新一代天气雷达在临近预报和灾害性天气警报中的应用

利用新一代天气雷达制作临近天气预报和灾害性天气警报,必须从天气雷达观测入手.需根据临近预报和灾害性天气警报需求制定观测方法.不同预报对象,要采取不同的雷达资料的数据处理方法,以便突出预报对象的回波特征.制作临近预报和灾害性天气警报的主要依据是雷达回波分析,掌握回波演变的全过程是雷达回波分析的基础,根据回波特征判断识别影响本地区的天气系统,通过回波分析判断回波的未来发展趋势.为了从回波上识别灾害性天气,需要建立各种灾害性天气的识别判据和方法.预报的主要方法是外推法,但预报结果还需要预报员根据预报经验最后作出预报结论.为了做好临近预报和灾害性天气警报,建立预报流程是非常重要的.     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。     

雷达回波外推预报的误差分析

基于天气雷达资料的外推预报是灾害天气临近预报的基础,选取4次强降水过程分析了外推预报的误差.主要分析方法包括3个步骤:(1)采用多尺度回波跟踪方法确定雷达回波的运动场;(2)采用半拉格朗日平流方案对雷达回波进行外推;(3)预报结果和观测结果进行对比.利用去相关时间方法分析了雷达回波的可预报性,利用预报技巧评分和相对绝对误差对外推预报的误差进行了定量分析.此外,还分析了外推预报的误差与尺度之间的关系,以及外推预报中的不确定因素 回波强度变化和回波运动场变化在预报误差中的相对重要性.这4次强降水过程的误差分析表明,预报误差随预报时效的变化基本上是以指数规律递减的,大尺度的降水系统对应较长的持续性,对于发展演变较快、尺度较小的风暴,其持续性较短.     

一次风雹过程的711雷达回波分析

对乐山市2001年8月7日出现的风雹天气,利用711数字化雷达资料进行雷达回波分析,为短时预报和服务提供依据,发挥雷达在短时预报服务中的效益,为使用数字化雷达资料提供一些帮助.     

利用3维变分方法同化多普勒天气雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的3维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,针对2003年7月4-5日的一次暴雨过程进行了一组同化多普勒天气雷达径向风和回波强度资料的试验研究.其中同化径向风资料的方法是先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场;同化雷达回波强度资料的方法是通过雷达回波强度与雨水混合比的经验关系以暖雨过程为约束的同化方法.试验结果表明同化雷达资料后对降水预报有显著的正作用.其中单独同化雷达回波强度资料的正作用在前3～6 h效果非常显著;单独同化反演的水平风场对降水预报的正作用能持续12 h;二者同时同化对提前9 h的降水预报改进更加明显.     

1996～2002年桃仙机场夏季雷暴回波参数对比分析

根据1996～2002年沈阳桃仙机场6～8月雷暴观测资料和雷达回波资料,从雷达回波最大高度、强回波高度(大于等于40.0 dBz)、回波强度及回波移向移速等4个方面对桃仙机场有无雷暴的雷达回波资料样本进行了对比分析,揭示了桃仙机场的雷暴变化特征,并得出了一些识别雷暴的预报指标和预报着眼点;通过对统计资料独立检验,效果较为明显。     

一次冰雹天气过程的雷达回波分析

从天气背景、雷达回波演变特征的角度分析2003年4月13日的冰雹天气过程,并利用单站资料和雷达回波进行冰雹天气短时预报做出总结.     

三维变分和物理初始化方法相结合同化多普勒雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分(3D-Var)同化系统WRF 3D-Var为平台,结合物理初始化方法(Physical Initialization,简称PI)来同化多普勒雷达径向风和回波强度观测资料.其基本做法是首先用物理初始化方法由雷达回波资料估计出比湿、云水混合比和垂直速度,然后用估计的比湿和云水混合比对模式的相应变量进行调整,最后再将估计出的垂直速度作为一种新的观测类型添加到现有的WRF 3D-Var目标函数中,同时以WRF 3D-Var提供的方法直接同化径向风.针对2002年6月19日的一次强对流性降水过程和2003年7月5日的一次梅雨锋暴雨过程进行了一组同化多普勒雷达径向风和回波资料的试验研究.同化结果表明:分析变量的增量场和观测的雷达回波有很好的对应关系.在雷达回波区,有正的比湿增量、云水含量增量和垂直速度增量,并且水平风增量在此辐合;在没有雷达回波的地方有负的垂直速度增量.预报结果表明,调整云水含量对降水预报改善不明显,调整比湿对降水预报改进明显,直接用物理初始化估计出的垂直速度替代模式的初始垂直速度,对降水预报改进不明显,但以新的方案同化雷达资料能有效地缩短模式的起转时间(spin-up time),明显改进短时降水预报.     

