S波段多普勒天气雷达非降水气象回波识别

在气象条件为晴空或有云但无降水的情况下,在雷达站附近经常可观测到大面积的非降水气象回波,这些回波对定量估测降水和雷达资料同化效果产生重要影响。为了有效识别这些非降水回波,该文发展了基于模糊逻辑识别和回波分块的非降水气象回波识别算法 (NPMDA)。该文首先利用地面和卫星资料为标准,提出了非降水回波的确定标准,并利用北京SA雷达,对非降水气象回波特性进行了统计分析,得到了隶属函数。在非降水回波识别时首先采用SCIT算法将回波组合成片,然后对整个PPI进行初步的判断。对不能初步判断为降水的PPI,采用模糊逻辑的方法计算成片回波的属性值,依据成片回波的属性值得到片内回波逐点识别时的阈值,从而实现了回波的动态阈值识别。结果表明:对大部分非降水气象回波识别效果较好,对较强降水回波误判较少,弱降水回波有时会出现一定的误判。与NCAR使用的ICADA方法相比,NPMDA方法能明显提高非降水回波的识别率,减少降水回波的误判率。     

基于气象卫星资料的天气雷达非降水回波消除方法

在分析天气雷达回波与卫星云图的基础上,利用"点对块"的匹配方式对雷达、卫星资料空间一致性进行处理,提出了基于气象卫星(Himawari-8)高时空分辨率资料的天气雷达非降水回波消除方法,并选取晴空非降水回波分布较广的华北、华中和长江中下游地区为研究范围,以地面气象观测的降水资料为标准,对降水和非降水条件下卫星资料红外亮温(TBB)特性值进行统计分析,得到TBB的概率分布,采用红外亮温阈值法进行天气雷达非降水回波的消除。选取2016年7月1—30日地面气象观测资料对该方法消除效果进行检验评估,该方法的正确识别率达88.5%。个例效果检验表明:该方法能够有效地识别消除大部分非降水回波,在基于现有天气雷达资料质量控制方法的基础上可进一步提高雷达数据质量;该方法对无云条件的非降水识别率较高,对降水回波误判率较低,但对有云条件下的非降水回波识别率较低。     

S波段WSR-88D双偏振雷达观测非降水回波识别方法研究

与新一代天气雷达相比,双偏振雷达能发射水平和垂直极化偏振波,具有更多的测量信息,利于区分降水和非降水回波,在雷达定量估测降水中发挥着重要作用。本文根据双偏振雷达的测量变量(水平反射率、差分反射率和相关系数)及降水与非降水回波的结构特征,发展了一套S波段双偏振雷达数据质量控制算法,重点研究晴空回波和生物回波的识别。利用上海南汇WSR-88D偏振雷达的观测数据做测试和评估,评估结果表明该算法对南汇偏振雷达非降水回波识别准确率达93%以上,且对降水回波的误判率仅为3.82%。     

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。     

乌鲁木齐市强降水雷达回波特征分析及预报研究

利用乌鲁木齐市2004年和2005年的夏半年(5月至9月)新一代雷达降水模式的产品资料及相应的天气图、实时降水量等资料,对乌鲁木齐市强降水个例的降水时雷达回波强度和范围、不同类型性质降水的移速及移向进行了分析研究。得出:当强降水过程(1h内)组合反射率因子强度都在35dBz以上,并出现强度40dBz以上、范围在20km×25km以上且能移过当地时就会出现1h降水量>6mm以上的强降水,概率达75%。当出现强度40dBz以上、范围在20km×25km以上并有成块的>50dBz以上强度的回波且能移过本地时,则会出现雨强很大的短时强阵性降水;连续性强降水的雷达回波移速平均为0.5km/min,阵性强降水雷达回波移速为1km/min;利用雷达产品中速度方位显示风廓线(VWP)的4～5km高度的风向做雷达回波移动方向的临近预报。所得结果应用价值大,对乌鲁木齐市短时临近强降水预报具有一定的指导性,在短时临近强降水预报的服务工作中将会产生很大的社会效益和经济效益。     

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。     

多普勒天气雷达地物回波特征及其识别方法改进

非气象因子会在雷达探测时对雷达资料造成污染,并导致雷达数据的质量问题,在雷达数据应用之前必须对被污染的距离库进行识别和处理。该文在现有基于模糊逻辑识别地物回波工作的基础上,发展适合于我国CINRAD/SA的地物回波识别方法,采用北京和天津雷达2005,2006年夏季部分时段体扫资料,同时对反射率因子和径向速度以及速度谱宽进行处理,得到不同回波的各种特征, 并对各种回波特征进行分析; 考虑到隶属函数的确定是地物识别准确率的关键, 运用CSI (critical success index)评判标准确定了模糊逻辑超折射地物回波识别的最佳线性梯形隶属函数;通过识别效果分析说明该方法在识别超折射地物回波中的作用。结果表明:运用改进后的模糊逻辑法可以更好地识别地物回波, 特别是那些超折射地物回波; 与原方法相比, 改进后的方法有效减少了对降水回波的误判。     

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.     

