深度学习模型TAGAN在强对流回波临近预报中的应用

近年来深度学习模型在解决对防灾减灾影响巨大且极具挑战性的临近预报问题的应用中日益增多。本文中,我们把临近预报作为一个时空序列预测的任务,将雷达反射率因子作为试验对象,使用基于对抗神经网络（GAN）优化构建的TAGAN深度学习模型预测未来1小时的雷达回波图像,并且与Rover光流法、基于卷积神经网络的3D U-Net模型进行对比试验。选取2018年全球气象AI挑战赛雷达回波数据集进行训练与测试,检验结果表明TAGAN模型在命中率（POD）,虚警率（FAR）,临界成功指数（CSI）以及相关系数等多种评分上要优于传统的光流法和对比的3D U-Net深度学习模型,TAGAN模型在以上的检验评分表现出色,并且随预测时间的增加较之传统光流模型效果更优,这为拓展和提升深度学习模型在临近天气预报中的应用提供了参考依据。     

苏北地区超级单体风暴环境条件与雷达回波特征

利用江苏3个探空站、5部CINRAD/SA型多普勒天气雷达、地面常规与加密自动站等观测资料,分析2005—2009年苏北地区72个超级单体风暴发生的环境条件和多普勒天气雷达回波特征。探空和地面资料分析表明,苏北地区超级单体风暴可以产生在差别相当大的环境条件下:强降水超级单体通常产生在对流有效位能较高和垂直风切变中等的环境下,经典超级单体更多地产生在对流有效位能较高和垂直风切变较强环境下;产生大冰雹和(或)雷暴大风的超级单体,无论是经典还是强降水型超级单体,其环境特征均为0℃层、-20℃等温线高度较低,850—500 hPa温差较大,低层露点不高;产生龙卷特别是F2级以上强龙卷超级单体环境特征常常表现为低层(0—1 km)垂直风切变大、850—500 hPa温差相对较小、抬升凝结高度低、低层露点高,这类超级单体在产生龙卷的同时也常常伴有短时强降水甚至极端短时强降水。多普勒天气雷达资料分析表明,苏北地区超级单体具有持久的中气旋、回波墙和有界弱回波区或弱回波区结构,可以产生大冰雹、龙卷、短时强降水和下击暴流等强对流天气;超级单体的类型主要有经典超级单体、强降水超级单体以及强降水超级单体组成的复合风暴。经典超级单体一般为孤立风暴,中气旋多数情况下位于其右后侧(相对于风暴移动方向),低层有明显的钩状回波和入流缺口,入流缺口之上存在宽大的有界弱回波区,其上有强反射率因子组成的风暴核,最强的反射率因子可达75 dBz;强降水超级单体前侧有入流缺口和旁边粗胖的凸起部分与中气旋相伴,与经典超级单体的钩状回波在形态上区别明显,同样存在有界弱回波区或弱回波区,中气旋环流中有明显的降水回波;强降水超级单体组成的复合风暴内中气旋一般位于其前侧,主要结构与强降水超级单体相似,生命史较长。超级单体结构属性分析表明,绝大多数情况下,苏北地区超级单体风暴的最大反射率因子为55—76 dBz,基于单体的垂直累积液态水含量(VIL)为35—90 kg/m~2,垂直累积液态水含量超过60 kg/m~2时风暴有可能产生大冰雹,特别是在4—6月,冰雹直径随着垂直累积液态水含量的增大而增大,因此,垂直累积液态水含量季节性高值可以用来辨别产生大冰雹的超级单体;绝大多数情况下,中气旋旋转速度大于15 m/s,直径在3—10 km,持续时间超过40 min;中气旋的底越低,直径越小,产生龙卷的可能性越大。     

