一种改进后的交叉相关法(COTREC)在降水临近预报中的应用

利用多普勒雷达资料,采用一种改进后的交叉相关法(COTREC)建立了一种降水临近预报方法。COTREC法的基本原理是对传统交叉相关法(TREC)反演的风场进行水平无辐散处理,得到COTREC风场,用新的风场外推得出的回波能够保持平滑连续的形状。但是这种方法也存在缺陷,由于采用水平无辐散限制,使得外推反演得到的风场在不同程度上受到削弱,从而外推后的回波略慢于实况观测的回波。通过引入数值预报平均风场作为TREC风场背景场,较好地解决了TREC风场受到削弱的问题,并用该方法对2007年6月23—24日强雷雨天气和2007年台风“圣帕”两次降水过程进行了预报试验,试验结果表明：采用改进后的交叉相关方法的降水临近预报与雷达实际观测比较一致,可作为台风、强对流等灾害性天气的降水临近预报方法之一。     

台风“罗莎”低空流场与降水中尺度结构的观测资料分析

为了进一步了解台风的水平风场结构和降水雨带的分布特征与台风强度变化的关系,利用观测资料和多普勒天气雷达探测资料对0716号台风"罗莎"的降水云系、反演的水平风场和雷达回波进行分析,结果显示:(1)在台风减弱为强热带风暴以前,低空卷入台风中心的强回波带开始出现分裂;减弱为热带风暴时,低空的强回波带出现明显的分离和断裂。雷达探测的向台风中心卷入的低空强回波带的分离和断裂,可以为台风减弱预报提供参考。(2)多普勒雷达探测资料反演的低空水平风场分析显示,虽然所处的环境风场截然相反,我国和美国两地区的热带气旋在低空存在相似的中尺度流场结构。我国东南沿海即将登陆的台风的西南侧外围与环境风场的交汇处,存在一处气流汇合带和气流辐散带,气流汇合带对应台风南侧的强降水中心。(3)通过多普勒雷达反演的低空水平风场与强度回波的叠加分析显示:台风的螺旋雨带与反演的低空水平风场的中尺度风切变线对应。这种中尺度切变在常规观测中难以发现。     

雷达径向风和反演风联合同化在台风灿都（2010）数值预报中的研究

基于WRF模式及其Hybrid集合-变分同化系统,比较研究了雷达径向速度(V_r)同化和T-TREC(Typhoon-Tracking radar echoes by correlation)反演风同化对台风灿都(2010)分析和预报的影响。为了探索最适合登陆台风预报的雷达资料同化策略,在研究V_r循环同化和T-TREC循环同化的基础上,考虑到两种雷达风场资料各自的优势,提出了合理利用两种雷达风场资料的联合同化策略,即在循环同化的首次分析中同化T-TREC风,而在之后的分析中同化V_r资料。研究三种不同的雷达资料同化策略发现,V_r直接同化虽能改善台风分析和预报,但其依赖于较多的同化次数,这会导致确定性预报的启动时间较晚,不利于台风业务预报。相比之下,由于T-TREC资料观测范围远、风场结构完整,T-TREC循环同化策略只经过较少次数的同化分析即能显著改善台风强度预报;然而受T-TREC资料自身反演误差的影响,增加同化次数反而不利于提高预报效果。当联合利用这两种雷达风场时,联合同化策略在不同同化时间窗下的预报表现均最优。     

多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究

文中试验研究了一个在三维变分框架中直接同化多普勒天气雷达信息,获取雷达覆盖范围内大气风场的技术方案。径向风速是多普勒天气雷达数据中可直接被三维变分同化系统用来反演大气风场的唯一信息。由于风矢量有二或三个分量,径向风速作为风矢量的一个分量,不能为反演风矢量提供足够的信息。如果三维变分同化系统仅仅同化径向风速,所存在的不确定性将可能会给所反演的风场带来错误。文中提出的方案,不仅同化雷达径向风速,还同化雷达回波的移动信息,其关键是将雷达回波强度时空变化转换成一个新的雷达观测变量———雷达“视风速”。由于“视风速”是包含风场信息的变量,这在三维变分同化系统中增加了风场探测信息。通过联合利用“视风速”和径向风速,由单一径向风速确定风矢量所带来的不确定性可以被克服。使用中国气象科学研究院数值预报研究中心开发的三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)和广东省新一代天气雷达的监测资料进行了实例试验,结果表明本技术方案能够对获取大气系统结构是有用和有效的,也可用于形成模式初始场,这对中尺度天气预报是有作用的。     

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.     

三维变分同化雷达视风速的改进方案及其数值试验

用雨滴末速度改进了万齐林等2005年提出的一种直接同化多普勒雷达径向风和回波强度时空变化所包含的风场信息——视风速的变分同化方法。通过理论推导和尺度分析发现,中尺度系统中雨滴末速度具有较大的量级,故该项在雷达回波守恒方程中起着重要作用。在原方案的基础上考虑雨滴末速度的影响,可以避免云团的局地增长作用对视风速的干扰,视风速能更准确地表示雷达回波的平流信息。台风风神的雷达观测资料分析表明,改进方案计算的视风速分布紧密、有规则,能较好地表现台风云系内的中尺度辐合辐散结构。运用中国气象科学研究院研发的三维变分同化系统(GRAPES-3D-Var)进行了一组模拟观测试验表明,改进方案的水平风场增量和位势高度增量都与模拟观测减自由积分的差值场相似,呈偶极型环流,径向风的垂直变化也得到明显改进。改进的视风速与径向风共同反演出的大气水平风场更准确。原方案的模拟观测试验则不能表现出以上特征。使用改进方案同化广州雷达观测资料后,敏感性试验的初始场中台风的中心位置与实况观测更接近,初始风场的气旋性环流更明显。敏感性试验模拟的6h降水分布与实况观测更相似,降水中心强度较小,但优于控制试验。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

