基于模糊逻辑的地物回波识别方法及效果检验

提出一种基于模糊逻辑的新一代天气雷达地物回波识别方法。通过统计典型个例的回波特性得到隶属度函数及权重,并根据反射率因子范围的不同设置相应的隶属度函数及权重。该方法针对降水强度量级的回波,即反射率因子不小于15 dBz,对于非降水强度回波则不进行处理,从而保留对短临预报具有指示作用、且强度较弱的特征回波,如晴空湍流回波以及阵风锋回波。根据雷达回波垂直方向连续性对剔除地物回波所产生的“空洞”进行填补,从而进一步减小地物回波对雷达数据质量造成的影响。最后通过两种方法对识别算法进行效果检验,结果表明该算法对地物回波有显著的识别效果。      

多普勒天气雷达地物回波特征及其识别方法改进

非气象因子会在雷达探测时对雷达资料造成污染,并导致雷达数据的质量问题,在雷达数据应用之前必须对被污染的距离库进行识别和处理。该文在现有基于模糊逻辑识别地物回波工作的基础上,发展适合于我国CINRAD/SA的地物回波识别方法,采用北京和天津雷达2005,2006年夏季部分时段体扫资料,同时对反射率因子和径向速度以及速度谱宽进行处理,得到不同回波的各种特征, 并对各种回波特征进行分析; 考虑到隶属函数的确定是地物识别准确率的关键, 运用CSI (critical success index)评判标准确定了模糊逻辑超折射地物回波识别的最佳线性梯形隶属函数;通过识别效果分析说明该方法在识别超折射地物回波中的作用。结果表明:运用改进后的模糊逻辑法可以更好地识别地物回波, 特别是那些超折射地物回波; 与原方法相比, 改进后的方法有效减少了对降水回波的误判。     

基于模糊逻辑的分步式超折射地物回波识别方法的建立和效果分析

超折射地物是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素,文中使用合肥、广州、温州、天津的SA多普勒雷达和上海的WSR-88D资料分析了混合性暴雨降水、对流性降水、地物回波的回波强度、径向速度、速度谱宽的取值范围、水平垂直变化及其地物回波与地形海拔高度的关系等特征,并确定了模糊逻辑识别超折射地物的隶属函数.在Kessinger方法基础上,考虑到雷达径向速度的距离模糊问题和地物回波与方位的关系,提出了基于模糊逻辑的分步式地物回波识别方法,通过调整已被严格标准识别为地物和非地物的邻近区域回波点的判据,来减小地物的漏判和降水回波的误判.利用降水回波、地物回波的个例资料分析了回波强度、径向速度和速度谱宽资料在识别地物回波中的贡献,分析了分步方法对地物回波识别效果的改善.结果表明该方法能较好识别地物回波和降水回波,径向速度和速度谱宽资料在地物识别中作用明显,利用分步方法明显改善了在速度模糊区暴雨过程对流云团被误判为地物的概率.     

C波段多普勒天气雷达地物识别方法

地物回波对雷达数据应用会造成负面影响,是影响定量降水估测等产品精度的重要因素,识别并剔除地物回波是雷达基数据质量控制的一个重要内容。该文在现有S波段雷达地物识别方法的基础上,使用长治、哈尔滨两部CINRAD/CC雷达2011年观测数据,对C波段雷达地物回波特征进行分析,改进识别参量的隶属函数,建立适合C波段多普勒天气雷达的地物识别方法 (MCC方法),并对该方法进行效果检验。结果表明:S波段及C波段雷达地物回波与回波强度有关的参量分布较为相近,与降水回波的参量分布有明显区别;S波段雷达地物识别方法中与回波强度有关的参量可用于C波段雷达地物的识别,与速度有关的参量中仅中值速度可用于C波段雷达。通过统计分析与个例分析,相对于现有S波段雷达识别方法,MCC方法可显著提高C波段雷达地物回波的识别正确率,并可减少层状云降水回波的误判。     

北海714雷达回波图中的地物回波

描述了广西天气预警网络的北海７１４雷达回波图中的主要地物回波及其位置分布,同时指出,掌握了地物回波的位置分布可以从回波图中辨认出地物回波,另外,还可以根据回波的移动变化情况,直观地区分地物回波与降水回波。     

北海714雷达回波图中的地物回波

描述了广西天气驰骋警网络的北海７１４雷达回波图中的主要地物回波及其位置分布,同时指出,掌握了地物回波的位置分布可以从回波图中辨认出地物回波,另外,还可以根据回波的移动变化情况,直观地区分地物回波与降水回波。     

基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除。为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7—8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别。通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用(降水估测等)具有正贡献。     

