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.     

COTREC方法在江西地区的应用和检验

基于江西及其周边地区的雷达组合反射率拼图,将二维Boussinesq(水平无辐散)质量连续方程约束至江西地区的TREC风场,得到改善后的TREC风场(COTREC风场),并基于COTREC风矢量开展了江西地区雷达回波的外推。个例分析表明,经过二维无辐散连续方程约束后,COTREC风中的噪声和不一致得到了显著的平滑,其风速水平梯度和风向切变都显著减小。基于COTREC风外推的雷达回波在形态上也得到了明显的改善,其外推回波中由风场的噪声或不一致引起的异常失真回波明显减少。为了进一步评估TREC和COTREC方法的外推表现,对2018年7月1—31日江西地区有明显降水的287个时次的雷达回波分别进行了1 h和2 h外推。结果表明:相对于TREC方法,COTREC方法在1 h和2 h的外推时间上均能改善外推回波的精度,其外推回波与实况的相关系数和TS评分均较TREC方法高。     

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。     

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。     

用质心跟踪法预报强对流天气的试验研究

利用１９８７－１９９１年６－８月间影响北京地区的１３次西北路径强对流天气过程数字化雷达回波资料，用质心跟踪法，分别对不同强度等级廓线的飑线回波带整体，和选择其中对预报地区有影响的快（条）状回波，作移动客观外推预报试验及分析。结果表明，质心跟踪法对强对流雷达回波具有较好的客观外推预报能力。其中，有选择的块（条）状回波的移动外推预测效果比飑线回波带整体要好，而两者又均以不衰减的回波区外推预报效果最好，     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。     

雷达回波外推预报的误差分析

基于天气雷达资料的外推预报是灾害天气临近预报的基础,选取4次强降水过程分析了外推预报的误差.主要分析方法包括3个步骤:(1)采用多尺度回波跟踪方法确定雷达回波的运动场;(2)采用半拉格朗日平流方案对雷达回波进行外推;(3)预报结果和观测结果进行对比.利用去相关时间方法分析了雷达回波的可预报性,利用预报技巧评分和相对绝对误差对外推预报的误差进行了定量分析.此外,还分析了外推预报的误差与尺度之间的关系,以及外推预报中的不确定因素 回波强度变化和回波运动场变化在预报误差中的相对重要性.这4次强降水过程的误差分析表明,预报误差随预报时效的变化基本上是以指数规律递减的,大尺度的降水系统对应较长的持续性,对于发展演变较快、尺度较小的风暴,其持续性较短.     

结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近外推预报方法研究

研究设计了一种结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近智能外推预报方法,该方法在外推预报时效(0—2 h)内即利用中尺度高分辨率模式信息对外推进行约束.首先将模式风场和雷达回波轨迹风场融合成融合风场,然后利用融合风场光流外推形成动力约束外推;并在此基础上利用模式诊断产品和雷达历史资料通过投票回归器集成多种深度学习算法构建回...     

交叉相关算法在强对流天气临近预报中的应用

利用"雨燕"临近预报系统的雷达回波外推算法,对三次强对流个例的3 km CAPPI反射率因子、回波顶和垂直累积液态含水量进行0～1小时外推预测,将预测结果和组合阈值比较进行强对流天气预警区域预报试验。资料来源于CINRAD-SB雷达基数据经RPG算法处理得到的雷达产品数据。所用的方法是在扩展后的交叉相关追踪算法基础上实现雷达回波移动预测。试验结果表明:3 km CAPPI反射率因子、回波顶和垂直累积液态含水量雷达产品与实况有较好的吻合,能较好地预报出回波的形状、变化趋势和移动方向,回波的范围、位置和强度中心与实况相似,外推时间越短,预报效果越好。交叉相关追踪算法外推得到的雷达回波结果在0～1 h内是可用的;外推预测结果经过组合阈值的过滤后,得出的强对流天气预警区域预警结果也是可行的,对强对流天气临近预报有一定指示意义。     

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。      

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。     

新一代天气雷达、雷电资料的分析与应用

利用闪电定位资料和多普勒雷达资料,分析了山西一次大范围暴雨天气过程。结果表明,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。雷达回波显示,在低层存在不利于对流发展的环境风场特征时,降水回波在向测站移动的过程中趋...     

