新一代天气雷达三维数字组网软件系统设计与实现

天气雷达三维格点组网基数据具有多方面的应用价值,而且,新一代天气雷达观测资料目前基本上都可以实时传输到区域中心,为充分发挥雷达网的作用,基于近期相关具有实用性的研究成果,在国内首次研制了新一代天气雷达三维数字组网软件系统.系统以后台数据处理为核心,辅以简便的控制界面,多线程编程技术提高了系统数据处理的效率,模块化的多线程管理便于扩展新算法模块,混合语言编程技术缩短了科研成果业务化应用的周期.系统可在微机上运行,进行高时空分辨率的区域雷达三维数字组网以及二次产品生成.     

多部多普勒雷达同步探测三维风场反演系统

“我国重大气候和天气灾害的形成机理与预测理论研究”项目首次启用双多普勒雷达组网同步观测，如何从同步观测的暴雨资料中反演三维场，具有重要的理论和现实意义，根据项目需要，建立了国内首套多部多普勒天气雷达同步探测三维风场反演软件系统，并反演出2001年7月13日由双多普勒雷达同步观测到的一个中β尺度暴雨系统的三维风场，结果显示，该三维风场结构合理，系统能满足外场试验的要求。     

新一代天气雷达及其遥感新技术应用研究

围绕气象业务需求和雷达气象的国际前沿,新一代天气雷达建设及雷达新技术以在灾害性天气监测和预测中的应用为主要目标,开展了新一代天气雷达资料质量控制、风场反演、三维数字组网等工作.双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达在暴雨和对流系统三维探测、反演、中尺度动力和热力结构分析中发挥了重要作用.与业务单位和雷达生产厂家开展了广泛的合作,在暴雨和新疆对流过程风场中尺度结构分析等方面形成了有创新性的科研成果.在新一代天气雷达应用方面形成了有业务应用前景的成果.     

新一代天气雷达及其遥感新技术应用研究

围绕气象业务需求和雷达气象的国际前沿，新一代天气雷达建设及雷达新技术以在灾害性天气监测和预测中的应用为主要目标，开展了新一代天气雷达资料质量控制、风场反演、三维数字组网等工作。双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达在暴雨和对流系统三维探测、反演、中尺度动力和热力结构分析中发挥了重要作用。与业务单位和雷达生产厂家开展了广泛的合作，在暴雨和新疆对流过程风场中尺度结构分析等方面形成了有创新性的科研成果。在新一代天气雷达应用方面形成了有业务应用前景的成果。     

基于OPENGL的组网雷达三维显示系统的开发与应用

利用OPENGL工具,并结合计算机图形学三维成像相关算法,实现了组网气象雷达数据的三维可视化显示。文中给出两个台风实例,将2014年经过海南的台风“威马逊”和“海鸥”以及相应风廓线雷达风场资料导入该三维显示系统,结果表明：该平台可以全面直观地构建台风的三维结构,并可根据需求显示其内部强回波结构;多普勒天气雷达数据与风廓线雷达风场资料相结合,提高了大气风场的监控能力。此项工作对SWAN起到了一定补充作用,并可进一步推进三维雷达组网产品的业务应用。     

新一代天气雷达基数据的三维拼图和产品生成软件系统

本软件系统采用C++和Fortran语言开发,定位于15部左右的新-代天气雷达区域基数据拼图,在Windows XP操作系统的微机上运行.在雷达资料质量控制的基础上,完成省或区域中心的新一代天气雷达基数据组网,实时提供经纬度、海拔高度网格的回波强度资料,并生成部分产品,为中小尺度天气分析、临近预报、人工影响天气、水文等应用奠定基础.     

三维可视化技术在雷达三维组网产品显示中的运用

采用三维可视化技术,将三维面重建算法和体重建算法引入气象雷达回波图像的分析中,同时与中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室开发的新一代3D组网拼图产品相结合,对2007年9号台风"圣帕"进行了三维显示。结果表明:对于单部雷达体扫产品,三维组网拼图产品能全面地掌握更大范围内雷达回波的演变过程;相对于单一的二维平面的分析显示,三维可视化技术在构建回波的空间分布状况,尤其是回波的空间结构上有更大的优势,三维可视化技术结合雷达三维组网拼图产品为雷达回波的分析提供了一种更为全面的方式。     