1996-2002年桃仙机场夏季雷暴回波参数对比分析

根据1996～2002年沈阳桃仙机场6-8月雷暴观测资料和雷达回波资料，从雷达回波最大高度、强回波高度（大于等于40.0dBz）、回波强度及回波移向移速等4个方面对桃仙机场有无雷暴的雷达回波资料样本进行了对比分析，揭示了桃仙机场的雷暴变化特征，并得出了一些识别雷暴的预报指标和预报着眼点；通过对统计资料独立检验，效果较为明显。     

713雷达灾害性天气监测预报系统

利用１９８４ ～１９９７ 年４ ～９ 月驻马店地区雷达探测资料,结合同期高空图、传真图、卫星云图资料,根据不同天气系统下雷达回波的移动规律,采用 Ｆｏｘ Ｂ Ａ Ｓ Ｅ＋ ２ ．１０ 语言在计算机上开发建立了７１３ 雷达灾害性天气监测预报系统。该系统可将实时的雷达回波资料处理后,通过地县计算机网络下传雷达回波信息与短时预报。     

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。     

一次致洪暴雨的多普勒雷达回波分析

利用常规观测资料和多普勒雷达探测资料,对2010年7月9日凌晨发生在重庆市万州区西部的大暴雨过程的天气形势和雷达回波特征进行了分析,着重从强度PPI、速度VPPI、回波顶ET、垂直积分液态含水量VIL等多普勒雷达产品资料分析其特征。初步探讨了副高边缘弱西南气流下我区短时强降水天气的多普勒回波特征,积累经验,为暴雨的临近预报预警建立预报指标提供依据。     

基于ConvLSTM的广西短临降水预报

针对传统雷达回波外推算法在快速增长或消散降水过程预报精度较低的问题,利用华南雷达回波拼图资料数据,建立ConvLSTM回波外推模型,对广西区域范围进行短临降水预报研究.采用气象业务中的正确率(POD)、临界成功指数(CSI)及误报率(FAR)评判标准检验预报模型,并将ConvLSTM与光流法的预报结果进行对比分析.结果 表明,ConvLSTM模型的CSI、POD分别比光流法提高0.06和0.059,而FAR下降了0.058.ConvLSTM方法比光流法的回波外推预报准确率高,该方法可为广西短临降水预报提供新的参考.     

用多普勒雷达对三次强对流天气的短时预报对比分析

利用2006年6月12日夜间、7月12日凌晨和7月12日夜间天津地区3次强对流降水过程的多普勒雷达产品资料,对比分析发现:在降水的开始和成熟阶段,多普勒雷达径向速度场的变化一般先于回波强度场的变化,在做降水短时预报时应重点关注多普勒雷达径向速度场的变化,同时还可参考Auto-nowcaster系统的预报结果,通过判断未来雷达回波的强度变化及移动方向,提高对强对流降水过程的短时预报准确率.     

利用雷达回波特征和地面资料确定0312号台风"科罗旺"强度

通过分析0312号台风"科罗旺"过程的雷达回波特征和地面资料,应用"热带气旋强度综合判据表"的办法,确定该台风的强度,并分析其大风分布的特点.为将来雷达探测台风业务,分析回波资料积累一些经验和方法,从而能更好的利用雷达回波应用于台风预报业务.     

一次暴雨过程的新一代天气雷达回波分析

利用新一代天气雷达对2006年8月10日暴雨的雷达回波资料进行分析,得出了影响龙江、齐齐哈尔、泰来等不同的雷达回波特征。分析了暴雨过程中的低空强风区、逆风区的雷达回波特征,通过对它们的识别,为暴雨的临近预报提供预报依据。     

利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报

通过对近两年收集的降水过程的雷达回波资料进行统计分析,得到本地区主要降水过程类型及其回波演变特征;利用反射率因子的基数据和风廓线产品数据等资料,运用交叉相关法计算区域速度、读取风廓线得到环境风速度,自动判别降水回波类型、识别回波整体及单体移动速度;应用本地实时的dBz-I关系及线性外推法计算未来1～2 h站点降水量及面雨量,实现降水临近预报自动化;应用自动站雨量资料及雷达联合自动站资料所作的雨强实时分析场对1 h站点雨量预报及区域雨量预报进行初步检验,1～24.9 mm和≥25 mm以上站点预报的平均相对误差分别为58%、33%;区域雨量预报的雨区范围及中心分布与实况具有较好的一致性;2 h降水预报在回波较稳定时,仍有较好的预报效果.     

三小时降水定量预报的雷达模式

根据雷达气象方程,推导得出了雷达回波立体资料预报短时降水的数学模式。然后对其主要因子进行了讨论;并在考虑数字化雷达回波立体资料实际情况的基础上,对模式进行了简化,最后通过格点应用,建立了有限区间短时面雨量预报模式。     

雅安区域暴雨的雷达回波特征及预报规则

本文利用雅安雷达回波资料,分析了暴雨的雷达回波结构及其演变规律;统计了午后回波的性质、强度、移向移速等与后期暴雨的关系,归纳出了短期短时暴雨雷达回波预报规则。     

深度学习模型在2021年汛期武汉市雷达回波临近预报中的应用评估

近年来，人工智能技术在图像识别领域取得了突破性进展，为探寻人工智能模型在武汉地区雷达回波临近预报中的应用价值，本文利用湖北武汉市2015—2020年雷达回波和降水量观测资料，对PredRNN++、MIM、CrevNet和PhyDNet 4种深度学习模型进行雷达回波临近预报训练，并基于2021年汛期雷达回波资料进行雷达回波临近预报。在此基础上，通过降水强度和降水面积指数筛选降水过程，并以均方误差（Mean Square Error, MSE）、结构相似性指数（Structural Similarity Index Measurement, SSIM）、命中率（Probability of Detection, POD）、空报率（False Alarm Rate, FAR）和临界成功指数（Critical Success Index, CSI）为指标，检验评估上述4种深度学习模型和光流法对2021年汛期武汉地区雷达回波的临近预报性能。结果表明：（1）整体来看，MIM模型的MSE最小、POD最高，MIM和PredRNN++模型的SSIM并列最高；所有深度学习模型的FAR均低于光流法，且Phy...