利用雷达进行风暴的识别,跟踪,分析和临近预报的方法

介绍了以体积扫描的天气雷达资料为基础而建立的一种对雷暴的实时自动识别、跟踪和短时预报的方法，重点介绍该方法的一些基本概念，文中“风暴”被定义为其反射率和大小超过临界值的一邻接区域，用这种方式定义的风暴可以离散的观测时间间隔的资料来识别。按照某些几何逻辑关系去处理风暴的合并与分裂，用一种最优化方案使某一时刻的风暴与以后时刻的风暴相配对，风暴位置和大小的短时预报采用了对风暴路径历史资料进行加权线性拟合     

基于数学形态学的三维风暴体自动识别方法研究

基于雷达数据的风暴体识别、追踪及预警方法是重要的临近预报技术之一,其中准确的风暴体自动识别是进行风暴体自动追踪和预警的前提。在风暴体识别中常会碰到的两个问题是:虚假合并和从风暴簇中分离出相距较近的风暴单体。美国国家大气科学研究中心提出的TITAN(Thunderstorm Identification,Tracking,Analysis,and Nowcasting)算法使用单阈值进行识别,容易将相邻的多单体回波识别为一个风暴体。美国国家强风暴实验室提出的SCIT(Storm Cell Identification and Tracking)算法使用7个反射率因子阈值进行识别,可以较好地分离出风暴簇中的风暴单体,但它直接抛弃了低阈值的识别结果,导致风暴体内部结构信息的丢失。SCIT的这种识别策略可能会使处于初生阶段、强度较低的风暴体被错误地抛弃掉。TITAN和SCIT都无法完全识别出相邻风暴的虚假合并。为了解决这两个问题,文章提出了基于数学形态学的识别方法。该方法首先使用第1级阈值进行单阈值识别;其次,对识别得到的风暴体执行基于动态卷积模板的腐蚀操作,以消除虚假合并;然后,使用高一级阈值进行识别,并对识别得到的风暴体进行膨胀操作,当风暴体的边界在膨胀的过程中相互之间接触,或接触到了原来较低阈值识别的风暴体的边界时,则停止膨胀过程;最后,逐次使用更高级别的阈值进行识别,并在每一级阈值的识别过程中执行腐蚀和膨胀操作。试验结果表明,通过在多阈值识别的过程中综合使用膨胀和腐蚀操作,基于数学形态学的三维风暴体识别方法不仅能够成功地识别出风暴体的虚假合并,同时还能在从风暴簇中分离出相距较近的风暴单体时,尽可能多地保留风暴单体的内部结构信息。     

基于雷达回波拼图资料的风暴识别、跟踪及临近预报技术

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的区域雷达组网三维数字产品为基础,采用区域增长法实现二维风暴的识别,进而在垂直方向上进行关联以实现三维风暴的识别,并提取三维风暴的特征参数对相邻时刻的风暴进行跟踪,在此基础上对风暴未来时刻的位置及大小进行预报。个例分析结果表明:(1)用区域增长法及垂直方向的投影关联法能够实现三维风暴的自动识别,从风暴特征参数随时间的变化可以看出,体积的变化是风暴不同发展阶段的主要特征,而风暴的平均反射率因子及最大反射率因子随时间的变化特征不明显;(2)采用最优法对相邻时刻的风暴进行匹配,并考虑了合并与分裂的情况,与观测资料的对比可以看出,跟踪还是比较合理,在风暴发生合并或分裂的情况下也能够正确跟踪。对风暴历史时刻的位置通过最小二乘拟合法得到的风暴移向、移速随时间的变化曲线比较光滑,没有出现跳变的现象。(3)风暴位置的预报要好于风暴大小及VIL的预报,其主要原因是由于风暴在不断地发展变化,其合并、分裂也是经常发生的,对于未来发展趋势的预报,仅根据风暴历史时刻的发展趋势还是很难预报的。总体来说,预报误差随预报时效的增大而增加。     

基于风暴数值模拟的冰雹临近预报方法研究

该文利用基于格点冰雹识别的研究成果,结合ARPS风暴数值模式的输出结果,提出基于风暴数值模式的冰雹临近预报方法,即用风暴数值预报的水物质场反演的反射率因子场作为冰雹的预报因子,并通过建立基于格点的强冰雹识别算法作为冰雹预报模型,从而对冰雹的落区及大小做出预报。与一般的冰雹预报模型相比,新的方法有以下特点：选取的冰雹预报因子物理意义更加明确,更加全面;建立的冰雹预报模型比较稳定;建立冰雹预报模型的过程相对简单。新的方法在一次强冰雹过程中得到了成功应用,在3h的临近预报中基本准确预报了强冰雹的落区位置。     

