雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

基于SWAN和LAPS产品的人影作业参数自动估算方法研究

利用SWAN 的雷达三维拼图和LAPS的特征层数据,通过自动化处理,进行人影作业临近预警和目标云识别,并计算用弹量、距离目标云最近的作业点及其发射方位角和距离,给出作业高度参考,最后生成人工增雨和防雹的作业技术参数产品。通过与实际作业情况比较发现,人工增雨防雹作业技术参数产品可提前60 ～30 min发出预警,提前30 ～0min计算出作业技术参数;预警报给出的作业站点基本都在目标云移动路径上,作业技术参数与实况基本相符;火箭弹用量误差在鄂西山区为0% ～5.6% ,鄂东孝感、黄冈等地误差25 % ～55 .5% 。运用该方法指导人工增雨和防雹作业,能够实现作业决策自动化和定量化,取得较好效果,对市县人影作业有一定指导意义。     

利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究

新一代天气雷达很多位于地形复杂的山区,地形遮挡形成观测盲区,严重影响了新一代天气雷达数据的应用效果。利用基于高分辨率地形数据计算的波束遮挡信息,依据反射率因子垂直廓线,由高仰角无遮挡的反射率因子观测数据得到低仰角完全遮挡区的数据。以杭州雷达为例,通过直接对比反射率因子值和对比填补前后雷达估算降水效果两种途径检验了填补效果,结果表明：填补与观测“真值”有很好的一致性,填补后降水估算效果优于填补前。本文提出一种填补低仰角完全遮挡区的方法,适用于均匀性降水系统。     

江西省数字化雷达回波拼图技术方法的研究

介绍了江西省数字化雷达回波拼图的技术方法。该方法主要包括回波资料的预处理、拼图投影处理。它具有资料同一性、准确性好、方便灵活、适合业务使用等特点。     

新一代天气雷达网资料的三维格点化及拼图方法研究

文中研究了几种把球坐标系下的雷达网反射率体扫资料插值到统一的笛卡尔坐标系下的经纬度网格上以及用多个雷达的反射率网格资料进行三维拼图的方法,并对多个雷达同步观测的反射率因子的空间一致性、系统误差以及雷达等距离线上回波的水平和垂直结构进行了分析.结果发现:在雷达资料格点化过程中,径向和方位上的最近邻居法和垂直方向的线性内插法的结合(NVI方法)是一种有效的雷达资料分析方法,它既能得到空间比较连续的反射率分析场,同时也较好地保留了体扫资料中原有的反射率结构特征;广州雷达和梅州雷达同步观测的空间一致性比较好;在多个雷达资料合成拼图的过程中,距离指数权重平均法能提供空间连续的三维反射率拼图数据,拼图也减轻了由雷达波束几何学引起的各种问题.     

利用Poor-man集成预报方法改进数值预报效果研究

针对目前不同时效的数值预报结果存在“跃变”问题,基于Poor—man集成预报方法的思想,综合考虑各个时效的数值预报结果,利用最小二乘法,构建了一个预报模型,并利用2005--2010年欧洲中心下发的数值预报资料对该模型的预报效果进行了验证。结果表明,该模型较好地克服了利用单一时次预报带来的预报结果“跃变”的不足,对提高预报水平具有一定的作用。     

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。     

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。     

用反射率因子垂直廓线联合雨量计校准估测夏季区域强降水

提出了一种使用平均雷达反射率因子垂直廓线(VPR)联合雨量计校准估测地面降水的方法。选用2002年、2003年夏季长江中下游地区的宜昌和合肥新一代S波段多普勒雷达在几次大范围强降水过程中的部分时段体积扫描强度数据和周边100km范围内整理成10min一次的雨量资料,计算了区域上空短时平均VPR在地面的可能反射率因子值,并用此值反演降水,计算相对误差。同时,还分析了超短时强降水地区实时VPR的特征。结果表明：用最小二乘曲线拟合VPR数值,并联合雨量计平均校准因子估测降水,在大部分区域比较合理。与实测的降水比较可以看到,这种方法对提高估测区域性降水的精度都有效果;对于强对流性降水区域,只须用拟合法得到的地面反射率因子值估测地面降水。通过分析超短时强降水对应区域的实时VPR特征,有利于在无地面雨量计的地区通过分析VPR的特征来估测降水量的大小,结合其他要素分析降水的发展变化。     

