TREC算法在人工影响天气作业指挥系统中的应用

雷达回波外推是解决人工影响天气指挥炮点作业时间选取的有效途径。文章介绍了雷达回波外推的相关性跟踪方法（TREC）,由TREC矢量得到的回波移向移速,以6 min为间隔,线性外推4次回波,根据外推回波是否落在炮点的有效射程范围内,得到回波到达炮点射程范围的时间,为炮点作业时间的选取提供参考。个例分析表明,外推回波落在炮点有效射程范围的外推时间与回波实际落在炮点的有效射程范围内时间点基本吻合。     

基于江西省雷达回波拼图的TREC方法应用及效果检验

基于江西省及周边16部新一代多普勒天气雷达拼图资料,利用交叉相关跟踪法(TREC)计算江西地区雷达回波的移动矢量(TREC风),并对求解的TREC风进行异常值更正和空洞补齐等质量控制,最后利用后向外推法对江西地区2017年6月29日09:54的雷达回波进行2 h内的外推。结果表明,TREC方法能较好地获得江西地区未来2 h内的雷达回波位置和空间结构,且在0—1 h的外推回波非常接近实况。通过对2018年6月1—9日201个天气过程0—2 h外推的TS评分统计表明,基于该方法外推的2 h内的雷达回波精度都较高(TS评分0.3),但TS评分随外推时间的增长而快速降低,当外推时间为30 min时TS评分高达0.61,外推时间增至60 min时TS评分降至0.48,外推时间延长至120 min时TS评分进一步减至0.31。     

交叉相关外推算法的改进及其在对流临近预报中的应用

交叉相关外推算法是目前对流临近预报的主要算法之一。它主要是通过计算雷达回波等资料在连续时次的空间最优相关, 得到对流系统不同位置的移动矢量特征, 并基于这些获得的移动矢量对雷达回波等进行外推, 从而达到预报的目的。因为算法既考虑了回波移动矢量大小和方向的变化, 也考虑了整个回波在移动过程中的形变, 所以, 基于该算法的外推临近预报具有一定的物理意义。该文介绍了交叉相关外推预报算法的基本原理, 对算法进行了一系列的质量控制, 包括抑制地物杂波和噪声的影响、对“丢失”计算的点进行矢量补充以及对追踪的矢量进行平滑处理等多个步骤。个例对比分析表明:算法在通过质量控制和优化处理后, 追踪的回波移动矢量质量明显改善。利用优化后的算法, 对2004年夏季和2005年夏季发生在京津冀地区的4个强对流个例, 包括2次飑线过程、1次雹暴过程和1次强雷暴过程, 进行了外推临近预报试验, 并且对算法在对流临近预报中的效果做了初步的检验评估。结果表明:该算法对强对流天气过程的临近预报具有一定效果, 算法可以给出未来30 min或者60 min内雷达回波和雷暴位置以及形状的外推预报, 预报结果与实况比较接近。     

Farneback光流法在雷达回波追踪中的应用

本文基于Farneback光流法实现了雷达回波追踪,并选取不同天气类型的雷达资料进行测试评估,结果表明:利用Farneback光流法估算的位移场空间分辨率和准确度均较高,空间分辨率为1 km,风向风速与实况吻合,能清晰刻画出风场中的辐合辐散结构。利用主观对比法和客观指标计算法与交叉相关法(TREC)作对比,表明利用Farneback光流法得到的回波位移场精度优于TREC法,应用前景良好。     

质心法雷达回波外推的原理及应用

介绍了多普勒雷达原始数据的格式,并通过计算机对两个相邻时次的雷达回波进行自动外推,实现了雷达回波外推的自动化和客观化。在2004年5月~2005年9月的应用中,这种方法对回波的移向、移速外推结果和实况基本吻合。     

质心法雷达回波外推的原理及应用

介绍了多普勒雷达原始数据的格式,并通过计算机对两个相邻时次的雷达回波进行自动外推,实现了雷达回波外推的自动化和客观化.在2004年5月～2005年9月的应用中,这种方法对回波的移向、移速外推结果和实况基本吻合.     

多普勒雷达资料在暴雨临近预报中的应用

强暴雨、台风暴雨等灾害性暴雨天气是造成洪涝灾害最主要的降水天气系统。以广州雷达和梅州雷达的拼图资料以及温州单站雷达资料为基础, 讨论了TREC方法中时间步长、网格大小及雨强阈值等参数变化对跟踪结果的影响, 并对TREC矢量场进行了平滑处理, 这在一定程度上减少了TREC矢量场中由于地物回波和回波梯度变化造成的一些明显错误的矢量, 得到较为连续的矢量场, 并将得到的矢量场用于暴雨的临近预报。个例分析及预报结果的验证表明:通过选择合适的参数, 雨强CAPPI、反射率因子CAPPI和CR 3种资料得到的TREC矢量场一致性好, 能够反映我国的强暴雨、台风暴雨等灾害性暴雨的移动方向。CR资料的外推预报结果稍差于其他两者, 3种资料预报的准确性都随着预报时间的递增而降低, 对连续时刻的TREC矢量进行拟合, 有助于提高预报准确率。TREC方法对于结构比较复杂、不易识别的台风暴雨等灾害性暴雨天气, 在预警方面具有一定应用价值。     

