基于改进DBSCAN聚类算法的雷暴单体三维结构识别技术介绍

雷暴是一种严重威胁飞行安全的天气系统,利用地基多普勒天气雷达反射率因子数据和改进的DBSCAN聚类算法对雷暴单体的三维结构识别及特征量计算进行了研究,并在地基平台上对雷暴单体识别算法的有效性进行了验证分析。识别算法核心是将插值后的反射率因子三维网格数据作为输入量,采用多层反射率因子阈值基于改进的DBSCAN聚类方法识别所有等高面上的雷暴分量,并进行结构元素为3×3的腐蚀膨胀运算及雷暴分量特征核心提取,最后基于雷暴分量重叠面积进行垂直关联。结果表明:相对于SCIT算法,雷暴单体识别算法减少了雷暴分量识别的复杂性,可很好地识别任意形状的雷暴单体;使用多层阈值及特征核心提取技术可识别雷暴簇中的雷暴单体;利用腐蚀膨胀技术可解决雷暴单体虚假合并现象。算法可应用于民航机场雷暴的识别和预警。     

基于温度层强回波区域面积的天气雷达雷暴自动识别方法北大核心

为利用天气雷达回波资料实现雷暴的自动识别,提出了一种基于温度层强回波区域面积的天气雷达雷暴自动识别方法。该方法首先利用雷达回波体扫数据在水平范围内搜索强回波区域;再对某一温度层上,达到设定阈值的雷达回波反射率因子的区域进行面积求和,当水平范围强回波区域面积达到识别面积阈值时,判定该强回波区域为雷暴区域。在此基础上,结合S波段双偏振多普勒天气雷达观测资料、闪电定位资料,采用了17个雷暴天气过程的312个雷暴区域检验识别算法。结果表明:当等高度平面位置显示(CAPPI)数据处理中采用(35 dBZ,0℃,2 km^(2))参数组合能够达到最优的识别效果,识别概率可达87.5%,虚警率为32.9%,临界成功指数为61.2%。该方法可以用于天气雷达的雷暴计算机自动识别业务。     

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。     

山西雷暴大风雷达产品统计学特征及预警提前量研究

为认识统计山西雷暴大风的雷达产品特征,做好其预报预警,利用2013—2017年4—9月高空探测资料和地面观测资料以及多普勒雷达资料对山西39次雷暴大风过程进行研究。根据500 h Pa环流形势将其分为四大类型：西北气流型、冷涡型、西风槽前型、副热带高压（简称“副高”）切变型。统计分析了不同环流背景下雷暴大风的雷达产品特征及其预警提前量。结果表明：（1）块状孤立对流单体是任一环流背景下山西雷暴大风的主要雷达回波形态。（2）副高切变型雷暴大风的最大回波强度、回波顶高、最大垂直积分液态水含量值最高,冷涡型最低。（3）低层径向速度大值区对雷暴大风的指示意义最明显,预警提前量最多,可提前30 min以上。（4）雷暴大风发生时,有阵风锋和逆风区出现,但出现次数极少。研究结果对利用雷达产品预警山西雷暴大风提供参考依据。     

北京地区雷暴大风不同生命期内的雷达统计特征及预警提前量分析

选取2010—2014年发生在北京地区的19个致灾的雷暴大风天气过程,应用北京新一代多普勒天气雷达体扫资料的反射率因子和径向速度产品,分析了雷暴大风天气不同生命期内的雷达回波特征。分析发现依据径向速度大值区能对77.8%的带状回波造成的雷暴大风天气提前发布预警,能对100%的弓形回波造成的雷暴大风天气提前发布预警,而其中有67%可提前30min发布预警;孤立的块状回波前侧均未观测到阵风锋回波,径向速度图未观测到入流急流,径向速度大值区不明显。但径向速度图上观测到的中层径向辐合、入流急流、中气旋及反射率图上观测到的阵风锋都为雷暴大风的提前预警提供了重要指示特征。     

基于支持向量机的雷暴大风识别方法

基于北京市观象台雷达基数据和加密自动气象站数据,利用支持向量机算法建立了雷暴大风天气的有效识别模型。首先确立了9个用于识别雷暴大风的预报因子:回波顶高、最大反射率因子、最大反射率因子所在高度、垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、垂直积分液态水含量密度、雷暴大风发生前最大反射率因子下降高度、风暴移动速度、速度谱宽。通过计算各预报因子在大风和非大风样本中的概率分布,得到对应的各项预报因子雷暴大风的隶属度,利用得到的隶属度函数对样本进行归一化处理。确立核函数和模型参数,利用支持向量机建立雷暴大风天气的提前识别和临近预警模型。通过对北京2017年7月7日飑线和2012年5月19日块状回波引起的灾害大风典型个例的识别效果检验,得到两个个例预测的命中率、误判率和临界成功指数分别为92.0%,22.1%,73.0%和99.1%,40.5%,59.2%,对于提高雷暴大风预警预报的准确率有一定帮助。     

