天气雷达数据三维可视化技术及应用

本文结合天气雷达数据三维空间定位公式与任意基线雷达反射率因子垂直剖面算法,提出三维可视化Marching Cubes改进算法,在该算法基础上研发天气雷达数据三维显示系统,并使用此系统对雷达观测实例进行了三维分析应用。结果表明:相对于二维平面的分析显示,三维可视化技术可以提高气象工作者对天气雷达回波数据的直观理解,更有效地分析出整个回波的轮廓和云内部回波分布情况,对于把握强回波的演变状况很有意义。     

利用多普勒雷达浅析强对流天气内部流场分布

通过我站于2001年9月建成的多普勒雷达对2002年4月以来的冰雹，雷雨大风等强对流天气实测的多普勒雷达强度及速度谱图象的分析。可大臻反演出云体内部的结构。进而总结出判别强对流天气的雷达图象及物理量产品指标特征。     

多普勒天气雷达产品在人工增雨中的作用探讨

多普勒天气雷达对捕捉可降水云体具有很好的探测作用，在指导人工增雨作业的时间、地点上有着自己特有的优势。对多普勒雷达资料在人工增雨作业中的深层次应用有待进一步地探讨。     

双偏振多普勒天气雷达产品三维可视化技术研究

针对双偏振多普勒天气雷达（ CINRAD/SAD ）偏振产品展示缺乏三维空间的几何与拓扑信息问题,通过对双偏振产品的解析与坐标变换,利用 Python 库函数与计算机图形学插值技术,对差分反射率（ ZDR ）、差分传播相移率（ KDP ）与相关系数（ CC ）进行了三维立体（ 3D ）建模重绘。将 ZDR、KDP与CC逐仰角产品进行三维空间立体组合后与单仰角平面产品相比,三维可视化产品可以更直观和全面地展示风暴偏振特征的空间分布状况,有助于获取回波整体结构信息,为灾害性天气监测与预警提供重要参考依据。     

基于SRTM数据的天气雷达探测环境分析研究

利用SRTM高程数据作为选址基础数据,结合天气雷达工作方式和探测方法,计算得到天气雷达在0.5°、1.0°、2.4°仰角上地物遮挡情况;利用高程格点数据获得3个仰角的地物剖面数据,提高了SRTM数据利用精度和运算速度;分析中结合地球曲率和电磁波折射影响,改进算法获得站点遮蔽角图,站点上空1 km、海拔3和6 km等射束高度图及数据,该分析结果充分体现了SRTM数据的高分辨率特点。最后将结果数据与GIS地图结合,完成了四川省天气雷达网探测环境分析,并给出了各个台站评估结果。     

天气雷达自动化探测系统设计概述

天气雷达自动化探测系统(简称自探系统)能自动控制天气雷达开机运行,收集立体回波资料,加工处理得到CAPPI、ETPPI等多种直观的、数字化产品,并具有远程通信能力。     

双多普勒天气雷达反演大气三维风场的个例研究

根据笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达反演大气三维风场的理论，以2003年7月5日发生在安徽省的一次强降水过程为例，反演大气三维风场。结果表明：利用双多普勒天气雷达反演大气风场能够更加详细地反映出大气风场的三维结构。     

多普勒天气雷达三维可视化分析平台设计与实现

为方便气象业务人员多角度观察雷达回波细节和空间分布情况,本文提出并实现了一个跨平台访问的可交互操作的多普勒天气雷达三维可视化分析平台。首先根据雷达基数据特点提出相邻梯形柱体间隔划分四面体的三维可视化算法,基于B/S模式进行三维可视化分析平台整体架构与设计,最终采用HTML的Canvas技术和WebGL技术实现基于Web的雷达回波的二维、三维可视化显示。试验结果表明,多普勒天气雷达三维可视化分析平台具有良好的三维可视化效果和较好交互式可视化体验,为气象工作者提供了一种有效的雷达回波分析工具。     

多普勒天气雷达三维数字组网系统开发及应用

为充分发挥多普勒天气雷达网的联网观测优势,依托已有科研成果,开发了多普勒天气雷达三维数字组网软件系统。介绍了该系统的整体设计、系统框架、主要功能模块、数据处理流程和相关算法,分析了系统性能及组网结果的实用性、可靠性,讨论了实际应用中影响组网效果的两个重要因素。业务运行测试及实例分析结果表明:该系统运行稳定;在微机上可实现约15部雷达、频率为6min左右的高时间频率的三维组网;算法合理,组网结果可靠;为中小尺度天气分析提供了便利,为临近天气预报开发等工作提供了数据基础;有必要对软件系统进行升级,以便更好地满足应用需求, 提高组网结果质量。     

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.     