基于支持向量机的雷达地物回波识别研究

多普勒天气雷达探测过程中的非气象因子会显著影响雷达资料的定量化应用,在雷达基数据的应用前需对雷达资料进行抑制地物杂波、去距离折叠和退速度模糊等质量控制。本文在现有的自动识别地物回波方法的基础上,提出了基于支持向量机（Support Vector Machine,SVM）识别雷达地物杂波的方法,2013年6-8月对安庆和常州两地的CINRAD/SA雷达观测资料进行雷达地物回波识别,并将其与运用人工神经网络（Artificial Neural Networks,ANNs）识别的结果进行对比,结果表明支持向量机方法能够取得更好的效果。在地物、降水回波总样本识别和地物回波识别方面更为有效;降水回波的误判方面,神经网络略优于支持向量机,但两者差异不大,都将降水回波的误判率控制在了一个较小的范围内;另外支持向量机方法较之神经网络方法对于训练样本数目的依赖性较小,在训练样本较少时,支持向量机方法仍能保持有效的识别效果。     

X波段双线偏振雷达回波强度衰减和地物回波识别订正

与常规雷达相比,双线偏振天气雷达在降水系统的准确探测、资料质量的提高等方面具有明显的优势,但X波段双线偏振雷达资料受衰减和地物的影响较大,需要进行必要的衰减和地物订正。本文以2010年7月中国气象局在广东阳江开展的遥感数据比对试验得到数据为例,用ZH和ZDR结合的方法对ZH进行衰减订正,用ZH和ZDR的方差识别地物回波,并利用反射率因子垂直廓线订正受地物影响的底层回波。将订正后的ZH与S波段雷达探测的ZH相比较,将订正后的ZH与KDP的散点图和拟合的KDP与ZH曲线关系对比验证。结果表明经过订正的ZH与S波段雷达探测的ZH一致性较好,与拟合曲线也更为吻合,说明方法能有效提高雷达资料的质量。     

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,TVR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析TVR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明：加入TVR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

新一代天气雷达海浪回波特征分析和识别方法研究

海浪回波是影响沿海雷达定量降水估测和其他产品的重要因素,根据福州、温州的SA多普勒雷达收集的海浪回波资料,按出现时间关系将其分为两类。第1类海浪回波强度一般较强,主要出现在非台风期间降水过程的前后;第2类海浪回波强度较弱且均匀,仅在台风期间的雷达位置的近海域出现。通过分析资料得到两类海浪回波不同于对应降水回波的各种特征,确定识别海浪回波的最佳隶属函数。针对第1类海浪回波,考虑到海浪回波很少与降水回波混合,采用了基于回波分块和模糊逻辑的海浪回波识别方法,首先利用算法预处理条件判断是否执行算法识别,然后采用风暴单体识别与跟踪(SCIT)算法将回波组合成块,计算每个独立回波块的属性值,对符合要求的回波块和离散回波点再进行基于模糊逻辑的逐点识别,借鉴了刘黎平等2007年提出的分步式回波识别方法并加以改进来实现回波点的动态阈值识别。针对第2类海浪回波,直接采用了基于模糊逻辑的分步式海浪回波识别方法。分析表明,两种识别方法能分别对应识别出大部分海浪回波,回波分块和分步式方法对海浪回波的识别效果有明显的改善,有效地降低了降水回波被误判为海浪回波的概率。     

新一代天气雷达地物回波及电磁干扰质控算法业务试运行评估

对雷达基数据质控方法的定量评估是业务应用推广的重要步骤。本文针对中国气象科学研究院研发的地物回波及电磁干扰回波质控算法在"新一代天气雷达建设业务软件系统开发及应用(ROSE)"系统中的业务试应用,使用2014年4—10月系统试运行的10个雷达站的数据,提出了评估方法及评估指标。利用统计和典型个例分析方法对算法进行了初步业务试运行的效果评估,验证了算法的可靠性,提出了适用范围及改进措施。结果表明:该方法对地物回波的识别成功率为92.29%,但存在漏判和误判。参与评估的CB雷达径向速度资料质量高,识别效果好;SA和SB雷达的识别效果受到了观测模式等导致径向速度资料质量变差的影响。电磁干扰回波的识别成功率为94.39%,能有效识别小于5个径向的窄条幅状干扰回波,但仍需改进算法完成对麻点状、螺旋状和大面积径向干扰回波的自动识别。对雷达资料的定量应用,需采取质控,而预报员的实时观测可根据情况进行选择性质控。     

Identification and removal of non-meteorological echoes in dual-polarization radar data based on a fuzzy logic algorithm

A major issue in radar quantitative precipitation estimation is the contamination of radar echoes by non-meteorological targets such as ground clutter, chaff, clear air echoes etc. In this study, a fuzzy logic algorithm for the identification of non-meteorological echoes is developed using optimized membership functions and weights for the dual-polarization radar located at Mount Sobaek. For selected precipitation and non-meteorological events, the characteristics of the precipitation and non-meteorological echo are derived by the probability density functions of five fuzzy parameters as functions of reflectivity values. The membership functions and weights are then determined by these density functions. Finally, the non-meteorological echoes are identified by combining the membership functions and weights. The performance is qualitatively evaluated by long-term rain accumulation. The detection accuracy of the fuzzy logic algorithm is calculated using the probability of detection (POD), false alarm rate (FAR), and clutter-signal ratio (CSR). In addition, the issues in using filtered dual-polarization data are alleviated.     

