADPolarDat处理解析雷达基数据,对雷达基数据进行解码,实时检索新一代天气雷达体扫基数据,提取回波强度、范围大小、位置等基本信息作为报警判据,并将报警判据分为安全级、观察级、预警级和警报级四个警戒级别进行报警提示。系统通过Microsoft Visual Studio 2005开发环境采用VB6.0语言编程,实现了新一代天气雷达探测数据实时报警功能,自动判断警戒级别并通过发出文字、声音、手机短信及拨打电话等不同报警方式提醒业务服务人员,避免突发灾害天气遗漏,做到临近突发灾害性天气快速跟踪预警与服务。     

天气雷达探测网交互式故障应急响应平台

新一代天气雷达站网实时监控平台实现了天气雷达故障即刻短信报警的功能,但无法对雷达故障现象、原因、处理进度以及结果等进行实时监控.在新一代天气雷达站网监控平台的基础上,完善对雷达故障应急响应流程的结构设计,将雷达故障应急响应细节直接编辑短信回复,故障应急处理平台根据故障等级和转发权限设置实现雷达故障应急响应细节的分级广播...     

新一代天气雷达产品综合显示系统的设计与实现

针对强对流天气监测业务及预报预警服务需求,并充分发挥新一代天气雷达组网建设的效益,设计开发了具有自主知识产权的新一代天气雷达产品综合显示系统。该系统根据地市级气象部门天气雷达产品的数据源现状,基于GIS几何对象模型和分布式实时数据流处理框架对多台雷达产品数据进行快速处理和网络传输;结合网络地理信息系统(WebGIS)技术提供雷达产品Web地图服务接口;采用HTML5技术实现雷达产品对比分析显示功能。     

基于地闪数据的雷电流幅值累积频率公式探讨

利用天气雷达厂商提供的雷达基数据类 CINRADPolarDat处理解析雷达基数据,对雷达基数据进行解码,实时检索新一代天气雷达体扫基数据,提取回波强度、范围大小、位置等基本信息作为报警判据,并将报警判据分为安全级、观察级、预警级和警报级四个警戒级别进行报警提示。系统通过Microsoft Visual Studio 2005开发环境采用VB60语言编程,实现了新一代天气雷达探测数据实时报警功能,自动判断警戒级别并通过发出文字、声音、手机短信及拨打电话等不同报警方式提醒业务服务人员,避免突发灾害天气遗漏,做到临近突发灾害性天气快速跟踪预警与服务。

     

基于小波域高斯尺度混合模型的天气雷达图像高分辨率插值

采用可精确刻画雷达回波强度数据统计特征的小波域高斯尺度混合（GSM）模型作为雷达图像先验模型,进行天气雷达图像插值,在提高图像分辨率的同时有效重建降水回波中局部强回波值、小尺度变化细节等一些重要空间分布统计特征。分析和总结雷达回波强度数据小波频率域统计特点,建立小波域GSM模型;匹配天气雷达图像小波系数和GSM模型,利用贝叶斯理论估计更小尺度的小波系数,进行小波逆变换,完成高分辨率天气雷达图像插值。试验表明,该算法能从低分辨率图像中估计出高分辨率高频系数,且所利用的先验模型充分考虑降水数据本身的特点,可有效捕获降水回波结构的非高斯特征和局部相关特性,重建雷达图像中的局部变化细节。      

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,T_VR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析T_VR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明:加入T_VR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

复杂地形背景下双偏振雷达数据质量评估方法

针对四川省复杂地形和雷达型号多样的特征,设计了一种以长时间序列统计单/双偏振天气雷达数据质量的评估方法,算法定性评估了天气雷达数据是否存在空回波、电磁干扰和地物干扰的问题,定量评估了雷达Zh(水平极化反射率因子)、Z_(dr)(差分反射率)、CC(相关系数)、Фdp(差分相移)和G_(C)(地物回波系数)的数据质量。通过评估2022年5—9月四川省12部新一代天气雷达基数据的数据质量,得到了如下结果:(1)同频电磁干扰严重影响四川省天气雷达数据质量,超过74%的宜宾和广元站数据存在电磁干扰回波;宜宾和乐山雷达站出现了较多空回波数据;超过77.91%的广元雷达站数据存在风电场地物回波干扰。(2)雷达性能正常时,地物回波系数G_(C)的均值变化不大,G_(C)系数的标准差可以有效反应出雷达数据问题,特别对空回波数据问题比较敏感。(3)四川省12部天气雷达Zh标准差总体较小,绵阳和宜宾站较优,乐山站较差。(4)四川省3部双偏振天气雷达的Z_(dr)和CC数据质量较好,?dp的数据波动较大。     

基于图像处理技术自动判别雷达异常产品

对雷达产品的实时监控是中国气象局气象探测中心运行监控实时业务工作的重要内容之一,因此实现自动化识别雷达异常产品具有重要的现实意义和研究价值。论述基于图像处理技术实现自动识别雷达异常产品,详细介绍系统实现模型及雷达数据异常自动识别算法,其中主要阐述了特征提取、迭代学习器等相关内容。通过对检测出的雷达产品异常产品分析表明,基于图像处理技术的雷达产品异常自动识别系统可以高效的、实时的检测出异常雷达产品,便于技术人员快速发现雷达异常并及时修复,也可作为雷达维修或雷达升级改造的依据,提高雷达的使用效率。     

