建立天空场景的模拟算法

建立真实感的天空场景,在环境仿真和气象现象模拟中,有着极其重要的应用价值,也是计算机可视化研究中的难题。首先通过确定色彩层次模型,改进基于中点的变位方法生成基本云图,然后使用基于图像的方法进行云图映射,最后融合气象信息要素等过程生成天空背景,并采用光照叠加、背景合成及色彩调整等方法,产生千姿百态、形象逼真的天空场景图。可在多种气象现象的模拟仿真,纹理贴图的产生以及气象信息可视化系统的开发等方面发挥重要的作用。     

气象数据三维可视化产品应用研究

针对天气预报预警等气象业务发展对三维可视化实况观测资料产品的应用需求,通过数据融合、垂直线性和反距离加权插值等算法的优化调整,实现了雷达基本反射率、国家级自动气象站观测数据和探空资料的三维可视化,动态生成三类资料的三维图像产品。利用三维可视化产品进行个例分析表明,与二维平面显示相比,气象数据三维可视化产品可以使气象工作者更加直观了解气象要素的空间分布情况,尤其是三维雷达产品,通过不同高度的雷达图可以了解雷达回波在水平和垂直方向上分布情况,对于掌握降水回波的发生发展情况很有意义。     

地面报表辅助审核模块的开发

根据业务实践,针对业务中经常出现的人为错误,开发了报表审核辅助模块。能够自动生成地面气象报表中气候概况;检测跨日界天气现象记录是否连续;因值班员漏输数据而造成的下跨降水错误;云量、能见度和日照之间的矛盾等多项检测功能。并实现了报表自动上传及检索审核单等易用工具。     

面向气象数据可视化的多功能绘图引擎研究与实现

针对气象数据可视化应用中对渲染速度和出图质量的要求,基于抽象工厂模式设计并实现了一款集多种图形渲染技术于一体的渲染引擎。通过实时切换图形渲染技术,该引擎在保持图形显示属性不变的前提下,既能够提供由硬件加速技术所享有的高性能,又能够输出高质量的矢量图形。使用该引擎的气象信息分析处理系统能够实现天气图的交互制作,海量气象数据的实时显示,用于科研论文和业务演示的矢量格式图像文件生成。因此,该绘图引擎能够较好地满足天气预报业务和气象科研两个方面的可视化需求。     

Python在CINRAD风暴数据可视化中的应用

利用Python语言实现了新一代多普勒天气雷达风暴数据的解码和可视化。通过建立风暴自动匹配方法,利用Python地理信息可视化和时间序列可视化技术,实现风暴追踪的动画显示效果;利用Python数据分析与图表可视化技术,实现风暴多维度信息的图表显示,直观展示风暴变化趋势。本文提供了一种更加通用的快速获取风暴信息的方法,为气象业务工作者使用雷达资料带来便利。同时,增强的风暴信息可视化效果提高了资料再利用价值,为专业领域的研究提供支持。     

多种发布渠道的气象服务信息综合发布平台的设计

详细介绍现有各种气象信息发布方式,分析了建立综合气象信息发布平台对现有信息发布方式进行整合的必要性。综合气象信息发布平台采用地理信息系统可视化、人机交互式的设计理念,并运用了单一信息源生成与多种信息发布模式对接的方法,在气象灾害预警、预报产品及监测资料的发布方式上具有一定的独特性和先进性。实际应用表明,该平台极大地提高了气象信息发布的效率和成功率,并为今后增加其它信息发布渠道提供了扩展的空间。     

基于移动互联网的交通气象服务系统设计与应用

设计并实现了基于移动互联网的交通气象服务系统。通过对用户定位信息与天气现象、能见度、温度、降水、风力等精细化格点数据进行融合,提供了一系列基于位置的创新性交通气象服务:道路前方高影响天气路段语音提醒及气象信息自动化语言表达、基于WebGIS服务的交通气象服务信息展示和基于精细化格点预报数据的智能导航。与传统网页单向式的信息交互方式不同,交通气象服务系统绝大部分数据存储及处理工作在服务端完成,通过Web服务实现了与客户端的双向信息传递,向用户提供精准的基于位置的信息推送。本系统已经在浙江省气象局智慧气象手机客户端中作为一个独立模块实际应用。     