基于雷达跟踪外推及Google Maps的强对流天气临近预报

以银川新一代天气雷达资料为核心,利用交叉相关外推算法,在本地化质量控制的基础上,实现对宁夏中北部地区0～1 h强对流天气的跟踪外推预报.建立了基于网站和高分辨率Google Maps地理信息,综合显示雷达、卫星云图、闪电定位仪等多源气象资料及其导出、预报产品的宁夏临近预报业务系统.为预报人员根据不同的地形条件、人口及工...     

一次罕见超级单体风暴的X波段双偏振雷达特征分析

利用北京房山X波段双偏振雷达资料,对2020年6月25日北京市东南部及其周边地区的一次超级单体风暴进行分析.结果表明,高空冷涡前部槽叠加地面冷锋系统是此次超级单体风暴发生的背景条件,强垂直风切变为其发展维持提供了有利的环境条件.演变过程中的有界弱回波区、三体散射等超级单体雷达典型特征明显.X波段双偏振雷达反射率因子50...     

基于雷达回波拼图资料的风暴单体和中尺度对流系统识别、跟踪及预报技术

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的区域雷达组网三维数字产品作为数据输入,在雷达基数据的SCIT(The Strom Cell Identification and Tracking)算法基础上,完成了三维格点风暴单体识别、追踪和预报,用Davis发展的客观诊断评估方法识别雷达拼图资料中的中尺度对流系统,实现了雷达数据的中尺度对流系统识别、跟踪和预报,并利用这两种方法对多个强天气过程进行风暴和中尺度对流系统识别、跟踪及预报.在单雷达区域内用原SCIT和修改后的SCIT算法做了风暴单体定量识别检验.结果表明,(1)修改后的SCIT算法能够实现三维风暴的自动识别、跟踪和预报,在单雷达区域内与原算法识别风暴数量大体相当,中尺度对流系统识别方法能够实现中尺度对流系统的自动识别,并完成跟踪和预报;(2)SCIT算法预报误差较小,中尺度对流系统算法预报误差相对较大,它们的预报误差随时间延长而增大.     

利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报

通过对近两年收集的降水过程的雷达回波资料进行统计分析,得到本地区主要降水过程类型及其回波演变特征;利用反射率因子的基数据和风廓线产品数据等资料,运用交叉相关法计算区域速度、读取风廓线得到环境风速度,自动判别降水回波类型、识别回波整体及单体移动速度;应用本地实时的dBz-I关系及线性外推法计算未来1～2 h站点降水量及面雨量,实现降水临近预报自动化;应用自动站雨量资料及雷达联合自动站资料所作的雨强实时分析场对1 h站点雨量预报及区域雨量预报进行初步检验,1～24.9 mm和≥25 mm以上站点预报的平均相对误差分别为58%、33%;区域雨量预报的雨区范围及中心分布与实况具有较好的一致性;2 h降水预报在回波较稳定时,仍有较好的预报效果.     

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。     

Synchronization of Radar Observations with Multi-Scale Storm Tracking

The 3-D radar reflectivity data has become increasingly important for use in data assimilation towards convective scale numerical weather prediction as well as next generation precipitation estimation. Typically, reflectivity data from multiple radars are objectively analyzed and mosaiced onto a regional 3-D Cartesian grid prior to being assimilated into the models. One of the scientific issues associated with the mosaic of multi-radar observations is the synchronization of all the observations. Since radar data is usually rapidly updated (～every 5--10 min), it is common in current multi-radar mosaic techniques to combine multiple radar' observations within a time window by assuming that the storms are steady within the window. The assumption holds well for slow evolving precipitation systems, but for fast evolving convective storms, this assumption may be violated and the mosaic of radar observations at different times may result in inaccurate storm structure depictions. This study investigates the impact of synchronization on storm structures in multiple radar data analyses using a multi-scale storm tracking algorithm.     