新一代天气雷达海浪回波特征分析和识别方法研究

海浪回波是影响沿海雷达定量降水估测和其他产品的重要因素,根据福州、温州的SA多普勒雷达收集的海浪回波资料,按出现时间关系将其分为两类。第1类海浪回波强度一般较强,主要出现在非台风期间降水过程的前后;第2类海浪回波强度较弱且均匀,仅在台风期间的雷达位置的近海域出现。通过分析资料得到两类海浪回波不同于对应降水回波的各种特征,确定识别海浪回波的最佳隶属函数。针对第1类海浪回波,考虑到海浪回波很少与降水回波混合,采用了基于回波分块和模糊逻辑的海浪回波识别方法,首先利用算法预处理条件判断是否执行算法识别,然后采用风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法将回波组合成块,计算每个独立回波块的属性值,对符合要求的回波块和离散回波点再进行基于模糊逻辑的逐点识别,借鉴了刘黎平等2007年提出的分步式回波识别方法并加以改进来实现回波点的动态阈值识别。针对第2类海浪回波,直接采用了基于模糊逻辑的分步式海浪回波识别方法。分析表明,两种识别方法能分别对应识别出大部分海浪回波,回波分块和分步式方法对海浪回波的识别效果有明显的改善,有效地降低了降水回波被误判为海浪回波的概率。     

基于生成对抗网络GAN的人工智能临近预报方法研究

研究设计了基于生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的人工智能临近预报方法,并进行了业务试验。该方法利用广东12部S波段天气雷达2015—2017年海量雷达拼图资料进行人工智能学习来做临近预报。GAN方法从一系列雷达观测资料中,运用卷积法提取回波图像信息建立预报模型,并通过损失函数训练模型,得到基于人工智能技术的临近预报。对2018年发生在广东地区的4个天气过程的外推预报试验表明,GAN方法对对流天气过程的回波位置、形状及强度的临近预报多数情况下与实况基本一致,具有较好的预报效果。但是该方法预报的回波范围偏大,对层状云降水的预报效果较差。对西风带系统引起的降水,西南季风降水,东风系统引起的降水以及台风降水的18个个例1 h预报的3个级别的回波强度检验发现,GAN方法对中等强度回波的预报较好,但对强回波的预报效果仍有待提高。     

晴空回波特征与风场信息应用

为研究晴空回波风场信息在对流性降水天气中的预警应用价值,选取山东省临沂雷达站2008—2013年5—9月的观测数据分析降水晴空回波特征。研究发现:临沂地区5—9月约87%的日数会出现晴空回波,且90%以上出现在距离雷达站100km范围之内,反射率因子多在10~25dBz,具有明显日变化;晴空回波的速度产品能提供有效监测对流性降水出现前的大气低层风场信息,能一定程度反映低层湍流的耗散率,对降水过程有一定的指示性,相关研究成果对降低对流天气漏报率和提高预警提前量有重要意义。     

北京S波段天气雷达夜间晴空回波产生原因

S波段天气雷达在夜间往往能探测到大量晴空回波。根据生物随风迁飞迁徙的定向运动特征,结合L波段无线电探空数据与2018年3—10月北京S波段天气雷达数据,分析晴空回波在不同时段、不同风向下的变化,讨论晴空回波产生原因。通过天气雷达数据发现,晴空回波的反射率因子在6—8月初明显小于5月与9月,呈回波强度低谷,同时在5月与9月晴空回波高度可达2 km以上。通过与100 m,750 m和1.5 km高度的探空风向数据对比,反射率因子平均值未展现生物定向迁飞活动所导致的强度变化特征,反射率因子分布不随风向发生明显的季节性变化。与探空数据对比发现,温度垂直递减率与水平风切变大小的变化趋势与组合反射率因子变化趋势一致,认为北京地区晴空回波主要由大气边界层湍流造成。     

湖北东部雷暴大风雷达回波特征分析

通过对2003-2009年湖北省东部26个雷暴大风过程的雷达、地面、高空、NCEP6h再分析场等资料的研究,依据雷达回波形态特征,将造成雷暴大风的雷达回波分为3种类型,即单体型、弓状型和飑线型。统计分析了每种类型雷达回波强度、回波顶高、垂直液态含水量、中层辐合特征、入流急流、中气旋及环境场条件等特征,研究了这3种雷暴大风天气的雷达回波生命史演变规律,并建立了其雷达回波概念模型。分析表明,单体型雷暴大风提前预警难度较大,但对弓状型和飑线型雷暴大风多数可以提前30min左右做出预警。     