基于模糊逻辑的风廓线雷达功率谱数据质量控制研究

随着风廓线雷达组网观测系统建设的推进,质量控制是提高风廓线雷达观测资料应用效益的重要环节。通过介绍风廓线雷达回波信号的产生机理、信号与数据处理流程,研究了风廓线雷达多普勒功率谱的湍流回波与干扰回波的特征,给出了功率谱的特征量,提出了基于模糊逻辑提取大气湍流回波信息的质量控制方法,改进了多普勒速度估算的准确性。为检验质量控制方法的可靠性,以合肥2008年6月4日10:42:16(北京时,下同)东波束和8日10:36:20西波束的多普勒功率谱数据处理为例开展了风廓线观测资料质量控制的个例试验分析,结果表明处理后观测资料的可用性较好。     

A technique for verification of weather forecast and climate simulation with fuzzy sets

In the light of the idea of fuzzy neartude, a fuzzy procedure of verifying weather forecast and climate simula-tion is demonstrated. Several verification indices used in weather forecast, such as hit ratio, Heidke score, Brier score, correlation coefficient and information entropy score, are unified under fuzzy neartude and a new verifica-tion index is proposed on the basis of Hamming distance neartude. Further, D2-statistics used in climate sim-ulation verification is derived from a weighted Euclidean distance neartude. The “January climate” generated by general circulation model (GCM) is also numerically verified.     

沈阳地区浅层地温变化特征及播种期地温预报研究

为了掌握沈阳地区地温变化规律,并提供更好的大田地温预报服务,降低播种风险,提高粮食生产安全,利用沈阳地区7个气象站点1981-2015年地温和气温数据,运用数理统计方法,分析近35 a地温和气温的变化规律,建立了春播期（4月和5月）地温预报模型。结果表明：1981-2010年,年代际温度呈上升趋势,气温的变化导致地温的变化也更加明显,气温和各层地温的气候倾向率为0.426-0.549℃/10 a,4-10月0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm每一层的地温差为1.5℃、0.5℃和0.5℃;0-20 cm地温以及气温在1996年前后发生了突变;春播期西部地区0 cm、5 cm、10 cm的地温和气温差值4-5月由较低转为较高;地温预报模型t检验的P值在P=0.01水平差异均不显著,相对误差控制在±10%以内,可以用于沈阳春播期（4月和5月）地温预测。     

2010—2019年杭州地闪变化特征及其与海拔高度的关系

利用2010—2019年杭州闪电定位资料,通过数理统计、线性回归等方法分析了杭州市雷电活动时空变化特征及其与海拔的关系。结果表明：杭州地闪活动呈东多西少、南多北少的分布,密度高值区出现在西南部,低海拔地区的地闪频次较高海拔地区的地闪频次高。夏季地闪活动最为频繁,主要集中在7月和8月,春、秋季地闪频次差别不大,冬季地闪频次较其他三个季节少一个量级。夏季和秋季的地闪活动多发生在午后至傍晚,春季地闪活动在凌晨发生较为频繁,这可能与具有夜发性特征中尺度对流系统持续时间长有关。地闪强度绝对值主要集中在10—60 kA,正地闪均值随着海拔高度增加而增大,负地闪和总地闪的雷电流均值随海拔高度的上升呈“V”形变化。正地闪、负地闪和总地闪≤16 kA比例和≥100 kA的比例均随海拔高度增加而减小。在100—200 m的丘陵和200—500 m的小起伏山地,绕击率较高,超过1500 m的山区,≤16 kA的雷电流造成的绕击风险小;400 m及以下地区,≥100 kA的雷电流造成的反击概率大,高于1600 m的大起伏山地基本不会发生反击现象。     

中国55年来地面水汽压网格数据集的建立及精度评价

对气象要素网格化是气候变化研究中避免空间抽样误差的有效方法之一。文中采用薄盘光滑样条插值法（ANUSPLIN）,在考虑站点经度、纬度和海拔高度的基础上,对中国55年来地面水汽压站点资料进行空间插值,得到了中国陆地水汽压年和月平均值1°×1°网格数据集。精度检验表明：中国年水汽压插值误差普遍小于0.3 hPa;而月水汽压的插值误差由于受水汽压周期变化的影响,表现出周期性变化的特点。一般夏季较大,最大误差在0.5 hPa左右,冬季较小,约为0.2 hPa。在考虑站点海拔与对应网格DEM差值大小的基础上,建立实测水汽压值与对应网格水汽压值年序列,并进一步分析二者的相关关系,表明：（1）二者具有很好的相关性,相关系数为0.88—0.96;（2） 能很好地模拟地形影响,得到的网格水汽压可以较好地代表实测水汽压的变化趋势。由此建立了中国近55年来地面水汽压的年序列。其趋势表明：近55年来中国年平均水汽压呈增加趋势,其线性趋势为0.52 hPa/(100 a),其中西部增加趋势大于东部,且以夏季的增大趋势最为显著。结合近50年来气温的变化趋势说明：在中国,气温每增加1 ℃,大气中年平均水汽含量约增加3.15%。