基于地理信息服务的海量气象信息网络发布

针对WebGIS在海量气象数据发布中的诸多不足,通过对地理信息服务的研究,结合气象数据本身所具有的特点,对栅格气象数据的发布采用了一种灵活高效的影像金字塔模型构建算法,结合服务器端动态生成切片的方式,有效减少了I/O操作和重采样计算,从而提高了系统的处理速度。在完成矢量气象数据发布的基础上实现了各区站气象信息的多级显示,实现了气象信息资料的共享和网络发布。实践证明,采用该方式能够实现在改变缩放级别时,地图数据的快速加载以及无缝拼接,为后续气象GIS平台的开发以及高效运行奠定了基础。     

混合编程实现电视气象节目中图表的快速处理

随着经济社会的发展,公众对气象信息的需求趋于精细化。通过对电视气象节目中图表要求的分析,介绍了在Windows环境下通过VB编程对气象数据进行处理、分析,以ActiveX的方式调用Matlab、Photoshop等绘图软件二次处理加工,实现气象图表快速生成的思路和方法。利用不同软件的优势和接口技术混合编程可以提升高质量气象图表绘制的自动化程度,使大量气象数据和统计分析结果快速可视化,并通过媒体及时向社会发布,满足公众需求。     

海南省气象业务管理信息系统

海南省气象业务管理信息系统充分利用 Internet和数据库技术 ,针对主要业务系统进行实时采集、信息分析 ,实现了实时监控、评估主要业务系统的运行状况 ;实现了实时监控各类气象产品的发布情况 ;实现了实时生成各类气象业务报表和值班日志。     

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数k_c之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优k_c-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段k_c-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳k_c-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用“φ≤10%或20%”来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致“可订正厚度”减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。      

Identification of Convective and Stratiform Clouds Based on the Improved DBSCAN Clustering Algorithm

A convective and stratiform cloud classification method for weather radar is proposed based on the density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) algorithm. To identify convective and stratiform clouds in different developmental phases, two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) models are proposed by applying reflectivity factors at 0.5° and at 0.5°, 1.5°, and 2.4° elevation angles, respectively. According to the thresholds of the algorithm, which include echo intensity, the echo top height of 35 dBZ (ET), density threshold, and ε neighborhood, cloud clusters can be marked into four types: deep-convective cloud (DCC), shallow-convective cloud (SCC), hybrid convective-stratiform cloud (HCS), and stratiform cloud (SFC) types. Each cloud cluster type is further identified as a core area and boundary area, which can provide more abundant cloud structure information. The algorithm is verified using the volume scan data observed with new-generation S-band weather radars in Nanjing, Xuzhou, and Qingdao. The results show that cloud clusters can be intuitively identified as core and boundary points, which change in area continuously during the process of convective evolution, by the improved DBSCAN algorithm. Therefore, the occurrence and disappearance of convective weather can be estimated in advance by observing the changes of the classification. Because density thresholds are different and multiple elevations are utilized in the 3D model, the identified echo types and areas are dissimilar between the 2D and 3D models. The 3D model identifies larger convective and stratiform clouds than the 2D model. However, the developing convective clouds of small areas at lower heights cannot be identified with the 3D model because they are covered by thick stratiform clouds. In addition, the 3D model can avoid the influence of the melting layer and better suggest convective clouds in the developmental stage.     

先进技术微波探测仪(ATMS)云液态水路径算法评估

云液态水路径是气候和天气系统分析的重要参数,可以从卫星观测资料反演获得.目前,基于卫星微波探测仪器观测资料的云水算法可由23.8和31.4 GHz两个通道产生.本研究使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,对物理和经验两种算法反演出的云液态水路径进行验证评估.结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球洋面...     

