基于深度学习的强对流高分辨率临近预报试验

强对流天气临近预报、预警在气象灾害防御中具有极为重要的地位。在气象业务中,因对强对流天气临近预报、预警准确率和时、空分辨率的极高要求,使其成为业务难点和研究热点之一。对于高时、空分辨率强对流临近预报问题,尝试用深度学习方法来解决。首先将强对流临近预报抽象成同时包含时间和空间的序列预测问题;然后基于改进的循环神经网络算法形成的自编码模型,使用京津冀地区长序列、高时空分辨率天气雷达组网拼图数据进行模型训练;最后利用基于历史0.5 h雷达回波拼图数据训练得到的端到端神经网络,预报未来1 h内的逐6 min回波演变特征。通过基于传统外推算法的临近预报方法与深度学习算法的临近预报方法进行对比,发现使用的深度学习方法可以有效“学习”到高时、空分辨率序列雷达数据特征的内在关联,通过多层神经网络构造出抽象的深层特征,能够有效捕捉到雷达回波的演变规律和运动状态。通过计算雷达回波预报的命中率（POD）、虚警率（FAR）、临界成功指数（CSI）等检验表明,相较传统外推临近预报方法,在强对流回波临近预报准确率上有较明显提高。      

闪电定位和雷达观测资料在云分析中的应用及数值试验

本文针对2016年6月山西、山东地区一次强对流活动,通过GRAPES（Global/Regional Assimilation andPrediction Enhanced System）云分析系统融合了多普勒雷达反射率三维组网拼图资料和ADTD（Active DirectoryTopology Diagrammer）闪电定位资料,对模式初始场的云水、云冰等云微物理变量进行了调整和分析,并对这次强对流过程设计了3组数值试验。结果表明:（1）云分析系统在加入雷达反射率资料以后,能在模式初始场中较准确的计算模式的初始水物质;（2）闪电定位资料转换成的替代雷达反射率对原有的雷达反射率有一定的补充作用,使模式的初始场与真实状况更接近;（3）从模式降水的角度看,在加入雷达资料以后,GRAPES云分析可以显著提高6小时以内降水的模拟效果,而闪电定位资料的加入,对中雨以上量级的降水模拟有进一步的改进作用。     

雷达径向速度资料同化中不同坐标转换方案的对比试验

利用江苏省气象局与美国强风暴实验室联合开发的高精度数值分析及预报系统(Precision Weather Analysis and Forecast System,PWAFS)对雷达资料同化中径向速度资料的两种坐标转换方案进行对比分析。Grid方案将雷达径向速度资料通过最小二乘法从极坐标映射到模式三维网格;Tilt方案将雷达径向速度资料通过双线性插值在水平方向插值至标量水平网格,但在垂直方向不进行插值,保留在雷达仰角对应的高度上。两种方案对反射率资料的处理均是插值到模式三维网格点。Grid方案在近雷达处进行平滑,在远雷达处进行插值,会导致低层数据平滑,Tilt方案减少了雷达径向风观测垂直插值引发的误差,更多的保留了雷达观测的特性。本研究分别通过龙卷、大风及梅雨锋暴雨个例对这两种方案的同化结果进行对比分析。龙卷个例中Grid方案得到了部分虚假的较大的同化风场,Tilt方案结果清楚展示了龙卷发生位置的回波及流场的精细结构。大风个例中两种方案得到的最大风速值差3 m·s^-1,Tilt方案的结果更接近观测最大风速值,且得到的大风速区分布更符合观测。梅雨锋暴雨个例中Grid方案对东北及西南两个区域的大风速区均未能很好的反映,Tilt方案得到的水平风速大值区范围明显优于Grid方案。在靠近雷达中心的低层,观测资料密集,Tilt方案能够更好的反应实际大气状态。但是因为缺乏其他观测资料进行验证,两种方案的效果还需要利用数值预报或其他方法进行对比。     

应用于L波段风廓线雷达的2 kW限幅器设计

边界层风廓线雷达为气象预报服务提供垂直性、连续性、高时空分辨率的探测数据。针对在全国各雷达站集中式雷达运行过程中限幅器频繁烧毁导致雷达停止工作的问题,设计了一种L波段2kW高功率无源限幅器。此款限幅器在电路前端引入双耦合电缆和功率电阻,增加了散热能力,一分为二限幅,使通过PIN二极管的功率降低一倍,电路后端多级二极管并联,逐级平缓限幅;具有承受功率高,限幅电平低,插入损耗小的特点。利用ADS软件进行仿真,并对限幅器进行了测试,结果表明各项指标满足设计要求。此款限幅器在边界层风廓线雷达上的应用,极大地提高了雷达稳定性。     

RBF神经网络在雷达定量估测降水中的应用研究

利用重庆气象局CINRAD/SA气象雷达降水回波资料和相应地区的地面雨量站资料,基于径向基函数神经网络,建立雷达定量估测降水模型,将其用于地面降水估测。作为比较,同时以变分法得到的Z-R关系式估测所得降水。经二者对比试验结果表明:建立的雷达定量估测降水模型的估测精度和稳定性要明显优于Z-R关系式,能较好地反映降雨的真实情况。     

基于GIS的人工影响天气系统设计与实现

综合分析与总结了人工影响天气终端软件在框架结构和GIS应用方面的现状及存在的问题,针对人影的特定业务需求,提出了基于开源GIS的插件式人工影响天气指挥系统的设计方案.以.NET为开发平台,采用插件式GIS应用框架的二次开发方式设计系统架构,同时结合GDAL与SharpMap实现系统的GIS功能需求.在此基础上,详细阐述了插件模块和各GIS功能模块的实现,并给出了人工影响天气指挥系统的具体设计方法.实际运行效果表明,该指挥系统极大地提高了人影业务功能扩展以及后期维护的效率.     

