基于多普勒天气雷达的火情自动识别系统

新一代多普勒天气雷达(CINRAD-SA)具有探测森林火灾的能力,由于火灾雷达回波的空间尺度仅为降水回波的几分之一甚至小几个量级,且混合在杂波中,因此难以被及早发现.为了使雷达自动识别火情(火灾)成为可能,文章提出并详细讨论了自动识别火灾回波的“火灾杂波过滤法”,以及利用非零速度距离库数和反射率距离库数来过滤降水回波的“降水回波过滤法”,并在此基础上研制了基于多普勒天气雷达的火情自动识别系统.在长达一年半时间的试运行中,系统监测到温州辖区内近百起火情,它对火情预警的命中率(POD)、误警率(FAR)和临界成功指数(CSI)分别为79％、4％和76％.在有效监测范围(距离雷达站半径约110 km)内,该系统能对森林(草原)火情进行自动识别、定位和报警,并提供每6 min一次的连续跟踪监测.这种新的火情自动识别和监测方法可为森林消防指挥部门提供更为及时、准确的火情动态信息,也为多普勒天气雷达拓展了新的应用领域.     

森林火灾的 CINRAD/SA 雷达监测

对 2007 年浙江省南部地区 10 次距离雷达站 5～100 km、不同规模的森林火灾进行分析,发现温州新一代多普勒天气雷达 CINRAD/SA 能对森林火灾进行监测.雷达分析发现,火灾引起的回波具有水平尺度小、回波顶高度低、回波强度强等和地物回波相类似的特征,径向速度图上一般有辐散速度对的出现,并具有不同于气象回波的特征.受地理位置和天气系统等影响,发生在大陆山区的森林火灾其回波特征较海岛和沿海山区的森林火灾更为显著.本文还对应用雷达监测森林火灾的前景和局限性进行了分析.雷达回波可以识别、监测不同规模森林火灾的发生和演变,为森林火灾的监测提供了崭新的手段,也为多普勒天气雷达的应用拓展新的领域.     

C波段高山天气雷达对森林火灾的探测能力初析

借鉴前人在S波段新一代天气雷达上探测森林火灾和城市大火烟尘的方法和研究成果,利用收集到的云南十部C波段新一代天气雷达的34次森林火灾个例资料,立足云南C波段高原高山雷达的一些特点,采用分类对比进行分析研究,得出C波段高山雷达森林火灾回波的一些特有指标。提出按雷达海拔高度分别设置森林火灾判别阈值、引入速度场特征、降水回波过滤等一些新指标和方法,进行这类地区的雷达森林火灾探测。随后开展了业务实践,经检验和实地踏勘,取得了一定效果。证明C波段雷达同样具有一定的探测森林火灾回波的能力,主要技术指标有:高山雷达由于海拔高差的影响,应分别针对不同雷达设置相应的阈值参数;根据森林火灾回波的上升和飘散特性,雷达回波速度场与周围回波有时呈现出一定差别;采用过滤晴空回波、过滤杂波、过滤地物回波、过滤二次回波、过滤降水回波、识别速度场特殊回波等办法,可得到滤出的火灾烟尘疑似回波。这些指标和方法对西部高山雷达探测应有一些参考作用。     

评CTL-88B型天气雷达地物回波抑制器

引言 省台装备CTL-88B型天气雷达后,发现地物回波严重,影响业务观测,厂方于1995年2月份来台解决,加装了地物回波抑制器,结果发现近距离不仅地物回波被抑制,降水回波也被抑制掉了,本文讨论一下这个原因,并对地物回波抑制提出展望。 1 地物回波 所谓地物回波,是指雷达发射的电磁波遇到地面障碍物(如山、树木,建筑物等)发生反射而接收到的回波。由于雷达没有自动选择目标的能力,所以雷达开机时,不仅仅只收到我们所期望的降水回波,同时也把地物回波接收进来。正常观测时,雷达天线仰角低,本站周围地形又比较复杂,遮挡物多,因而地物回波严重,干扰了对近距离降水回波的监测。     

一次降雨过程风廓线雷达特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据和自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究了降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450-950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气的监测。     

一次降雨过程风廓线雷达回波特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据与自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450—950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气监测提供参考。     