基于VTK的雷达基数据交互式三维重建功能及其业务应用

介绍了在自研的《气象雷达基数据结构分析软件》的基础上,通过空间三维插值方法和VTK（Visualization Toolkit）图形图像库显示技术,实现天气雷达基数据三维可视化的功能,该软件可运行于多种操作系统。三维重建功能支持多项交互式操作,能够快速突出雷达回波的结构特征：允许在雷达平面图上选定任意矩形区域进行三维重建;支持地形和雷达回波的叠加;具备缩放、漫游和视角变换功能;提供不同数值区间的透明度和光照系数调整;实现多种类型的切面视图和三视图。最后,本文结合软件在强对流单体、台风等个例中的应用情况,展示了三维重建功能如何帮助预报员快速掌握风暴结构及其演变规律。     

用雷达反射率作对流性降水和层状云降水自动分类

为提高雷达定量测量降水的精度,利用武汉CINRAD/SA雷达反射率数据,研究提出了对流性降水和层状云降水自动分类算法(ACSS)。该算法在二维反射率结构场初步分类降水的基础上,识别亮带并从体扫描数据中提取降水的三维结构特征,然后对初步分类结果进行订正。试验表明,ACSS能较准确地实现对流性降水和层状云降水的自动分类,相对于只根据二维结构分类降水性能上有较大提高,主要表现在能正确识别出亮带特征明显的强层状云和对流核外沿的对流弱回波区。     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征,提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数,它们分别是:组合反射率及其水平梯度,反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图,用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区,统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征;最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数,利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验,并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较,结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云;由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征,它容易把对流核的外围识别成层状云,把厚实的层状云识别成对流云,而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

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。     

基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

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。     

基于雷达资料的云分析在冰雹云短时预报中的应用

通过ARPS/ADAS云分析系统将雷达反射率因子信息引入到模式的初始场中,并结合中尺度数值模式模拟研究了2008年6月23日发生在北京周边地区的一次冰雹天气过程。结果表明:在初始场中引入雷达反射率因子信息之后,改进了初始场中水凝物信息和温度场,使得初始场更加符合实际大气状况;与未进行云分析试验比较,云分析之后,模式模拟对于雹云产生位置、强度以及移动路径有明显改进,其中3h之内的模拟效果最好;降水降雹提早1h发生,并且降水降雹的峰值也提前出现,明显减少模式spin-up时间。     

多普勒天气雷达下击暴流图像识别

以下击暴流具有的低层显著辐散特征为基础,引入图像识别中的连通区识别技术,开发出了应用于多普勒天气雷达的下击暴流图像识别算法。首先通过设置的速度阈值将径向速度进行二值化处理,然后运用8邻域法寻找速度大值区,并采用距离、夹角和正、负速度差值等条件进行约束对正、负速度大值区进行配对,最后对未成功配对的速度大值区进行邻近区域的二次匹配,从而识别出下击暴流区域。利用多个下击暴流个例实测的多普勒雷达数据对该算法进行了测试,结果表明该算法对一些较小尺度的下击暴流,尤其对受环境风场影响而具有不对称辐散特征的下击暴流有良好的识别效果。     

提高新一代多普勒天气雷达产品数据质量的途径与方法

简要介绍和探讨利用CINRAD/SA/SB/CA/CB系列(统称WSR-98D)最新Build 10雷达软件系统提高气象产品数据质量的几种途径与具体实用方法,主要包括:生成正确的地物杂波滤波控制图,对速度数据进行退模糊处理,考虑地理地形环境对降水产品质量的影响,用实际测量降水数据对雷达估测降水产品进行调整和订正,正确设置使用局地环境数据。