廊坊市雷暴大风多普勒雷达特征指标预警应用分析

利用北京、天津和沧州多普勒天气雷达对2010—2019年廊坊市发生的29次雷暴大风天气过程中的阵风锋、径向速度大值区、垂直累积液态水含量（VIL）≥40 kg?m-2等预警指标进行验证分析，结果表明：51.9%的站次出现了阵风锋，其中61.0%的雷暴大风出现在主体回波移动前方中部到右侧；17 m?s-1以上大风速区作为预警指标，预警的平均提前量达47.2 min。100%的弓形回波雷暴大风出现前上游及可能影响区域存在≥17 m?s-1的大风速区，以此发布预警可提前37.1 min；71.4%的雷暴大风站点上空或10 km范围内VIL≥40 kg?m-2，平均预警提前量最高，达到52.7 min；依据带状回波前侧或右前侧出现阵风锋发布预警的平均提前量为60.6 min。73.7%的块状回波雷暴大风天气上游及可能影响区域有≥17 m?s-1的大风速区。结合上游及可能影响区域≥17 m?s-1和≥20 m?s-1以上大风速区、阵风锋、VIL≥40 kg?m-2出现位置可以提前30—60 min发布雷暴大风预警信号，且可更加精准的预测灾害性大风的落区、出现时间和强度。     

雷达、闪电资料在典型雷暴单体中的应用

用闪电定位资料和雷达回波资料进行分析,即从雷达产品的4个参数与地闪频数的关系进行相关分析,分析结果表明:(1)反射率因子的回波面积大小和强回波中心的移动与闪电发生的时间、地点有很好的一致性。(2)闪电发生前最大回波顶高有明显的增大,闪电发生的位置和最大回波顶高的位置有很好的对应关系。(3)地闪频数的变化与VIL(垂直累积液态含水量)最大值的变化并不完全对应,但VIL最大值下降到25 kg/m2以下时,可以考虑作为雷暴消散的一个因子。VIL大值区的移动以及VIL大值区面积的变化与地闪频数的整体变化是一致的。(4)雷达VWP产品的无数据区破坏的时间提前于闪电的发生和地闪频数的增长,其恢复滞后于闪电消失。     

廊坊市雷暴大风多普勒雷达特征指标预警应用分析

利用北京、天津和沧州多普勒天气雷达对2010—2019年廊坊市发生的29次雷暴大风天气过程中的阵风锋、径向速度大值区、垂直累积液态水含量（VIL）≥40 kg?m-2等预警指标进行验证分析,结果表明：51.9%的站次出现了阵风锋,其中61.0%的雷暴大风出现在主体回波移动前方中部到右侧;17 m?s-1以上大风速区作为预警指标,预警的平均提前量达47.2 min。100%的弓形回波雷暴大风出现前上游及可能影响区域存在≥17 m?s-1的大风速区,以此发布预警可提前37.1 min;71.4%的雷暴大风站点上空或10 km范围内VIL≥40 kg?m-2,平均预警提前量最高,达到52.7 min;依据带状回波前侧或右前侧出现阵风锋发布预警的平均提前量为60.6 min。73.7%的块状回波雷暴大风天气上游及可能影响区域有≥17 m?s-1的大风速区。结合上游及可能影响区域≥17 m?s-1和≥20 m?s-1以上大风速区、阵风锋、VIL≥40 kg?m-2出现位置可以提前30—60 min发布雷暴大风预警信号,且可更加精准的预测灾害性大风的落区、出现时间和强度。     

基于X波段双线偏振天气雷达的雷暴云粒子识别

为了进一步认识雷暴云中影响起电的主要水成物类型,联合714XDP 天气雷达观测到的偏振参量（Z H 、Z DR 、K DP 和ρHV ）,在利用模糊逻辑方法的基础上引入温度（T）,对中国西北地区夏季雷暴云中的水成物类型进行识别,将水成物分为11种。参考 S 和 C 波段及少量的 X 波段偏振雷达的粒子识别研究,得到11种粒子对应的各偏振参量阈值。分析了2007年7月24日的一次观测过程几个时刻的偏振参量、地面电场、放电频数及识别结果,并与利用三维雷暴云动力电耦合数值模式模拟出来的粒子分布结果做了对比。结果表明,选取的偏振参量阈值基本合理,采用的模糊逻辑方法能有效、合理地识别出雷暴云内水成物的相态和分布,而且利用 K DP 可以大致判断云内电荷区。     

基于闪电数据的雷暴识别、追踪与外推方法

该文提出了一种新的雷暴识别、追踪与外推方法。该方法基于地闪数据,利用密度极大值快速搜索聚类算法实现雷暴的识别,采用Kalman滤波算法实现雷暴的追踪与外推。应用该方法处理了2013年的全国地闪定位数据,同时利用多普勒天气雷达等数据对选取的个例进行评估。结果表明:该方法能有效识别雷暴并对其进行实时追踪,且能有效处理雷暴分裂与合并的情况;算法具有较好的0~60 min的临近外推预报能力,各项性能指标整体与TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting) 算法接近,在30 min时效有更好的表现。该方法能够实时监测、预报全国雷暴发生发展状况,对于0~60 min临近预报具有一定参考价值。     