风云三号降水测量雷达技术性能分析

风云三号降水测量卫星主要用于台风等灾害性天气系统强降水的监测,并提供全球中低纬度地区降水的结构信息。降水三维结构的准确测量是通过风云三号降水测量卫星的核心载荷——双频降水测量雷达实现的。首先介绍了风云三号降水测量雷达的主要任务与探测能力要求,然后通过仿真技术对降水测量雷达距离分辨率、水平分辨率、扫描角度、天线旁瓣电平、测量精度、波束匹配精度等主要技术性能指标进行了详细的分析。最后,利用于2010年开展的降水测量雷达样机航空校飞试验评估验证了降水测量雷达的各项功能和主要性能参数。结果表明,风云三号降水测量雷达整体降水探测性能与全球降水测量卫星的双频降水雷达相当。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

引发湖南特大暴雨山洪的MCS回波发展和演变

由MCS引发的暴雨是造成湖南山洪地质灾害的主要因素之一.新一代天气雷达对此类天气系统有强的监测和预警能力,在对较大范围的降水估测、获取降水和降水云体的风场结构等方面有很好的应用前景.本文以2005年5月31日～6月1日湖南特大暴雨山洪过程为例,介绍了引发这次山洪地质灾害的MCS雷达回波的发展和演变,分析了回波特征与地面雨量的关系,总结了强对流发生、发展的径向速度变化,讨论了风廓线在预测强对流天气中的应用,为雷达监测、分析和预测同类灾害提供参考.     

雷达降水资料一维变分同化研究——湿度廓线调整

采用η坐标中尺度有限区域模式进行了数字化天气雷达探测降水资料的一维变分(1DVAR)同化试验,结果表明充分利用高时空分辨率的雷达降水资料所包含的丰富的中尺度信息,调整湿度廓线,从而改善模式初始湿度场,能有效提高模式暴雨预报能力。“98·7”鄂东沿江特大暴雨的数值试验结果表明,应用1DVAR方法同化1h雷达降水资料调整模式湿度廓线后,极大地缩小了分析降水与观测降水间的差距,而且24h预报能模拟出与实际降水发生区域相对应的位于鄂东的大暴雨区,而变分前模式预报效果不佳。进一步的分析表明,应用雷达降水资料对短时预报(0～12h)的改进更为显著,而对12h之后降水预报的改善则不明显。     

两次火情的新一代天气雷达回波特征分析

新一代天气雷达探测到的回波,除了降水回波以外,还有许多被认为是"杂波"的回波,经过科研和业务人员的大量统计研究后,发现存在多种有用的回波。本文主要分析林火、城市火灾、爆炸等引起的火情回波,并分析得出其回波特征。由于林火较为典型,介绍了林火回波的特征及鉴别原理,并提出了识别林火回波业务化应用的流程。对2015年1月23日一次典型的林火和2015年4月6日漳州古雷PX项目油库爆炸,详细分析其火情回波特征。     

湖南一次重大森林火灾人工增雨作业条件与效果分析

人工增雨作业是森林灭火的一个重要科技手段,作业条件预报与作业时机的把握是作业成败的关键。本文以湖南省“20130810”大乘山重大森林火灾人工增雨作业情况为基础,利用多种气象资料对作业条件预报与作业方案设计进行分析,采用作业前后雷达回波参量变化、最大相关系数的雷达回波跟踪法（TREC）对作业效果进行评估。结果表明：大乘山重大森林火灾人工增雨作业通过捕捉台风外围边缘快速生消的积云云系,有效地让局地积云降水降落到了位置相对集中的火场,8月15日第7、第8次地面人工增雨作业15 min后雨势加大,有效压制火势,及时解救了火场被困人员;8月16日第11次作业为明火扑灭发挥了重要作用。针对局地积云开展森林灭火人工增雨作业,使用火箭、高炮等地面装备更容易抓住作业时机,针对大范围的积层混合云系更适合开展飞机增雨作业,飞机在火情侦察拍照和气象探测等方面能发挥重要作用。     