天气雷达回波区域拼图实现方法

针对目前天气雷达存在型号繁多、开机时间不定等问题，提出天气雷达回波图像功率、时间、空间的归一处理方法，将不同雷达的回波图像归一化，为拼图提供统一的数据源，利用重叠区域回波技术构成组网雷达回波图像，采用球面投影技术，得到较为理想的天气雷达区域回波图。     

中小尺度强对流天气的雷达回波图像生成方法

为生成复杂环境下的优质雷达回波图像,减少目标信息缺失现象与相对成像误差,提出基于中小尺度强对流天气的雷达回波图像生成方法。采用可最大限度保留雷达回波特性的傅里叶插值法,形成空间分辨率均匀的雷达回波三维规则网格数据;基于改进变分贝叶斯理论,实现中小尺度对流天气雷达回波图像超分辨重现,生成雷达回波图像。试验结果表明,该方法处理后的中小尺度强对流天气雷达回波范围与原图相似度高,可最大程度留存雷达回波信息,该方法能够生成清晰的雷达回波图像,且不存在目标信息缺失现象,相对成像误差极小。     

新一代天气雷达均一性评估

为实现对全国天气雷达不同波段、不同型号、不同区域的回波差异进行检测和评估,确保雷达组网数据的均一性,利用经过严格数据质量控制后的单站雷达CAPPI格点数据,建立了可靠的相邻雷达回波强度均一性检测算法,并根据我国天气雷达回波差异实际状况制定了均一性评估标准,实现均一性算法的业务运行,使雷达观测同一区域回波反射率的实时均一性评估成为可能。从评估结果来看:①S波段雷达整体均一性强于C波段雷达,SA雷达均一性状况最好,CC、CD雷达均一性状况较差;②以SA型号雷达为主的华东、华南地区均一性较好;③雷达波段不一,型号繁多的偏远区域均一性较差。均一性评估系统对有回波但回波强度、回波位置不正确以及雷达数据时间错位的情况,能有效弥补其他质控算法的短板,及时发现雷达回波异常,缩短故障修复时间,提高雷达数据准确性。     

高分辨率模式雷达回波预报能力分析

利用2018年7—8月GRAPES_3 km、东北短临(WRFRUC)高分辨率模式综合雷达回波预报数据和辽宁省SWAN雷达组合反射率(MCR)实况,基于邻域法FSS评分指数,分析模式在台风北上和副热带高压边缘暴雨过程中的雷达回波预报能力。结果表明:两家模式在不同降水过程中对小阈值雷达回波有较好的预报技巧,随着回波量级增大,模式预报FSS逐渐减小,雷达回波55 dBz时,FSS甚至为0。当邻域半径是3时,35 dBz以下的回波预报中GRAPES模式在台风北上暴雨中的预报技巧低于副热带高压边缘,35 dBz则相反。WRFRUC模式始终表现为台风北上暴雨中预报较好。当邻域半径9时,WRFRUC模式在台风暴雨中的FSS评分高于GRAPES模式,GRAPES模式在副热带高压暴雨中的FSS评分始终高于WRFRUC模式。GRAPES和WRFRUC模式的最大FSS评分技巧均出现在邻域半径是11时,分别为0.239和0.195。GRAPES模式中FSS评分在12 h逐小时预报中前3个时次较强,WRFRUC模式则表现为中间时次强,两头弱。     

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。     

新一代天气雷达在临近预报和灾害性天气警报中的应用

利用新一代天气雷达制作临近天气预报和灾害性天气警报,必须从天气雷达观测入手.需根据临近预报和灾害性天气警报需求制定观测方法.不同预报对象,要采取不同的雷达资料的数据处理方法,以便突出预报对象的回波特征.制作临近预报和灾害性天气警报的主要依据是雷达回波分析,掌握回波演变的全过程是雷达回波分析的基础,根据回波特征判断识别影响本地区的天气系统,通过回波分析判断回波的未来发展趋势.为了从回波上识别灾害性天气,需要建立各种灾害性天气的识别判据和方法.预报的主要方法是外推法,但预报结果还需要预报员根据预报经验最后作出预报结论.为了做好临近预报和灾害性天气警报,建立预报流程是非常重要的.     

两次雷暴过程的地闪及回波特征

利用闪电定位系统、多普勒天气雷达、探空和降雨量资料,对南通地区2009年两次雷暴过程的地闪、降雨量和雷达特征进行了详细分析。结果表明:闪电主要集中在较强回波区域,40dBz及以上回波区域地闪尤为密集,但也有部分地闪尤其是正闪,发生在强回波边缘或回波弱的地方;40dBz回波高度突破-10℃温度层结高度的时间提前于第1次地闪,与地闪频数的变化一致性高;雷暴云发展过程中40dBz及以上雷达回波面积和地闪频数跳变较为一致,但出现连续降水时回波面积虽大,地闪频数反而减少;逐时降雨量和观测站周围20km范围内的地闪频数与时均40dBz及以上回波面积的相关性非常好。     

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。