多普勒天气雷达探测揭示的台风云娜(Rananim) 登陆前后特征演变研究*

温州多普勒天气雷达(CINRAD-SA)建于面临东海的大罗山顶(海拔714m),探测环境较好,它对0414号台风云娜(Rananim)进行了系统性跟踪探测,取得了完整的基数据资料。应用该多普勒天气雷达连续探测资料,配合地面中尺度自动站加密观测资料,通过云娜台风登陆前后的螺旋云带、台风"眼"眼壁、垂直累积含水量和降水量与眼区速度谱宽、台风内中尺度环流等分析,研究了登陆前后台风强度和雷达径向速度的演变特征;同时使用MM5(V3.6)中尺度数值模式结合雷达数值产品分析,就地形对台风演变特征的影响进行了研究,初步揭示了地形影响的一些主要演变特征。研究发现:云娜台风中心登陆之前,位于海上的台风"眼"眼壁在8km高度以下基本垂直,在8km高度以上"眼"的直径明显增大。当台风登陆时,由于受地形影响,其眼壁出现向前或向右前方倾斜,台风"眼"内回波由低层向高层"填塞"。台风眼"填塞"后,台风环流重又加强,使得强回波主体(＞35dbz)仍可保持眼壁轮廓并能持续相当一段时间,这一现象在数值试验中得到了证实;在台风暴雨系统中垂直累积液态水含量(VIL)相同时,由于液态水含量的密实程度不同"降水效率"差异极大,有时可使降水量的差异达到2.5倍甚至更大;台风登陆时,眼壁速度谱宽急剧变化,从到达陆地眼壁前部的低层起到高层增大。多普勒速度谱宽的这种变化与低空西南急流的维持与否相一致。在3~5km高度以上,谱宽较为稳定,表明该高度层的西南急流稳定维持;台风登陆时,受到地形和山脉影响,最大风速半径及台风环流强度随时间的推延,低层最大环流中心移速减慢、最大风速半径开始缩小;台风暴雨的降雨强度与其气旋性涡旋的动力辐合上升强度趋于一致,从多普勒径向速度场产品可以直观地识别、判断和分析辐合辐散运动与冷暧平流的迭加风场。强降水区集中在台风的右前侧,与台风回波强度的不对称结构相一致,并有明显的"眼"的形状。台风环流在乐清砩头、永嘉中堡附近喇叭口状地形幅合作用显著;东南气流与北雁荡山脉形成的较大夹角,对暖湿气流强迫抬升作用十分明显。     

Tsallis熵和改进CV模型的海面溢油SAR图像分割

为了解决海洋表面溢油监测中合成孔径雷达(SAR)图像分割精度不高的难题,提出一种基于Tsallis熵多阈值分割与改进CV(ChanVese)模型相结合的海面溢油图像分割方法。首先采用基于Tsallis熵的多阈值选取算法对海面溢油图像进行粗分割;然后分别将得到的溢油区域和溢油粗略轮廓作为CV模型的局部区域和初始轮廓,以降低CV模型的场景复杂度及其对初始条件的敏感性。CV模型仅考虑了图像各区域的均值信息而没有考虑图像的局部信息,尽管能够得到渐进型边界图像,但其分割结果存在误差。本文采用了加入移动因子的改进CV模型降低分割误差,提高收敛速度。实验结果表明,提出的海面溢油SAR图像分割方法具有分割边界定位准确、运行高效和无需设置初始条件等优点。     

差分干涉测量黄河三角洲天然湿地水位变化研究

利用合成孔径雷达差分干涉测量技术监测湿地水位变化,对湿地保护、恢复和重建具有非常重要的意义.利用C波段VV极化和L波段HH极化合成孔径雷达影像,结合同步野外测量和调查工作,在各季节不同时间间隔下,研究不同湿地类型的后向散射特性差异和干涉相干性差异;在对影响干涉相干性的因素进行评价的基础上,建立差分干涉测量湿地水位变化监测的函数模型,利用获取的合成孔径雷达影像,分析黄河三角洲的天然湿地水位变化.研究结果表明,利用差分干涉测量技术不仅可以获取湿地水位变化,而且还能提供水位变化的空间细节,这是本技术最突出的特色.     

Determining Titan surface topography from Cassini SAR data

A technique, referred to as SARTopo, has been developed for obtaining surface height estimates with 10 km horizontal resolution and 75 m vertical resolution of the surface of Titan along each Cassini Synthetic Aperture Radar (SAR) swath. We describe the technique and present maps of the co-located data sets. A global map and regional maps of Xanadu and the northern hemisphere hydrocarbon lakes district are included in the results. A strength of the technique is that it provides topographic information co-located with SAR imagery. Having a topographic context vastly improves the interpretability of the SAR imagery and is essential for understanding Titan.SARTopo is capable of estimating surface heights for most of the SAR-imaged surface of Titan. Currently nearly 30% of the surface is within 100 km of a SARTopo height profile. Other competing techniques provide orders of magnitude less coverage.We validate the SARTopo technique through comparison with known geomorphological features such as mountain ranges and craters, and by comparison with co-located nadir altimetry, including a 3000 km strip that had been observed by SAR a month earlier. In this area, the SARTopo and nadir altimetry data sets are co-located tightly (within 5-10 km for one 500 km section), have similar resolution, and as expected agree closely in surface height. Furthermore the region contains prominent high spatial resolution topography, so it provides an excellent test of the resolution and precision of both techniques.