目标检验方法在高分辨率数值天气预报检验中的应用

基于高分辨率数值模式的特点,为了弥补传统站点对站点等检验方法的不足,采用基于目标诊断的空间检验方法 MODE,对上海快速更新同化系统预报的2014年3月19日强对流降水和冰雹雷达回波进行了客观检验。该方法通过在空间场中识别目标,综合考虑了空间位置、形状、面积等多种因素,采用模糊逻辑算法计算预报和观测目标的相似度。结果表明,MODE在高分辨率数值模式检验中比传统方法具有明显的优势,尤其针对雷达回波的检验有较高的实际应用价值。同时讨论了MODE方法卷积平滑半径参数的选取对高分辨模式检验结果的影响。     

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。     

一种改进后的交叉相关法(COTREC)在降水临近预报中的应用

利用多普勒雷达资料,采用一种改进后的交叉相关法(COTREC)建立了一种降水临近预报方法。COTREC法的基本原理是对传统交叉相关法(TREC)反演的风场进行水平无辐散处理,得到COTREC风场,用新的风场外推得出的回波能够保持平滑连续的形状。但是这种方法也存在缺陷,由于采用水平无辐散限制,使得外推反演得到的风场在不同程度上受到削弱,从而外推后的回波略慢于实况观测的回波。通过引入数值预报平均风场作为TREC风场背景场,较好地解决了TREC风场受到削弱的问题,并用该方法对2007年6月23—24日强雷雨天气和2007年台风“圣帕”两次降水过程进行了预报试验,试验结果表明：采用改进后的交叉相关方法的降水临近预报与雷达实际观测比较一致,可作为台风、强对流等灾害性天气的降水临近预报方法之一。     

光流法及其在临近预报中的应用

短临降水预报对于暴雨和强对流天气监测预警服务具有重要意义,使用雷达回波外推方法进行短临降水预报是目前较为常用的预报方法之一,但是传统的雷达回波外推方法普遍存在数据利用率低、外推准确性差和外推模糊等问题。针对上述问题,利用陕西全省雷达拼接数据资料,选择深度学习中编码器-解码器结构,以卷积长短期记忆网络(Convolutional Long Short-Term Memory Network, ConvLSTM)作为循环单元,构造了基于全局通道注意力的ConvLSTM预测网络(Global Channel Attention based ConvLSTM, GCA-ConvLSTM);此外,为进一步提高GCA-ConvLSTM预测网络的拟合能力,使用集成学习算法对其进行改进,通过装袋算法对数据集进行采样,训练3个GCA-ConvLSTM预测网络作为基学习器,使用加权投票策略将这3种基学习器进行有效组合,最终获得了一个性能更优的组合模型。试验结果表明,基于集成学习算法改进的GCA-ConvLSTM雷达回波外推方法与现有深度学习方法相比,提升了短临降水预报方法的准确性和时效;该方法在25 dBz、35 dBz和45 dBz反射率阈值下的评估试验中分别比对比的主流深度学习模型CSI值平均高出0.149、0.192、0.085;同时该方法的外推结果拥有更加清晰的边缘和细节性纹理,减轻了外推后期模糊问题。

     

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。      

江西省飑线的雷达回波特征分析

通过对天气雷达观测资料的统计分析，归纳出江西省1972－1999年4－7月飑线回波时空分布，产生源地和移动路径与地形的关系，基本结构和回波参数等特征，对飑线天气的短时分析预报有指导作用。     

强降水雷达回波参数特征

利用７１３型测雷达资料,对江西强降水回波参数特征进行统计,分析结果表明：强降水与回波顶高、回波强度、水平尺度及地形等有关,为强降水天气预测提供了依据．     

改进后TREC外推方法在台风临近降雨预报中的应用

本文提出了一种改进后的COTREC方法(CLTREC)。在传统COTREC方法基础上,增加了相邻时刻回波强度连续约束检验和矢量全变分修正,从而使得反演的雷达回波移动矢量场更为连续。选取了3个登陆台风个例,对方法进行检验。结果表明,CLTREC方法比传统COTREC方法的外推移动矢量场更平滑,台风环流特征也更合理。基于CLTREC外推预报的降水形状、强度和位置都与观测更为接近,1 h的台风定量降雨预报与观测相关系数达0.7以上。总体而言,相比传统的COTREC方法,CLTREC方法改善了台风短时临近降雨预报精度。