一次台风外围局地暴雨的中β尺度风场特征分析

利用新一代多普勒天气雷达资料、常规天气和卫星云图资料,分析了一次远距离台风暴雨的中尺度风场特征。结果表明：此次过程主要受远距离台风倒槽、副高和弱冷空气共同影响,暴雨出现在低层东南风转东北风的区域。单雷达产品显示强回波移动缓慢,速度场中存在逆风区。双多普勒雷达反演风场显示,与逆风区对应的2.0km以下近地层气旋性风场随回波发展逐渐加强,之后形成闭合气旋性环流;随着高度增加反气旋性风场逐渐加强并占主导地位。     

单多普勒雷达反演热带气旋近中心风场的VAP扩展应用方法

在尝试运用VAP方法和扩展VAP(EVAP)方法,对"韦帕"台风期间移动天气雷达(CINRAD/CCJ)观测基数据进行单雷达风场反演时,发现部分区域出现风向、风速不合理的情况.分析认为,在热带气旋近中心区域风向风速变化均较剧烈,而上述两种算法的假定条件难以准确代表风场的实际变化.根据热带气旋发展成熟阶段的气旋环流近似轴对称的特点,文中提出一种新的假定条件,即在与热带气旋中心等距离的圆周上局地风速不变、风向均匀变化,对VAP方法进行扩展应用,称为EVAPTC(EVAP for Tropical Cyclone)方法.对理想模型流场试验及对实际个例的反演结果表明,EVAPTC方法简便,反演误差相对较小,能够基本反映出台风近中心的环流特点,尤其是螺旋云带上的风场特征.例如"韦帕"台风螺旋云带内侧有明显的辐合气流进入螺旋云带,螺旋云带尾部的外围气流绕着云体移动,螺旋云带上的强回波区存在着风场扰动等.     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首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。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

The T-TREC Technique for Retrieving the Winds of Landfalling Typhoons in China

In this study, an extension of the TREC (Tracking Radar Echo by Correlations) technique, named Tropical Cyclone (TC) circulation TREC (T-TREC), is developed to retrieve the winds of landfalling typhoons in China. The T-TREC analysis is performed on a polar grid centered at the TC center, using arc-shaped correlation cells and an arc-shaped search area. The search for the best correlation match is confined along the cyclonic direction with a limited search distance in the radial direction based on the cyclonic circulation characteristics of TCs in the Northern Hemisphere. The TC center is determined objectively using reflectivity data while the Doppler radar radial velocities are incorporated to estimate the search range and create a velocity correlation matrix as auxiliary constraints.     

应用雷达资料的临近预报方法对比试验

选取单部雷达的CAPPI资料,在TREC(Tracking Reflectivity Echo by Correlation)的基础上,引入径向基函数网络、广义回归网络、小波BP网络3种人工神经网络以及支持向量机,对雷达反射率因子进行1h的临近预报研究,并与TREC外推预报的结果进行了比较.使用了命中率、虚警率、漏报率、临界成功指数、相关系数和均方根误差6个指标检验人工神经网络、支持向量机和TREC的预报效果.结果表明:在使用这些指标检验预报效果时设定的阈值对预报结果的评价有影响;网络与TREC以及不同的网络之间的预报结果存在着差异;与TREC相比,支持向量机比TREC总体上能更好地预报未来1h以内强对流性天气的发展变化情况.     

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。     

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。      

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。     

Farneback光流法在雷达回波追踪中的应用

本文基于Farneback光流法实现了雷达回波追踪,并选取不同天气类型的雷达资料进行测试评估,结果表明:利用Farneback光流法估算的位移场空间分辨率和准确度均较高,空间分辨率为1 km,风向风速与实况吻合,能清晰刻画出风场中的辐合辐散结构。利用主观对比法和客观指标计算法与交叉相关法(TREC)作对比,表明利用Farneback光流法得到的回波位移场精度优于TREC法,应用前景良好。     

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。     

改进的TREC算法在奥帆赛测试期的应用

基于青岛的新一代天气雷达,计算TREC数据,并对TREC数据的质量控制进行设置,以剔出杂波引起的孤立TREC数据,根据TREC法得到的回波移动进行雷达回波移动外推。给青岛奥运会帆船赛测试赛起到了较好的保障作用,并详细分析了2006年8月26日的一次强天气过程,利用TREC法得到的回波移动产品对该过程从回波移动方向上进行了分析,并用PUP产品进行效果检验。结果表明：TREC算法对于天气过程的雷达回波移动趋势预测有较好的效果,它能大致反映出3km高度的水平流场运动方向和速度。通过分析还发现,该算法对于预报强天气过程雷达回波的移动,进行雷暴等灾害性天气预警．有一定的指导作用．     

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.     

THE TEST OF APPLYING RADAR TREC WIND IN THREE-DIMENSIONAL VARIATIONAL ASSIMILATION

1 INTRODUCTIONThat the radar data are reasonably ingested into theassimilation analysis system to improve the analysisquality and prediction precision is one of the problemsmeteorologists currently try to resolve. Many scholarshave already obtained some r…