分布式开放型多普勒天气雷达产品系统设计

随着我国多普勒天气雷达网建设的深入发展, 雷达气象产品系统开发和资料应用越来越迫切。文章介绍了开放软件系统模型, 分析了新一代天气雷达特点和发展需求。结合新一代天气雷达网和我国气象业务网发展状况, 提出和研究了可供新一代天气雷达使用的开放系统的分布式业务模式, 研究和设计了雷达气象产品开放系统的结构和运行方式。文中的分布式开放型雷达产品系统的结构和模型, 对其他类业务和科研系统的开发和发展具有参考价值。     

中国气象科学研究院雷达气象研究50年

该文回顾了自20世纪50年代以来, 中国气象科学研究院在模拟信号的天气雷达、数字化天气雷达、多普勒雷达和雷达新技术如双线偏振雷达、双基地多普勒雷达等雷达技术研究及其在冰雹、暴雨、台风等中尺度天气过程的监测和临近预报等方面的应用工作, 特别介绍了近年来开展的针对暴雨、台风的中尺度外场试验、双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达技术在风场中尺度结构中的应用、双线偏振雷达在云和降水微物理结构探测中的应用、新一代天气雷达三维数字组网及临近预报方法研究等工作; 对中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在雷达气象领域研究的未来进行了分析和展望。     

CINRAD三维拼图产品显示系统

新一代天气雷达三维拼图产品显示系统是采用三维VTK(Visualization Toolkit)技术,结合具体的空间体绘制算法,开发的显示平台。此显示平台针对中国气象科学院国家灾害天气重点实验室开发的新一代天气雷达3D组网拼图产品,在兼顾实时处理和事后分析的需求下,实现了包括X,Y,Z平面在内的空间任一切面的雷达回波强度显示,运用光线投影算法实现了雷达回波数据的空间整体三维重建显示。同时结合多种产品的二维平面显示功能以及二维和三维的交互功能,更为直观和全面的展现了空间回波的分布状况,使得三维组网产品的优势在业务系统上得到更大程度的发挥。     

影响山东的台风温比亚（1818）中尺度云团“列车效应”特征分析

基于多普勒天气雷达、区域气象观测站、常规观测和NCEP再分析数据等,利用三维雷达拼图技术对2018年第18号台风“温比亚”造成的山东暴雨中尺度特征进行分析。研究表明：台风“温比亚”造成的山东暴雨,不同阶段雨强特征有较大差异,长时间强降雨是造成灾害性暴雨的主要因素;此次台风暴雨雨团具有很强的移动特征,是否形成“列车效应”是造成灾害性暴雨的重要因素;雷达三维拼图数据可以清晰识别和分析暴雨过程中尺度雨团的移动、合并和发展规律,这些对准确监测预报暴雨的发生至关重要。     

一次中尺度强降水天气过程分析

利用常规观测资料、卫星云图、自动站气象观测资料和多普勒雷达等资料,对2011年6月16日玉林市南部一次中尺度强降水过程进行天气动力学和中尺度分析,结果表明：这次暴雨是在有利的大尺度环流背景下．通过中尺度系统激发而产生的。高空低槽和低空切变辐合是强降水产生的前提条件,中尺度对流云团强烈发展是强降水产生的直接原因;分析红外...     

Ground-Based Radar Reflectivity Mosaic of Mei-yu Precipitation Systems over the Yangtze River–Huaihe River Basins

The 3D radar reflectivity produced by a mosaic software system, with measurements from 29 operational weather radars in the Yangtze River–Huaihe River Basins(YRHRB) during the mei-yu season of 2007, is compared to coincident TRMM PR observations in order to evaluate the value of the ground-based radar reflectivity mosaic in characterizing the 3D structures of mei-yu precipitation. Results show reasonable agreement in the composite radar reflectivity between the two datasets,with a correlation coefficient of 0.8 and a mean bias of -1 dB. The radar mosaic data at constant altitudes are reasonably consistent with the TRMM PR observations in the height range of 2–5 km, revealing essentially the same spatial distribution of radar echo and nearly identical histograms of reflectivity. However, at altitudes above 5 km, the mosaic data overestimate reflectivity and have slower decreasing rates with height compared to the TRMM PR observations. The areas of convective and stratiform precipitation, based on the mosaic reflectivity distribution at 3-km altitude, are highly correlated with the corresponding regions in the TRMM products, with correlation coefficients of 0.92 and 0.97 and mean relative differences of -7.9% and -2.5%, respectively. Finally, the usefulness of the mosaic reflectivity at 3-km altitude at 6-min intervals is illustrated using a mesoscale convective system that occurred over the YRHRB.     