一种卫星和雷达资料结合的强降水临近预报方法

在短期和短时天气预报的基础上，通过对气象卫星红外数字资料的定量处理和统计分析，作出降水云系的实时降雨量估计，并根据降水云系生命史的演变和移动、传播等特征，结合天气系统分型和雷达回波资料，提出一种北京密云水库上游潮河，白河流域区域性０－３小时强降水临近预报方法。     

基于数据产品的风廓线雷达故障识别

风廓线雷达是一种以大气湍流为主要探测对象的晴空测风设备,近年来普遍使用。其资料的应用广泛,对数据产品的可用性要求越来越高。本文以1456D/F型两种布网风廓线雷达为研究对象,收集了22个产品异常个例,并对其进行了分类,分析了数据产品产生异常的原因;基于数据产品异常,总结出识别与分析风廓线雷达故障的经验方法及排查流程。有利于提高省级、台站业务人员识别风廓线雷达异常数据产品的能力,有效保障数据的正常采集与上传,从而为预报服务提供更准确的探测数据。     

北京地区一次降水过程的多普勒雷达资料分析

通过对一次稳定性降水过程的多普勒雷达资料的强度场、速度场及VAD产品的分析，得出对降水过程不同阶段临近预报有指导意义的结论。     

风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法评估

利用兴义新一代多普勒天气雷达复合体扫资料及WSR-88D提供的风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法对2007-2008年发生在贵州省黔西南地区的40次天气过程个例进行验证、分析,分别从单体识别、单体跟踪评估、单体位置预报、单体算法评估效果与季节关系分析、单体算法评估效果与距离关系分析、冰雹暴雨评估对比分析6个方面进行评估、分析。在充分考虑了当地地理环境、气候背景的前提下对算法评估不太理想的情况进行了误差分析,并进行了算法补偿,提出了解决的办法,一是降低识别阈值,将SCIT的7个反射率阈值降低一个等级,二是提取反射率因子垂直梯度,用上述两个改进方法对2007-2008年的40次天气过程重新进行评估,并与算法改进前的评估效果进行对比检验,结果表明,算法改进后评估效果有所提高。     

天津地区雷暴大风天气雷达产品特征分析

应用2002-2007年天津共46次雷暴大风天气过程的新一代天气雷达资料,并结合灾情报告和地面自动气象站资料,根据雷达基本反射率回波特征,影响渤海西部雷暴大风的雷达回波形态有以下四种类型:弓状回波、阵风锋、带状回波和零散椭圆状回波,其中弓状回波对应的雷暴大风天气最为强烈,特别是弓状回波的前部和顶端突起部分;同时弓状回波主体维持时间与雷暴大风维持时间基本一致.另外,应用垂直积分液态水含量产品(VIL)进行了统计分析.结果表明:当VIL值达到或超过40 kg·m~(-2)时,随后VIL值的快速减小对于预警雷暴大风天气有指示意义,这种信息一般能够提前10分钟出现.此外,分析了雷暴大风的路径来源有四类:分别是北方路径有9次,西北路径占19次,西方路径14次和其他路径4次,其中北方路径带来的灾害相对严重.这些特征对预警渤海西部雷暴大风天气提供使用价值,同时也可提供其他地区参考使用.     

一次强风暴天气闪电定位资料与雷达资料的综合分析

根据2003年6月19日河南一次强风暴天气的闪电定位资料和714CD雷达资料,利用统计和对比分析的方法,发现了闪电活动与雷达强度回波之间存在如下关系：闪电发生频数、强度和雷达回波强度在时间序列上有较好的一致性;在雷达回波发展的不同阶段,闪电发生的位置与雷达强回波位置有时相同,有时偏离,有时甚至无闪电发生;雷达回波速度场分析表明：在低层存在不利于对流发展的环境风场特征时,雷达降水回波在向测站移动的过程中趋于消散,闪电频数也随着减少;在降水回波速度辐合区,对应闪电活动频繁,这对于雷暴天气闪电短时预警工作有一定的参考价值。     

Lightning Nowcasting with an Algorithm of Thunderstorm Tracking Based on Lightning Location Data over the Beijing Area

A thunderstorm tracking algorithm is proposed to nowcast the possibility of lightning activity over an area of concern by using the total lightning data and neighborhood technique.The lightning radiation sources observed from the Beijing Lightning Network(BLNET)were used to obtain information about the thunderstorm cells,which are significantly valuable in real-time.The boundaries of thunderstorm cells were obtained through the neighborhood technique.After smoothing,these boundaries were used to track the movement of thunderstorms and then extrapolated to nowcast the lightning approaching in an area of concern.The algorithm can deliver creditable results prior to a thunderstorm arriving at the area of concern,with accuracies of 63%,80%,and 91%for lead times of 30,15,and 5 minutes,respectively.The real-time observations of total lightning appear to be significant for thunderstorm tracking and lightning nowcasting,as total lightning tracking could help to fill the observational gaps in radar reflectivity due to the attenuation by hills or other obstacles.The lightning data used in the algorithm performs well in tracking the active thunderstorm cells associated with lightning activities.