吉林省四部五公分雷达组网拼图技术研究及实现

吉林省先后部署了白城、长春、延吉、通化4部5公分雷达。其中白城和长春是多普勒雷达,而延吉和通化是713雷达。这4部雷达的监测范围覆盖了吉林省绝大部分地区。因此,为了更好地发挥雷达实时监测和预警的作用,做好吉林省的灾害天气联防,我于2003年底开始着手进行吉林省4部5公分雷达组网拼图的研究工作,并于2004年4月完成了大部分工作。软件实现了定点、实时处理4部雷达的上传数据,并把4部雷达的强度回波进行拼图显示,与吉林省地图叠加,最终形成gif格式的文件上网下发的功能。     

用天气雷达回波强度资料估测降水

利用2004年兴义多普勒雷达体扫复合仰角的强度回波资料及自动站雨量资料,在贵州省黔西南地区进行降水估测。综合考虑了地理环境、气候、距雷达中心距离等3个因素,对下属的8县1市进行降水估测,运用了不同仰角进行多次实验,最后运用最小二乘法得到该区域的Z-I(反射率因子-降水)关系,选取2005年1-7月的部分资料进行检验对比,并对降水误差从地理环境、雷达性能等多个方面进行分析。结果表明,用此方法得出的Z-I适用性较好,准确率较高,为降水估测提供了较可靠的判据。     

气象卫星接收天线标校技术及应用

在过去的几十年中,我国气象事业的不断发展,中国风云气象卫星完成了从试验应用型向业务服务性的不断转型,因此对于卫星信号接收天线的可靠性和指向精度要求越来越高。目前用于接收风云系列极轨气象卫星下行信号的天线主要有12m和4.2m天线,其具有动态特性高、波束宽度窄等特点,因此需要在天线安装和运行期间对天线的轴系误差进行精确的标定和校准。本文在传统标校方法的基础上,提出了利用太阳进行的误差标校技术,进一步降低了标校环节的复杂程度,提高了标校精度。     

宜昌峡口区夏季暴雨天气分型及多普勒雷达特征

利用区域雷达拼图产品,结合探空、地面常规观测资料,对2010—2012年6—7月湖北宜昌峡口区暴雨的天气形势进行分型,并分析不同天气型下雷达回波演变的典型特征,可建立5种雷达回波暴雨概念模型,即副高边缘Ⅰ型、副高边缘Ⅱ型、低槽东移型、低涡暖切型和低压型。(1)副高边缘型中,副热带高压北抬至湖北境内,雷达回波带呈东西向或东北—西南向分布。I型中,宜昌南侧和北侧生成的强回波逐渐向宜昌峡口区汇合。Ⅱ型中,主要受强回波东移影响。(2)低槽东移型中,副热带高压位于长江以南,雷达回波带呈东北—西南走向,强回波也呈东北—西南向东移影响宜昌峡口区。(3)低涡暖切型中,副热带高压偏南偏弱。雷达回波带呈准东西走向,强回波较少出现。(4)低压型中,低层西南或华南存在低压横槽(倒槽),受闭合低压东北侧气流影响,强回波相继向西北方向移动。(5)副高边缘型和低槽东移型中,强回波的回波顶高和垂直累积液态水含量较高。     

气象用铂电阻温度传感器误差及补偿探讨

基于气象用铂电阻温度传感器工作原理,通过理论推导论证了其系统误差的构成形式,并提出了应用最小二乘法对其误差进行补偿。根据试验数据验证了其补偿效果,通过数据分析、对比试验,探讨了补偿方案实施的适用性和稳定性。结果表明,对于误差在±0.5℃范围内的温度传感器,最小二乘法补偿可以有效地降低其误差,提高其测量性能;但对于误差超过±0.5℃的温度传感器,部分补偿失效,即使部分开始补偿有效,使用过程中稳定性也非常差,最小二乘法补偿并不适用。     

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统.通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场.以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响.     

