雷达跟踪回波运动方法的研究(Ⅰ)——相关分析法的误差及其来源

本文对常规数字化天气雷达跟踪回波运动所使用的互相关分析法(简称相关分析法)作了数值试验和分析。结果表明,在该方法中作为判别因子的相关系数反映了所跟踪回波的结构特征。在均匀风场情况下,回波结构在运动过程中不发生变化,故用该方法确定的回皮运动精度很高。但在非均匀风场中,回波结构在运动过程申发生变化,导致该方法的误差大大增加。     

图象相关分析法判别因子的比较与实验

天气雷达跟踪回波运动,或卫星云图上示踪云测风,广泛使用相关分析法。本文对比方法中的判别因子进行了理论分析,数值模拟和个例实验。结果表明,在回波结构变化时,用原点矩相关系数R_3作为相关分析法的判定因子跟踪回波或示踪云,较中心矩相关系数R_1和相关亮度综合因子R_2有一定的优越性。     

雷达回波跟踪的两种方法及精度比较

文章研究了用于天气雷达回波跟踪的矩不变量法和相关亮度综合分析法。首先用多阈值法对回波图象分团，然后计算出矩不变量和相关亮度系数，作为判别因子，分别用于回波团的跟踪，并作出回波移动的现时预报。实测资料的试验结果表明:矩不变量法的跟踪成功率高于相关亮度综合分析法。      

用矩不变量法估算天气雷达回波区流场

介绍一种用矩不变量跟踪天气雷达回波,以估测回波区域内部流场的方法。研究工作表明：根据回波强度场计算得到的矩不变量能很好地代表回波模块的特征,可用来估算雷达回波区流场。     

基于主分量法的雷达回波资料的雹云识别及其效果检验

本文用主分量分析法建立了雷云等强对流天气的综合判别式。该方法首先由某地区的雷达回波历史资料,建立判别指标之间的相关系数矩阵,然后用主分量分析法确定因子荷载,并由荷载矩阵。相关系数矩阵确定判别指标权重,从而建立雹云等强对流天气的综合判别式。该方法用成都市的雷达回波历史资料所建立的判别式对成都市试报和对沪州市进行了效果检验,并将判别结果与综合概率法比较,效果尚好。表明该方法用于雹云判别是可行的。     

一次弓状降雹回波区流场的反演

通过对一次典型弓状降雹回波区的流场进行反及特点分析,发现用矩不变量法反演出的回波区流场结构,与藤田关于弓状回波的概念模式非常吻合,利用该方法估测出的流场,散度场、涡度场所表现出的信息,与降雹实况是一致的,该研究可为中小尺度强天气的监测,提供高时空分辨率的流场资料。     

一次弓状降雹回波区流场的反演

通过对一次典型弓状降雹回波区的流场进行反演及特点分析,发现用矩不变量法反演出的回波区流场结构,与藤田关于弓状回波的概念模式非常吻合,利用该方法估测出的流场、散度场、涡度场所表现出的信息,与降雹实况是一致的。该研究可为中小尺度强天气的监测,提供高时空分辨率的流场资料。     

对多普勒雷达集合交叉相关外推技术的构造与实例检验

本文构造了集合的线性交叉相关方法,对多普勒雷达回波进行外推。因为线性交叉相关算法仅根据两个时次的回波外推下一时次的回波分布,且对于单个外推回波单元是线性变化的;而基于集合的线性交叉相关方法,考虑了多时刻回波的演变过程、回波的移向和移速以及回波在移动过程中的形变,都具有非线性特征,与实际情况更为符合。本文利用集合的线性交叉相关方法和最小二乘拟合方法分别对两次暴雨过程进行回波外推,通过比较发现,利用集合交叉相关外推方法所推得的回波分布与实况更为接近;利用Z-I关系,进一步分析了基于集合交叉相关外推方法的降水评分。与最小二乘拟合方法外推相比,集合交叉相关外推技术所得的回波移动位置与实况较为一致,且1小时累积降水预报效果也较好,因此集合交叉相关外推技术在临近预报中具有一定的应用价值。     