Automatic Identification of Clear-Air Echoes Based on Millimeter-wave Cloud Radar Measurements

Millimeter-wave cloud radar(MMCR) provides the capability of detecting the features of micro particles inside clouds and describing the internal microphysical structure of the clouds. Therefore, MMCR has been widely applied in cloud observations. However, due to the influence of non-meteorological factors such as insects, the cloud observations are often contaminated by non-meteorological echoes in the clear air, known as clear-air echoes. It is of great significance to automatically identify the clear-air echoes in order to extract effective meteorological information from the complex weather background. The characteristics of clear-air echoes are studied here by combining data from four devices: an MMCR, a laser-ceilometer, an L-band radiosonde, and an all-sky camera. In addition, a new algorithm, which includes feature extraction, feature selection, and classification, is proposed to achieve the automatic identification of clear-air echoes. The results show that the recognition algorithm is fairly satisfied in both simple and complex weather conditions.The recognition accuracy can reach up to 95.86% for the simple cases when cloud echoes and clear-air echoes are separate,and 88.38% for the complicated cases when low cloud echoes and clear-air echoes are mixed.     

2008—2018年我国人工影响天气技术及应用进展

在抗旱、防雹、生态环境保护和重大活动气象保障等国家和地方重大需求的推动下,2008—2018年我国人工影响天气技术和应用得到快速发展。在气溶胶粒子、云（雾）物理垂直结构和降水形成机理等方面,开展了大量科学试验研究,取得了重要成果,建立了国家级人工影响天气实时业务数值预报模式,提高了对作业云特征和演变过程的预报能力,对作业方案的科学设计具有重要作用。在机载云粒子谱仪与成像仪、多通道微波辐射计、X波段偏振雷达、雨（雾）滴谱仪、先进火箭作业系统等核心关键技术装备的国产化研发方面也取得重要进展,研制成功国产机载云粒子测量系统、地基多通道微波辐射计和立体播撒火箭作业系统,并应用于业务,提高了作业条件监测识别和地基作业能力。建立了空中国王、新舟60等型号的先进飞机探测和作业平台,大幅度提高了作业飞行高度、续航时间和空中作业能力。在电离、飞秒激光、声波等人工增雨新技术领域开展了理论和实验探索研究,在飞秒激光诱导降雪机理实验和数值模拟等方面取得了重要进展。     

冰雹云卫星早期识别与自动预警

利用陕西、山东、贵州和新疆等地近十年日间降雹记录和对应的极轨卫星数据,采用卫星云微物理反演技术,定量分析冰雹云微物理特征,比较不同地区间差异,并利用FY-4A静止卫星定量分析一次冰雹过程云微物理特征演变,探讨冰雹云卫星识别预警应用潜力。结果表明:（1）陕西、山东等地冰雹云微物理特征具有一致性,卫星早期识别指标为:晶化温度（T_g）较冷,均值为?33°C;全部冰晶化时T_g对应的云粒子有效半径r_e（表征为r_eg）未饱和（<40 μm）,均值36.9 μm,且r_eg 越小冰雹云越强;云顶呈现r_e随高度减小带。（2）各地冰雹云早期识别指标在数值上存在一定差异,实际应用时应针对各地进行相应调整。（3）在静止卫星上,冰雹云微物理特征与极轨卫星相一致,将早期识别指标应用于FY-4A静止卫星,跟踪云团发展演变,实现自动预警。（4）经过4次降雹过程中应用,FY-4A卫星自动预警与实况吻合22次,漏报2次,自动预警平均提前约2小时。FY-4A卫星自动预警对及时有效组织实施人工防雹作业具有重要现实意义。     

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

MODIS数据云相态反演在一次暴雪过程中的应用

该文选取新疆阿克苏地区2006年11月22—24日的EOS/MODIS卫星遥感资料,同时选取相关气象站的观测资料,应用三光谱云相态反演法,对阿克苏地区暴雪云团的变化过程进行了研究,通过三光谱亮温差点聚图对云相态变化的分析,清晰地展示出该天气系统的发生、发展到最终暴雪形成过程中的物理机制。反演结果与实际气象观测情况相一致;表明三光谱云相态反演法在理论和实际应用方面具有一定优势。