基于模糊逻辑的分步式超折射地物回波识别方法的建立和效果分析

超折射地物是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素,文中使用合肥、广州、温州、天津的SA多普勒雷达和上海的WSR-88D资料分析了混合性暴雨降水、对流性降水、地物回波的回波强度、径向速度、速度谱宽的取值范围、水平垂直变化及其地物回波与地形海拔高度的关系等特征,并确定了模糊逻辑识别超折射地物的隶属函数。在Kessinger方法基础上,考虑到雷达径向速度的距离模糊问题和地物回波与方位的关系,提出了基于模糊逻辑的分步式地物回波识别方法,通过调整已被严格标准识别为地物和非地物的邻近区域回波点的判据,来减小地物的漏判和降水回波的误判。利用降水回波、地物回波的个例资料分析了回波强度、径向速度和速度谱宽资料在识别地物回波中的贡献,分析了分步方法对地物回波识别效果的改善。结果表明:该方法能较好识别地物回波和降水回波,径向速度和速度谱宽资料在地物识别中作用明显,利用分步方法明显改善了在速度模糊区暴雨过程对流云团被误判为地物的概率。     

S波段双线偏振雷达KDP参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量的参数K_DP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测K_DP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制。探讨总结了K_DP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的K_DP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法K_DP计算的影响;同时研究了雷达实测K_DP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系显示,5 km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;同时,K_DP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用K_DP来估算反演降雨强度。     

S波段双线偏振雷达K_（DP）参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量参数KDP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测KDP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制,探讨了KDP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的KDP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法KDP计算的影响。同时研究雷达实测KDP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系表明5,km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;KDP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用KDP来估算反演降雨强度。     

一次冷锋云系的宏微观物理特征分析

利用常规气象资料、自动站资料、卫星云图、CINRAD-SA多普勒天气雷达资料以及NCEP再分析资料,结合飞行探测数据,对影响2011年4月17日河北抚宁县森林大火的一次冷锋云系进行分析.结果表明:1)宏观分析,过程降水的水汽仅来自冷锋自身所携带的微弱水汽,水汽辐合值较小,不利降水;2)微观分析,冷锋层状云系在水平和垂直方向上存在较薄的过冷水云区,小粒子数浓度大于20 cm^-3的云区占一定比例.飞机催化作业后,雷达回波强度增强,CAS(云气溶胶粒子探头)探测的小粒子数浓度、云含水量及粒子平均直径均有明显变化,说明该次冷锋云系有一定的增雨潜力.     

Short-Term Dynamic Radar Quantitative Precipitation Estimation Based on Wavelet Transform and Support Vector Machine

Currently, Doppler weather radar in China is generally used for quantitative precipitation estimation (QPE) based on the Z-R relationship. However, the estimation error for mixed precipitation is very large. In order to improve the accuracy of radar QPE, we propose a dynamic radar QPE algorithm with a 6-min interval that uses the reflectivity data of Doppler radar Z9002 in the Shanghai Qingpu District and the precipitation data at automatic weather stations (AWSs) in East China. Considering the time dependence and abrupt changes of precipitation, the data during the previous 30-min period were selected as the training data. To reduce the complexity of radar QPE, we transformed the weather data into the wavelet domain by means of the stationary wavelet transform (SWT) in order to extract high and low-frequency reflectivity and precipitation information. Using the wavelet coefficients, we constructed a support vector machine (SVM) at all scales to estimate the wavelet coefficient of precipitation. Ultimately, via inverse wavelet transformation, we obtained the estimated rainfall. By comparing the results of the proposed method (SWT-SVM) with those of Z = 300 × R1.4, linear regression (LR), and SVM, we determined that the root mean square error (RMSE) of the SWT-SVM method was 0.54 mm per 6 min and the average Threat Score (TS) could exceed 40% with the exception of the downpour category, thus remaining at a high level. Generally speaking, the SWT-SVM method can effectively improve the accuracy of radar QPE and provide an auxiliary reference for actual meteorological operational forecasting.     

QVP方法在双偏振雷达冬季降水观测中的应用

双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备,为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性,选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程,基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料,采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子Z_H、差分反射率Z_DR和相关系数ρ_hv的高度-时间廓线。基于QVP,结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据,分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征,同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明:QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化,并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时,对于非连续性或非均匀性质的降水系统,有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述,QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析,为冬季降水相态短时临近预报提供依据。