风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法评估

利用兴义新一代多普勒天气雷达复合体扫资料及WSR-88D提供的风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法对2007-2008年发生在贵州省黔西南地区的40次天气过程个例进行验证、分析,分别从单体识别、单体跟踪评估、单体位置预报、单体算法评估效果与季节关系分析、单体算法评估效果与距离关系分析、冰雹暴雨评估对比分析6个方面进行评估、分析。在充分考虑了当地地理环境、气候背景的前提下对算法评估不太理想的情况进行了误差分析,并进行了算法补偿,提出了解决的办法,一是降低识别阈值,将SCIT的7个反射率阈值降低一个等级,二是提取反射率因子垂直梯度,用上述两个改进方法对2007-2008年的40次天气过程重新进行评估,并与算法改进前的评估效果进行对比检验,结果表明,算法改进后评估效果有所提高。     

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。     

Application of Multi-Scale Tracking Radar Echoes Scheme in Quantitative Precipitation Nowcasting

A new radar echo tracking algorithm known as multi-scale tracking radar echoes by cross-correlation(MTREC) was developed in this study to analyze movements of radar echoes at different spatial scales.Movement of radar echoes,particularly associated with convective storms,exhibits different characteristics at various spatial scales as a result of complex interactions among meteorological systems leading to the formation of convective storms.For the null echo region,the usual correlation technique produces zero or a very small magnitude of motion vectors.To mitigate these constraints,MTREC uses the tracking radar echoes by correlation(TREC) technique with a large "box" to determine the systematic movement driven by steering wind,and MTREC applies the TREC technique with a small "box" to estimate small-scale internal motion vectors.Eventually,the MTREC vectors are obtained by synthesizing the systematic motion and the small-scale internal motion.Performance of the MTREC technique was compared with TREC technique using case studies:the Khanun typhoon on 11 September 2005 observed by Wenzhou radar and a squall-line system on 23 June 2011 detected by Beijing radar.The results demonstrate that more spatially smoothed and continuous vector fields can be generated by the MTREC technique,which leads to improvements in tracking the entire radar reflectivity pattern.The new multi-scale tracking scheme was applied to study its impact on the performance of quantitative precipitation nowcasting.The location and intensity of heavy precipitation at a 1-h lead time was more consistent with quantitative precipitation estimates using radar and rain gauges.     

多普勒雷达资料在暴雨临近预报中的应用

以天气雷达体积扫描的资料为基础,采用交叉相关法建立了一种对暴雨的临近预报方法。该方法的基本思路是：将第一时刻取得的雷达回波图像,向任一方向移过一定的距离,然后计算此图像与第二时刻图像之间的交叉相关系数,直到找到极大值,利用该极大值所对应的位移来预报下一时刻降水的位置。并利用“973”中国暴雨试验获得的观测资料对该方法进行了验证,验证结果表明：交叉相关法对暴雨有一定的预报能力,预报雨带的移动方向与雷达实际观测的移动方向相吻合,但其预报能力随着预报时间的增加而减弱。     

基于OPTICS聚类算法的雷达数据雷暴单体识别方法

雷达数据的雷暴单体识别算法是雷暴追踪算法的重要组成部分,传统的连续区域法只能通过改变回波强度阈值来调整雷暴单体识别结果,不能满足当前应用需求。本文提出了一种基于OPTICS(Ordering Points to Identify the Clustering Structure)算法的雷暴识别方法,该方法能基于高回波点的密度信息进行雷暴单体识别。利用高分辨率X波段天气雷达在两次雷暴过程中的体扫数据检验了算法的效果,并与传统方法进行了比较。结果表明:该方法能克服连续区域法在高分辨率雷达数据中可能出现的无法区分不同单体、识别结果过于零散等问题。并且能在不修改回波强度阈值的情况下灵活调整输出结果,以适应不同应用需求。     

VIL中心区自动识别、跟踪和临近预报

利用多普勒天气雷达体扫数据资料计算垂直累积液态含水量(VIL)，用逐步增大初始阈值法识别VIL中心区；利用动态预测面积比法、分类跟踪法以及中心区面积守恒原则相结合的方法对中心区进行跟踪；运用线性最小二乘法、线性集成法和线性外推法对中心区的重心位置进行临近预报。实例结果表明：所使用的方法能很好地识别、跟踪和预报VIL中心区。     

用雷达资料识别中尺度气旋雹暴的形成及演变

利用国产３８２４－Ｃ波段单部多普勒天气雷达资料,对１９９８年６月９日发生在北京地区的一次中尺度气旋雹暴的演变过程进行了详细的观测和分析,并对它的识别和形成过程进行了研究。