基于偏最小二乘回归方法的西北区寒潮延伸期预报

利用2000-2013年西北地区376个国家站逐日最低气温及NCEP FNL再分析资料,基于西北区站点降温幅度和欧亚大陆500 hPa低频高度场,使用偏最小二乘回归方法建立西北区站点寒潮延伸期预测模型,分别以2017年1月的一个寒潮日和非寒潮日为例进行预测试验,并对2014-2017年冬半年(共728 d)西北地区的寒...     

基于雷达组网拼图的定量降水反演Ⅱ:方案改进及综合评估

为提高雷达定量降水反演精度,结合多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动站降水观测资料,在利用最优化法建立辽宁本地化动态Z-I关系基础上,进一步优化雷达定量降水反演方案,分别开展了分雷达回波强度等级与分地理区域优化降水Z-I关系研究。结果表明:两种优化方案的定量降水反演评估指标均有所改善,整体而言,优化方案有效降低了雷达定量降水反演误差,降水反演能力得到进一步提高。2013年辽宁抚顺"8. 16"典型强降水个例定量降水反演结果显示,两种优化方案反演降水的空间分布形势与地面降水实况场更加接近,尤其弥补了单一动态Z-I关系法对20. 0 mm·h^-1以上量级强降水落区范围以及40. 0 mm·h^-1以上量级超强降水中心反演不足的问题,采用优化方案后的各项评估指标均大幅提升,明显改善了雷达定量降水反演的不确定性,降水反演效果具有更强的稳定性和可靠性,为灾害性短时强降水天气事件短临预报预警提供了定量参考。     

基于雷达反射率因子的降水性层状云中雨滴谱参数的反演方法与检验研究

对基于雷达反射率因子观测数据的层状云降水粒子谱参数反演算法进行研究。（1）给出层状云降水粒子谱参数的反演理论和反演算法流程;（2）选取吉林省伊通县的一次降水层状云过程进行反演试验和验证分析,利用雷达反射率因子观测数据反演得到雨滴平均直径和数浓度参数,并用放置在伊通县气象局观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测数据与近地层反演结果进行对比。结果发现,通过反演算法计算得到的滴谱与实测滴谱的变化趋势基本相同,而且反演的雨滴平均直径和数浓度在量级和数值上的大小与实测数据具有良好的一致性,说明该反演方法用于从现有天气雷达回波强度数据中挖掘出降水性层状云的微物理参数是可行的。      

利用不同方法反演冬小麦叶面积指数研究

基于高光谱数据的叶面积指数监测是快速获取冬小麦叶面积指数的重要方法。为了探究回归方法和高光谱数据变换对冬小麦叶面积指数反演精度的影响,采用逐步回归和偏最小二乘回归方法,分别建立基于冬小麦拔节期冠层高光谱数据、一阶导数光谱数据、二阶导数光谱数据和对数光谱数据的叶面积指数多元线性回归模型。结果显示,导数和对数变换能够提高冬小麦LAI反演精度,以蓝紫光、绿光、红光和近红外波段建立的一阶导数光谱数据逐步回归模型最优,建立回归模型的决定系数R2为0.974,交叉验证的RMSE为0.131,可为冬小麦LAI估算的方法选择和数据处理提供依据和参考。     

精细化网格的降水预报解析方法对比

以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)精细化网格降水预报资料、自动气象站观测资料、中国气象科学数据信息网提供的三源融合降水产品为基础,研究最邻近点法、反距离权重法、最小二乘法和双线性插值法在格点降水向站点以及格点降水插值到更细网格中的优缺点和适用性。在模式预报相对准确精细的基础上,得出以下结论:1)最邻近点法在格点向站点解析方面预报技巧评分表现最好,其次为反距离权重法;2)将降水场变换到更高分辨率的格点降水,4种解析结果和原始场均存在一定的差异,其中最小二乘法的空间形态失真最为严重;3)反距离权重法在较粗网格向更细网格变换中的平均TS评分表现最好,而最邻近点法的ETS评分最高。