基于雷达组网拼图的定量降水估测算法业务应用及效果评估

基于雷达组网实时的定量降水估测(QPE)及实时评估系统在浙江省杭州市气象局成功实现了业务应用,在评估雷达定量降水估测业务应用效果的同时,根据雷达反射率因子垂直廓线(VPR)特征,探讨分析了不同类型降水过程中雷达定量降水估测的误差源。系统联合杭州、宁波、舟山、温州、金华及衢州6部新一代天气雷达的基数据资料,以及覆盖浙江省且经反距离加权(Inverse Distance Weights,IDW)法实时质量控制的雨量计观测资料,采用先雷达组网拼图再降水估测的方案,集成Z-R关系法和最优插值法反演与校准雷达定量降水估测数据场。4次不同类型降水过程的评估结果表明:(1)在地物遮挡严重的浙江西北部和雷达覆盖较差的浙江南部,降水估测的雷达反射率因子如果源于0℃层亮带,会导致雷达定量降水估测严重高估;如果源于浅薄层云云系的云顶,会造成雷达定量降水估测严重低估。(2)多种降水类型云系并存,但使用相对单一的Z-R关系,会导致梅雨和台风期间雷达定量降水估测的局部高估或低估。(3)伴随飑线系统的强对流以及台风系统的非对称性也是导致雷达定量降水估测误差的重要原因。(4)联合Z-R关系和最优插值法,有效地降低了雷达定量降水估测的系统误差,但仍然存在大量的局部误差。     

台站级雷达业务综合监控及故障报警系统的设计与实现

在分析新一代天气雷达硬件系统及相关应用软件系统的基础上,研制出台站级雷达业务综合监控及故障报警系统。该系统可全面实时监控各项数据,并根据监控信息发送相应的短信报警及发出报警声音,使值班人员及时发现故障,并进行相应处理,从而提高资料传输质量和雷达运行效率,并可实现雷达无人值守。     

人工影响天气综合业务平台一期建设

中国气象局人工影响天气综合业务平台一期建设任务顺利完成。在该综合业务平台上已实现全国所有固定作业点的飞机、火箭、高炮等作业信息的收集、整理、显示,还基本实现组网雷达基数据的实时屏幕显示和一定延迟下的RHI剖面分析功能,用静止气象卫星高时间分辨率和大范围覆盖数据反演云降水粒子信息的准实时显示,     

多普勒雷达数据在人工影响天气作业指挥中的应用

应用多普勒天气雷达体扫资料的基本数据产品,经过计算得到丰富的雷达二次产品,并结合1∶400万的全国地理信息数据,研制了融入雷达研究成果的天气雷达数据实时处理系统,使多普勒雷达的潜能得到进一步的挖掘。系统不但能自动将体扫资料处理成多普勒雷达的PPI、CAPPI、ETPPI、CR、VIL、RHI和VCS等多种产品,而且应用其产品建立了预警模型,开发了人工影响天气作业的预警、指挥业务化系统,实现了实时指挥人工影响天气作业自动化操作。投入业务运行以来,显著地提高了实施火箭高炮人工增雨、防雹作业的地、市级人工影响天气作业的指挥能力。     

一种雷达回波飑线智能识别的方法

提出一种雷达回波图像中飑线特征自动识别的方法。以多普勒天气雷达探测资料为主要数据源,对雷达探测到的基本反射率的空间分布和强度进行分析,通过数值预处理、高通滤波、二值化降噪、图像特征提取、目标物的中轴线提取,以及飑线形态分析等一系列步骤,实现对雷达飑线特征的智能识别。克服了回波高值区域不连通、碎块化对飑线自动识别造成的困难。通过4次强对流天气个例检验,飑线自动识别的准确率达到75%左右,尤其对呈现直线或劣弧状,且边界清晰的高值回波区,具有更高的识别成功率。该方法将以往需要由气象专业人员主观分析、判读雷达回波图像的工作自动化、客观化,可提高飑线识别、强对流天气预警相关业务的准确性和时效性。      

一种天气雷达天线指向自动检测技术

目前主流业务天气雷达天线指向精度指标为0.1°,实际天线指向精度主要用太阳作为辐射源进行检测。其主要不足是实施太阳法检测雷达需停止正常的业务运转,不能实现自动在线检测,通常业务雷达每月检查一次。目前的大部分业务天气雷达系统内尚无天线指向的自动在线检测办法,而天气雷达是7×24 h的工作模式。产生天线角码的伺服系统包含机械传动装置和电子系统,部分故障导致业务雷达系统天线角码数据误差超过指标,且用户不知情的情况时有发生。提出了一种用激光探测器精度为0.05°的自动在线检测天线角码数据的方法,能满足业务需求,可有效保障带有天线罩的业务天气的雷达角度数据质量。