皖北两次龙卷过程对比分析

利用常规资料、NCEP再分析资料、高密度地面自动站资料、多普勒天气雷达资料,对安徽省灵璧县和泗县发生的两次龙卷过程进行对比分析。结果表明：龙卷风发生在低空急流的北端左侧以及高湿中心和水汽辐合中心的交汇处;龙卷风发生前低层垂直风切变强烈;龙卷风发生在地面辐合最强的地方,为判断龙卷风可能发生的区域提供了线索;龙卷风发生前10～20 min均有龙卷涡旋特征报警,同时有中等强度中气旋配合;灵璧龙卷风出现在母体风暴的南端,强回波在3 km以下;泗县龙卷风发生在带状回波的中部,中气旋由弱发展为中等强度后一个体扫龙卷出现,龙卷风发生时强回波有断裂和突前以及中气旋顶高下降的特征。     

THE STATISTIC RELATION BETWEEN LIGHTNING AND CINRAD DOPPLER RADAR ECHOES IN CENTRAL GUANGDONG

Based on the CINRAD Doppler radar data in Guangzhou and the lightning data in 2004 by power suppliers of Guangdong, statistical study is done by overlaying lightning’s position on radar’s echo. The result shows the followings. The concentrated period in which more negative lightning occurred at the middle levels (2 – 14 km), where radar echo was moderate (12 – 45 dBz), rather than at the low levels with the weakest echoes or at high levels with the strongest echoes. At levels 3 – 11 km, where the radar echo was between 10 dBz and 35 dBz, the area of negative lightning was much larger in central Guangdong than in the rest of the province. At levels 0.5 – 7 km where the radar echoes were between 44 dBz and 51 dBz, the probability for a point to have negative lightning varies from 0.4 to 0.7.     

Identification and removal of non-meteorological echoes in dual-polarization radar data based on a fuzzy logic algorithm

A major issue in radar quantitative precipitation estimation is the contamination of radar echoes by non-meteorological targets such as ground clutter, chaff, clear air echoes etc. In this study, a fuzzy logic algorithm for the identification of non-meteorological echoes is developed using optimized membership functions and weights for the dual-polarization radar located at Mount Sobaek. For selected precipitation and non-meteorological events, the characteristics of the precipitation and non-meteorological echo are derived by the probability density functions of five fuzzy parameters as functions of reflectivity values. The membership functions and weights are then determined by these density functions. Finally, the non-meteorological echoes are identified by combining the membership functions and weights. The performance is qualitatively evaluated by long-term rain accumulation. The detection accuracy of the fuzzy logic algorithm is calculated using the probability of detection (POD), false alarm rate (FAR), and clutter-signal ratio (CSR). In addition, the issues in using filtered dual-polarization data are alleviated.     

新一代天气雷达晴空回波反射率因子特征分析

本文基于新一代天气雷达、地面自动站、探空资料和卫星资料，综合利用天气雷达反射率因子和气象要素等资料分析了晴空回波的特征。结果表明:我国不同地域（华北、华中、华东和华南）晴空回波具有明显的日变化和年变化特征，具体表现为每年的春秋两季天气雷达可探测到明显的晴空回波，而且晴空回波主要出现在傍晚到第2天清晨之间。进一步的分析表明雷达探测的晴空回波和折射指数的涨落关系密切，此外逆温层和高湿区的存在也与雷达是否能够探测到晴空回波存在较高的相关性。     

广东中部地区雷电和CINRAD雷达回波的统计关系

应用2004年4～8月广州雷达资料和广东省电力部门闪电资料,采用闪电位置资料与雷达回波强度相叠加的方法进行统计。结果表明,负闪频次的值偏多时,既不在低层的弱回波上,也不在高层的强回波上,而是在中间层4～16层(2～14 km)的12～45 dBz较强回波上。在6～14层(3～11 km)10～35 dBz回波上,广东中部地区负闪面积偏大。在第1～10层(0.5～7 km)44～51 dBz强回波上,出现负闪雷电的概率是0.4～0.7。     

基于气候统计特征的雷达回波质控方法

利用北京南郊S波段雷达2011—2016年的观测资料,从雷达气候统计的角度,利用不同强度回波发生频率的统计特征及其空间分布特征,对雷达地物杂波和波束遮挡的识别与订正方法进行研究。结果表明:①利用雷达回波出现频率特征,可以很好地识别雷达近中心地物杂波和受地形高度影响的地物杂波特征;同时还可以直观地识别出雷达波束遮挡区域以及遮挡程度。北京南郊雷达地物杂波主要分布在近雷达中心和北京西部、西北部的山前地区,地物杂波主要集中在0.5°仰角和1.5°仰角层上。雷达波束遮挡主要集中在由高大建筑引起遮挡的东南方位向和由于地形引起波束遮挡的西西北方位向,波束遮挡主要集中在0.5°仰角层。②采用局部可变区域平均垂直廓线方法利用高仰角回波订正低仰角回波,能有效订正地物杂波,并保留回波的局部特征。对于波束遮挡区域的回波填补,也能够较好地保持上下层仰角回波之间的连续性,同时兼顾了回波不均性分布等特性。③基于雷达气候特征进行地物杂波识别和波束遮挡识别,无需依照先验知识,相比于传统方法能更好地反映本地雷达回波真实情况,且具有方法简单、可快速复用、本地适用性强等优点。