单多普勒雷达反演涡旋风场方法分析

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(地基速度追踪法)进行了比较,分别从每种方法的假设条件和数学方法以及结果精度来比较3种方法对涡旋风场的适用性。利用中尺度气旋Rankine模式模拟了纯涡旋性气旋、只有环境风场时、环境风场和辐合(辐散)同时存在时的径向速度场及风场,比较了各种情况下的反演风场和模拟风场的相似系数。在对模拟风场比较之后,选取了2014年"威马逊"台风登陆前1h、登陆时及登陆后1h的3个实测雷达资料,对比分析了3种方法反演实测资料的风场特征,3种方法中EVAPTC方法最好,GBVTD方法在应用中有一定的限制,NIVAP方法较差。     

毫米波雷达云回波的自动分类技术研究

毫米波雷达在云探测方面比厘米波天气雷达和激光雷达具有显著优势,可获得更多的云粒子信息,是研究云特性的主要遥感探测设备。为了开展对毫米波雷达探测的云回波进行自动分类的研究,利用161次云回波的个例数据,统计得到了卷云、高层云、高积云、层云、层积云和积云6类云型的特征量和其他参量的数值范围,利用分级的多参数阈值判别方法,达到了自动分类的目标,通过与人工分类的初步验证,两种分类结果的一致性达到84%,其中,层云和积云的识别一致较低的原因在于样本数据有限,仅有6次层云和8次积云的个例样本数据。通过更多样本的处理,提取的特征参量更可靠,自动分类的准确率会得到提高,以便将基于毫米波雷达的云分类技术应用于将来的云观测自动化业务。      

基于多普勒天气雷达的低空多普勒速度的切变识别算法研究

低空风切变是影响航空器起飞和着陆安全的重要因素,利用多普勒天气雷达径向速度数据,从风的空间和时间变化上对低空风切变的识别进行了研究,并利用一次飑线过程和一次低空急流过程的资料对识别算法进行了验证。识别算法的核心是分别计算二维合成风切变、垂直风切变和时间风切变。在计算二维合成风切变时,先利用风切变强度因子自适应地选择拟合“窗口”的大小,再利用最小二乘线性拟合方法,得到水平风切变。结果表明:自适应多尺度最小二乘法得到的合成风切变,在低空风切变识别效果、切变连续性和边缘数据处理等方面都优于我国多普勒天气雷达的PUP合成风切变;垂直风切变反映了雷达径向速度的高低空配置情况;时间风切变可提供径向速度随时间的变化情况。算法还可应用于民航机场低空风切变的识别和预警。      

一次雷暴前后大气折射率的多普勒天气雷达测量试验及结果

由温度、气压和水汽压决定的大气折射率会影响天气雷达电磁波的传播路径和目标回波的相位。因此,通过测量目标回波相位的变化能够算出大气折射率的变化,进而得到水汽信息,为研究局地对流天气和水汽平流提供资料。本文阐述了多普勒天气雷达反演大气折射率的原理和方法,并利用江苏省气象台的S波段多普勒天气雷达反演了一次雷暴过程前后的大气折射率,表明了雷达探测大气折射率的可靠性。这项工作有望为研究水汽变化和天气过程提供高分辨率的遥感资料,也可以为数值模式提供水汽场辅助数据,有良好的应用前景。     

基于深度学习的天气雷达回波序列外推及效果分析

天气雷达探测资料是进行强对流天气临近预报的主要参考数据。针对传统雷达回波外推方法中存在资料信息利用率不足和外推时效有限的问题,文中利用神经网络进行雷达回波的外推、利用预测神经网络模型进行2 h以内的回波变化预报。回波外推问题的关键是回波时、空序列预测问题,该网络具有解决时间记忆问题的长、短时记忆单元（Long Short-Term Memory,LSTM）和提取空间特征的卷积模块。应用福建、江苏和河南多年的雷达探测资料构造训练和测试数据集。为消除降水的不平衡和提高对强回波的预报准确率,网络采用带权重的损失函数进行训练。对光流法和预测神经网络进行测试集检验以及个例分析,结果表明,在相同外推时效和检验反射率阈值的情况下,预测神经网络的临界成功指数、命中率均高于光流法,虚警率低于光流法。不同类型降水预测神经网络的SSIM值（structural similarity）均高于光流法,且层状云降水的SSIM值比对流云降水的大。因此,预测神经网络对强回波的预报能力高于光流法;在预报时效性上,预测神经网络模型具有一定的优越性;预测神经网络对层状云降水预报的准确率比对流云降水的高。      

