基于雷达反射率因子和雷电定位数据的深度学习雷电预报模型

利用卷积神经网络和门控循环单元（Gated recurrent units ）神经网络，基于雷达反射率因子和雷电定位数据开展了雷电预报研究。首先构建了引用注意力机制的基于卷积神经网络和门控循环单元神经网络的深度学习模型（Attention ConvGRU）；然后将雷达反射率因子数据和对应时间段（6 min）的雷电定位数据处理成图像数据后输入深度学习模型，训练出可预报雷电的模型，包括3种模型：单雷电数据模型、单雷达数据模型和雷电〖CD*2〗雷达双数据模型；最后开展了预报试验和定量评估。综合评估表明，本文建立的雷电预报模型综合预报准确率达到96.74%，虚警率35.83%，关键成功指数（Critical Success Index, CSI）为0.2072。个例分析表明，预报模型对于具有明显移动趋势的雷暴过程（A类雷暴）的预报效果优于不具有明显移动趋势的雷暴过程（B类雷暴）,且随着B类雷暴强度减弱模型预报能力逐渐减弱。     

雷电天气短时临近预警报系统

用1996～2005年Micaps系统高空、地面报文资料和福建省地面气象观测站的雷暴实况资料,分析福建雷暴气候特征、雷暴天气系统类型;从产生雷暴天气的物理条件,统计分析得出福建雷暴天气的物理预报因子及不同季节的预报指标;用2003～2005年龙岩市雷暴实况资料和龙岩新一代多普勒天气雷达产品CR及ET资料,统计得到不同季节产生雷暴天气的龙岩新一代多普勒天气雷达产品预报指标.研制福建0～12h雷电天气预警及龙岩市0～1h雷电天气短时临近预报系统.     

江苏地区夏季雷暴的雷达回波特征研究

为提高江苏省地区雷暴监测预警能力，利用S波段双偏振多普勒天气雷达雷暴探测回波资料和闪电定位资料对江苏省2014年7—8月的夏季雷暴进行特征研究，研究了雷暴反射率核心区域的演变特征、不同温度层反射率因子与地闪频数随时间的相关性问题和雷暴发展过程云内粒子的演变特征。研究结果表明：在雷暴成熟之前，雷暴的反射率因子核心区域的强度、高度和云顶高度不断增加，以及对流发展旺盛，当雷暴成熟之后，雷暴的强反射率因子核心的强度和对应高度就会不断降低，雷暴将趋于消散；雷暴能够发生闪电的主要特征是40 dBZ回波顶高度要高于0℃温度层高度；雷暴中闪电的产生和霰粒子有着密切的联系，尤其是湿霰粒子。     

冀东地区冰雹云多普勒雷达参数特征分析

利用2008—2015年冀东地区发生的36个冰雹个例,通过秦皇岛多普勒天气雷达资料反演出冰雹发生时雷达的各种参数,提取各种参数与冰雹发生时的关系。研究结果表明冰雹发生时,基于风暴的最大基本反射率因子、风暴顶高、垂直累积液态水含量平均值分别为62 dBz,9. 9 km,51. 6 kg·m~(-2),0℃层以上平均风暴厚度为5. 8 km,0℃层和-20℃层之间厚度平均值为3. 1 km,风暴最大基本反射率因子所在高度为4. 6 km,风暴平均移动速度为9 m·s~(-1)。不同尺寸的冰雹雷达参数变化不大。在冰雹发生过程中,两个体扫间风暴的最大基本反射率因子平均最大跃变为7 dBz,风暴顶高平均最大跃变为6. 7 km,垂直累积液态水含量平均最大跃变为17 kg·m~(-2),这种跃变的出现比冰雹发生时刻平均提前39、30和25 min,可以作为冰雹发生前的重要判断依据。此外还对WSR-88D冰雹算法进行了评估,结果表明,该算法的命中率较高,虚警率也较高,算法对冰雹的预报提前量平均为43 min左右,冰雹尺寸的预报结果偏大。     