天气雷达回波外推技术应用研究

利用天气雷达体扫基数据,对其强度数据做了回波外推运算.在成熟的COTREC(Continuity of Tracking Radar Echo by Correlation vectors)和质心跟踪技术的基础上,运用傅立叶相位分析技术计算"亚像元"速度,得到外推后的回波数据和图像,根据Z-R关系得到外推回波的雨强分布.通过将计算与不计算"亚像元"速度的外推回波与实况回波、外推所得雨强分布与PUP的1小时降水量(OHP)产品和自动雨量站记录分别做比较分析,结果表明,通常计算"亚像元"速度的外推要比不计算的准确度更高,并且外推所得1小时降水量比OHP的可信度更大.在各种降水类型的天气过程中,对该技术进行了多次检验,结果证明是适用的,能对TREC技术起到一定改进作用,且其外推所得雨强分布在短时临近降水预报中具有一定的参考价值.     

光流法及其在临近预报中的应用

介绍了一种全新的对流临近预报外推算法——光流法。主要是通过计算雷达回波的光流场得到回波的运动矢量场,并基于运动矢量场对雷达回波进行外推从而达到预报的目的。光流法立足于变化,在计算光流场时既考虑连续时次回波的变化,又考虑相邻位置回波的变化。因此,基于该算法的外推临近预报具有一定的物理意义。利用中值滤波等方法对雷达资料进行质量控制,有效地抑制了噪声等的影响。个例对比分析表明:经过中值滤波等质量控制后回波更平滑,边沿更清晰,回波质量明显改善,能够获得比较真实的雷达回波,也得到了方向更加一致、更加平滑的回波运动矢量场。光流法给出的30、60 min内雷达回波的位置、形状的外推预报和对应时次实况较接近,预报结果具有较好的业务指示意义。对光流法和交叉相关法预报结果进行的定量对比评价表明,对移动型局地生成及强度和形状随时间变化很快的回波,光流法预报效果优于交叉相关法。光流法可以弥补传统的交叉相关法的缺陷,能提升对流临近预报系统的性能。     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。     

人工影响天气中雷达回波跟踪方法及其应用

基于最大相关系数的雷达回波跟踪方法(TREC),实现了对选定雷达回波区的连续跟踪,使用阳江、深圳、广州、梅州、韶关几部雷达站点的拼图CAPPI格点数据资料,对该连续跟踪方法进行跟踪效果分析。结果表明:对于一般的积层混合云,在一定时间内,利用TREC方法连续跟踪效果较好,随着时间推移,跟踪速度稳定性变差,导致效果逐渐变差。将该连续跟踪方法应用于北京的一次人工影响天气作业过程,使用雷达CAPPI格点数据资料对人工影响天气作业区的回波进行跟踪,从而可以确定不同时刻人工影响天气作业云区所在的位置,同时计算了跟踪到的区域内大于不同给定反射率因子阈值的像素点面积和VIL总量,为此次人工影响天气作业效果评估提供了依据。     

云南一次强对流冰雹过程的环流及雷达回波特征分析

详细分析了云南2001年7月6日强对流冰雹天气过程的多普勒雷达加密观测回波资料和各种物理量场。结果表明,高层辐散流场和低层辐合流场的配置形成大气强烈不稳定,在有利的大尺度背景条件下产生的三个中-β系统直接导致此次滇中强对流冰雹天气过程,在多普勒雷达回波上具有典型的右后侧V型槽口回波、弱回波区(WER)、弓形回波、阵风锋回波、钩状回波、回波墙穹隆(弱回波区)和悬挂回波等特征,并且强回波区与多普勒雷达速度场上的逆风区、大风区和风辐合区相关。     

飑线雹暴不同发展阶段的垂直流场特征

本文利用雷达回波和地面、高空气象资料综合分析了张家口地区1980年7月20日出现的一次飑线雹暴天气过程。着重讨论了飑线雹暴各个发展阶段的垂直流场特征。给出了飑线雹暴形成发展阶段和稳定维持阶段中雹暴单体的流场图象,说明了飑线雹暴的不同发展阶段中雹暴单体的流场有着明显的差别。     