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

多普勒雷达三维拼图资料在强对流天气监测中的应用

利用多普勒雷达三维拼图产品和石家庄新乐雷达站单多普勒雷达产品,对比分析了2008年6月23日发生在河北省中南部的一次强对流天气过程。结果表明：反射率因子和回波顶高拼图产品展现了整个对流系统自西向东发展、演变的全貌,为全面跟踪灾害性天气影响的时间和地点以及短时、临近预警提供有利依据。同时,根据反射率因子剖面图,不仅可以提前10－20 min对冰雹或大风天气做出预警,而且还可以从回波垂直剖面的形状区别冰雹或者大风,明显的回波悬垂、弱回波区和回波墙是发布冰雹预警的充分而非必要条件。     

多普勒雷达资料在冷涡强对流天气中的同化应用试验

应用WRF模式的三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对沈阳多普勒天气雷达资料在东北冷涡暴雨个例中的同化应用进行了试验.研制了多普勒雷达资料质量控制系统,实现了对径向风和反射率因子的直接同化,不但可以反演中尺度三维气象要素场,而且可以为模式提供初始场.以天气尺度资料为背景场同化多普勒雷达资料,WRF-3DVAR可以较好地反演冷涡中尺度对流系统的三维结构,反演的地面强对流辐散气流及在对流层中层涡旋都符合中尺度系统概念模型,通过与实际地面探测资料进行了对比,风场环流基本接近,同化了雷达资料的气象要素场可为预报业务提供较好的包含中小尺度系统的实时三维分析场.通过冷涡个例同化试验,应用WRF-3DVAR同化雷达资料后,中尺度模式对对流降水的预报总体有正的影响,对强对流中的一些中小尺度雨团的预报也略有改善.     

Synchronization of Radar Observations with Multi-Scale Storm Tracking

The 3-D radar reflectivity data has become increasingly important for use in data assimilation towards convective scale numerical weather prediction as well as next generation precipitation estimation. Typically, reflectivity data from multiple radars are objectively analyzed and mosaiced onto a regional 3-D Cartesian grid prior to being assimilated into the models. One of the scientific issues associated with the mosaic of multi-radar observations is the synchronization of all the observations. Since radar data is usually rapidly updated (～every 5--10 min), it is common in current multi-radar mosaic techniques to combine multiple radar' observations within a time window by assuming that the storms are steady within the window. The assumption holds well for slow evolving precipitation systems, but for fast evolving convective storms, this assumption may be violated and the mosaic of radar observations at different times may result in inaccurate storm structure depictions. This study investigates the impact of synchronization on storm structures in multiple radar data analyses using a multi-scale storm tracking algorithm.     

TITAN系统的移植开发及个例应用

TITAN（thunderstorm identification tracking analysis and nowcasting）是美国国家大气研究中心（NCAR）基于雷达体系开发的风暴识别、跟踪、分析和预报系统。首先深入分析TITAN的结构、基本算法、主要功能、物理量产品及其模块设计和数据接口,其次结合我国各类气象数据的特点,开发实现了雷达、卫星、闪电、探空、飞行作业航迹及中尺度模式产品等数据的接入和融合,自主完成对TITAN的移植和多类数据的融合开发。利用移植的TITAN系统,通过一次典型降水个例的分析,展示了TITAN对风暴单体初生、发展演变、分裂合并、风暴体积、持续时间等的追踪分析功能,显示了其强大的雷达数据分析、追踪识别、统计分析及对云降水的内部结构、物理属性变化分析和外推预报的能力。完整移植开发的TITAN系统,将在短时临近预报、中小尺度天气研究、人工影响天气播云条件追踪分析以及催化作业效果检验等方面有着广阔的应用前景。     

华南暴雨试验天气雷达数据处理及暴雨中尺度结构个例分析

文中描述了华南暴雨试验多普勒天气雷达数据的处理方法，建立了一套集图像显示、数据预处理及风场反演分析为一体的多普勒天气雷达的分析应用系统。该系统生成了三维正方形网格和经纬度网格的回波强度值，以及经噪声控制和速度扩展的径向速度风场，提交了华南暴雨试验雷达数据库。该文以1998年6月9日08:00(北京时) 探测数据为例，给出了华南暴雨试验区内4部多普勒天气雷达的反演雨强图和两部雷达的风场反演拼图，并进行了暴雨中尺度风场结构的初步分析。