基于风廓线雷达资料的亮带识别订正算法研究

在降水过程中,固态降水粒子下落穿越0℃等温线的融化效应会引起雷达反射率因子增大,产生亮带。文章基于北京房山地区的边界层风廓线雷达的探测资料,对2014年8—10月四次典型的层状云降水和以层状云为主的混合性降水过程进行特征统计,提出了适用于该季节、该地区的0℃层亮带自动识别订正算法,并使用这种算法对一次层状云为主的混合性降水天气过程进行了识别研究,通过与探空资料、多普勒天气雷达资料的对比检验,结果表明该算法可以有效识别该季节、该地区的0℃层亮带,通过亮带订正,融化区的回波强度高值区得到了有效抑制,原亮带高度附近回波强度廓线的显著弯曲消失,融化区之外的回波强度基本没有变化。     

江西副高边缘雷暴大风雷达拼图回波特征分析

利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和雷达拼图等资料，采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像、回波廓线等分析方法，对2020年7月11日江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行分析，结果表明：1）副热带高压控制或边缘上，江西上空100 hPa是东北风，500 hPa是西南风，高空呈现逆时针环流，T-lnP图上层结不稳定，对流有效位能CAPE （Convective Available Potential Energy）面积较大，对产生强对流天气有利；由于上下两层的风向不同，使得雷暴回波系统的移动与回波系统的云砧伸展方向不一致，从而加剧了对流上升运动，使得雷暴回波系统发展、加强、维持。2）回波产生初期是局地对流单体回波，通过不断新生单体和单体合并等方式，形成南北走向的回波短带，这种合并形成的回波短带发展旺盛时，会产生多站雷暴大风天气。3）南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征，虽然回波强度只有55 dBZ，但移动速度较快（60～70 km/h），造成地面大风。江西WebGIS雷达拼图上叠加多部雷达风暴跟踪信息STI （Storm Tracking Information），可以明确风暴的移动方向和移动速度，根据STI密集区判断，增加了STI的可用性。4）“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向。“延伸”回波一定程度上表现出副高边缘雷暴回波系统的强弱程度。为改进副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报准确率提供依据。     

0℃层高度的变化对冰雹融化影响的分析和应用

通过冰雹融化过程的热量平衡公式得到0℃层高度与冰雹融化能力的近似关系,分析小尺度冰雹条件下0℃层高度对0℃层冰雹半径和地面冰雹半径的影响。结果表明：地面冰雹半径随0℃层冰雹半径和0℃层高度变化,设定冰雹云判别的雷达回波高度和中心强度等指标时应考虑0℃层高度变化的影响;0℃层高度在2000~6000 m范围内时,0℃层冰雹最小半径临界值在0.32~1.08 cm,临界降雹的最小上升气流速度在11.5~21.2 m·s-1;结果分析可初步了解0℃层高度对冰雹融化的影响,为冰雹预报及人工防雹作业提供重要参考依据,降低通过WSR 88D增强HDA算法做冰雹尺寸预报的虚警率。     

鹤壁市雷暴短时监测和临近预报流程

利用卫星云图数字化资料、雷达探测和雷电定位探测资料对雷暴天气进行短时监测 ,并与多种短期预报方法集成 ,建立时效为 3～ 6小时的雷暴临近预报流程 ,从而达到预测强对流天气之目的。     

雷暴与强对流临近天气预报技术进展

临近预报指0—6h(0—2h为重点)的高时空分辨率的天气预报,预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象,主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、沙尘暴、低能见度(雾)、天空云量等,其中,以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。综述了针对雷暴和强对流天气的以主观预报为主、结合客观算法的临近预报技术,同时讨论了高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料(常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等)对雷暴生成、发展和衰减,特别是对强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨)的临近预报,客观算法包括几种应用最广的雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别技术。高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效,与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流近风暴环境的判断提供重要参考。     

雷电临近预警方法和系统研发

为满足高速发展的现代社会对雷电预警预报气象服务日益增加的需求,中国气象科学研究院研发了雷电临近预警系统(CAMS_LNWS).CAMS_LNWS采用了多资料、多参数和多算法集成的雷电临近预警方法,能够综合利用雷达、卫星、闪电监测系统、地面电场仪和探空仪等的观测资料,参考天气形势预报产品和雷暴云起电、放电模式运行的结果,结合区域识别、跟踪和外推算法与决策树算法,自动生成雷电活动潜势预报结果和雷电临近预警结果,并提供多种形式的雷电临近预警产品,以满足不同的应用需求.该系统人机界面友好,参数接口丰富,简单易用,有利于在各地区的推广应用.同时该系统采用了模块化的结构设计,具有灵活的扩充性,便于今后对预警方法的不断升级和改进.