NASA/Goddard长波辐射方案在GRAPES_Meso模式中的应用研究

本文将NASA（National Aeronautics and Space Administration）/Goddard长波辐射方案引入到GRAPES_ Meso（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System_Meso）模式中,对2006年4月中国地区进行了一个月的模拟试验,并与相应的NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析资料进行了对比分析。试验结果表明:在模拟区域内,使用GRAPES_Meso模式进行24 h、48 h预报得到的晴空大气顶向外长波辐射通量（the clear sky outgoing longwave radiation flux,OLRC）、地面接收到向下长波辐射通量（the clear sky downward longwave radiation flux at ground,GLWC）分布形势与NCEP再分析资料具有较好的对应关系;模式预报24 h、48 h OLRC和NCEP再分析资料月平均误差百分比控制在－10%～＋10%以内,GLWC月平均误差百分比比OLRC略大,但总体上两者误差都在合理和可接受范围之内。OLRC和GLWC 24 h、48 h的预报和NCEP再分析资料的逐日距平相关系数及标准误差的对比显示,模式24 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.96、0.98,标准误差月平均值分别为24.54 W m-2、27.23 W m-2;模式48 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.9521、0.9804,标准误差月平均值分别为22.43 W m-2、27.64 W m-2。总体上,模式24 h、48 h预报OLRC和GLWC的距平相关系数都在0.93以上,标准误差都在31 W m-2以内,且GLWC预报和NCEP再分析资料的相关性比OLRC略好,OLRC预报与NCEP再分析资料的的标准误差比GLWC略小。通过和RRTM长波辐射方案对比可知,两者的预报水平基本一致。本文研究结果表明,引入NASA/Goddard长波辐射方案后的GRAPES_Meso模式整体上能够较好地预报OLRC和GLWC,该辐射方案可以作为模式GRAPES_Meso的备选辐射方案之一。     

青藏高原对流云的偏振雷达观测研究

利用可移动式C波段双偏振雷达（C-POL）,以及那曲新一代天气雷达（CINRAD/CD）于2014年7月30日和8月5日在西藏那曲地区的观测资料,并通过双多普勒雷达风场反演、偏振雷达相态识别,清晰展示了这两次高原冰雹云发生发展的动力、微物理、热力结构特征。结果表明:青藏高原地区的对流云多在午后出现,水平及垂直尺度不大,但是对流云发生频繁、生消快,一般持续几十分钟。从RHI扫描的水平偏振反射率因子（Z_H）、差分反射率因子（Z_DR）,以及反演的相态（Class）分布上可以明显看出,粒子跟随"0线"抬高,不断增长,回波强度也越来越大,并最终超过主上升气流从另一侧降落,形成冰雹墙的整个动力与微物理过程。从连续时次的RHI上还观测到一次对流单体发生、发展过程中相态从湿雪到冰雹的变化,单体刚刚触发时,回波高度不高,强度还很弱,但是却出现成片的湿雪区域,说明上升气流非常旺盛,将本来落到0℃层以下的未完全融化的湿雪重新带到0℃层以上,通过凝华、凇附、攀附等物理过程,仅仅10多分钟,这些湿雪就能够迅速增长成为冰雹。这些湿雪重新凝结过程中,释放潜热,进一步促进了不稳定结构,加强了上升气流和下沉气流。因此,如果某个刚刚生成的弱回波区域内,在融化层以上出现大量的湿雪,往往预示着该区域上升气流强劲,会迅速发展成强回波单体。      

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。      

加密自动气象站实时监控与查询显示系统

张家口于2005年建立首批60套雨量、温度两要素加密自动气象站,并于汛期投入应用.为有效利用加密 自动气象站资料,充分发挥加密自动气象站资料高时空分辨率的特点,结合日常业务运行流程和公众服务的需求, 研制了"加密自动气象站实时监控与查询显示系统".该系统集数据查询、统计计算、自动绘制雨量等值线图、文件 输出、报警监控等于一体,具有界面美观、易于操作、自动化程度高等特点.业务运行表明该系统功能实用、运行稳 定、查询速度快、输出图表清晰美观,适合在基层业务部门推广应用.     

新一代天气雷达谱宽资料分析晴空回波特征的探讨

根据广州强对流天气发生前新一代天气雷达(CINRAD/SA)观测的晴空回波谱宽资料,经过数据质量控制和预处理,估算了不同高度的湍流耗散率,发现这次强对流天气过程发生前,低层的湍流耗散率明显增强,揭示了这次强对流天气过程的前兆特征.