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

自适应尺度的雷达回波交叉相关跟踪算法研究

提出了一种能够自动选取跟踪单元大小的雷达回波交叉相关跟踪外推算法(ATREC).ATREC方法通过雷达回波的边界识别,得到不同尺度的雷达回波的特征运动信息,再不断地内部分化,得到不同次级尺度的内部运动信息,将特征尺度的特征运动场和次级尺度的内部运动场进行合成,最后得到外推的运动矢量场.ATREC方法可以在回波总体运动场...     

应用多普勒雷达制作近海台风临近预报技术研究

台风、局地暴雨等灾害性天气是浙江省夏季汛期的主要气象灾害.利用新一代天气雷达探测的重要特征,将浙江省近年来收集的台风雷达资料进行试验研究,应用雷达基数据数字组网3-D数据,通过回波自动识别与跟踪、动态定量估测降水、台风旋转环流结构快速诊断分析等技术,进行省级台站基于雷达的台风临近预警预报技术的应用研究.根据台风主体回波螺旋带形状的结构,及其回波系统(团)移动过程中又具有明显的旋转性运动的特点,对交叉相关法进行了适当改进.首先,在矩心跟踪法进行强对流回波团识别跟踪的基础上,利用多普勒速度场及其与台风旋转环流的逻辑一致性建立第一猜测场,对外推出的回波在移动方向上加以控制和修正;其次.结合雷达覆盖范围内自动雨量站实时数据,应用最佳概率窗求得最配合的Z-I关系进行动态降水量估测,再将估测的降水强度与格点化的自动站雨量强度进行变分订正(尽量减少降水强度不均匀引起的误差);最后,在回波追踪与外推基础上结合估测降水强度作出0～1小时的降水临近预报和监测预警.对近海台风,采用基于地基速度示踪法(GBVTD)对台风中心、旋转环流结构作快速诊断.研究表明,针对性地开展和建立基于雷达的台风临近预报应用技术的探索,可以对正面登陆或临近的台风预报服务及相关研究提供更多的依据和帮助.通过对台风的连续定位、位置移动、结构演变、暴雨落区、流场变化等特征的分析,对台风的临近预报和气象服务具有重要的作用.     

山东省带状降雹回波系统的特征分析

通过对1986—1992年期间(6—8月)69次带状雷达回波降雹过程进行综合分析,总结出带状降雹回波演变特征。重点研究了降雹云雷达回波的移动和传播,指出其降雹特点,并分析中尺度流场对带状回波发生、发展及传播的影响。这些结果对提高山东省带状回波降雹的短时预报有重要参考价值。     

齐齐哈尔市3.10大风雪天气过程的雷达回波分析

针对2006年3月10日大风雪天气过程,结合天气环流背景和多普勒天气雷达回波资料,详细分析了该过程发生、发展及消亡的原因。分析表明:850hPa低压的形成与发展为该过程提供了充足的水汽和动力条件;回波的叠加,是降雪过程得以持续和发展的主要原因;径向速度场中,“牛眼”结构中心值的不对称性反映了流场辐合、辐散的特征,可以作为大风雪天气短时、临近预报的重要参考因素之一。     

L波段控空雷达丢球对策

GFE-1型L波段雷达在跟踪<3 000m范围内的过顶目标和当有源目标物的回波强度衰弱或回波频率超出于雷达接收机中心工作频率一次谐波以上时,雷达自动跟踪目标常常失败。通过分析探空气球低空过顶的气象条件,建立起低空过顶跟踪模式及该模式的应用方法,提出优化电池释放电量进程降低回波强度衰减量与回波频率漂移量,据此探讨了电池浸泡方法。可提高新一代L波段雷达在探测过程中对探测目标的稳定跟踪水平,保证探测质量及探测资料的完整性、准确性,杜绝了因低空丢球导致重放球事件的发生,获得了良好的经济效益和质量效益。