S波段WSR-88D双偏振雷达观测非降水回波识别方法研究

与新一代天气雷达相比,双偏振雷达能发射水平和垂直极化偏振波,具有更多的测量信息,利于区分降水和非降水回波,在雷达定量估测降水中发挥着重要作用。本文根据双偏振雷达的测量变量(水平反射率、差分反射率和相关系数)及降水与非降水回波的结构特征,发展了一套S波段双偏振雷达数据质量控制算法,重点研究晴空回波和生物回波的识别。利用上海南汇WSR-88D偏振雷达的观测数据做测试和评估,评估结果表明该算法对南汇偏振雷达非降水回波识别准确率达93%以上,且对降水回波的误判率仅为3.82%。     

宁波新一代天气雷达在人工增雨中的应用

用新一代天气雷达对2003年8月11日夜间一次雷雨过程进行跟踪观测,发现仰角为0.5°的平显图上强度为30dBz以上回波区的移向移速及其影响宽度与雷暴单体的雨量与雨强有较好的关系,OPH与VIL产品配合使用可定出雨量中心。     

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。     

山西中部一次致灾暴雨中尺度特征

利用常规资料、自动站资料、卫星产品和雷达资料,对2010年9月19日发生在山西省中部的暴雨天气过程进行了综合分析,结果表明:①500 hPa副高强盛,由块状转为带状以及对应200 hPa图上东西向反气旋的稳定存在是低空横切变线形成和维持的背景因素,而低空低涡横切变线是暴雨的主要影响系统.②降水表现出典型的β中尺度特征,对流云团首先在低涡西侧形成,随着涡前西南气流的加强,迅速发展东移;横切变线上激发出的β中尺度强对流云团是暴雨的直接影响系统.TBB大小与未来1h降水量成反相关关系.700 hPa水汽输送的变化和500 hPa引导气流风向的变化对6h后对流云团的增强或减弱有指示意义.③此次强降水过程,与低空横切变线相对应,雷达强度回波上表现为线状回波带,其上大于45 dBz的区域即是暴雨区.④850 hPa上低涡西北侧冷平流的侵入使得低涡发展,500 hPa正涡度平流的存在是横切变线维持和发展从而导致强降水的动力因子.     

低纬高原中部一次强对流天气过程的多普勒雷达和闪电特征分析

利用MICAPS资料、多普勒雷达资料和地闪资料,分析了2008年8月1日低纬高原中部一次强对流天气过程。结果表明:台风登陆和副热带高压北抬西伸导致外围的偏东气流带来充沛的水汽和热量,为强对流天气过程提供了有利的环流背景条件;在强对流发展过程中,前部始终有入流存在,多普勒雷达回波上具有"弓"型回波、前侧"V"型槽口、弱回波区、后侧"V"型槽口等特征,强回波区与多普勒雷达速度图上的逆风区和辐合区相关;-10℃层高度上雷达回波强度≥35dBz时,才开始有地闪活动发生,负地闪占整个地闪过程的99.6%,大多数负地闪出现在强度30dBz的强回波区,对应着强辐合上升气流区,正地闪出现在回波前部的云砧或回波后部的较弱回波区域,对应着辐散的下沉气流区域;整个雷暴云发展演变过程中负地闪电流强度呈现出先增大后减小的单峰型变化特征,而正地闪电流强度基本呈现逐渐增大的直线型变化特征。     

江南夏季雷电的云回波特征分析

根据南昌713雷达取获的2000年6～7月雷暴回波，结合地面闪电及雷电灾害实况， 对夏季雷电的云回波特征、天气形势及大气稳定度进行初步分析。结果表明，强雷电回波的 产生离不开高温、高湿的大气环境。另外，强雷电与强降水、雷雨大风、冰雹等强对流天气 一样，均出自强烈发展的雷暴中，但它们在天气形势和雷达回波参数上又有所区别。     

7．25雷暴天气的雷达产品分析

本文通过分析特定天气形势下相应的CR、R、ET、VIL、OHP、V、VWP等雷达产品,总结出高原地区出现雷暴天气时以上产品的特征值。首先对2004年7月25日08时的地面和500hpa高空形势进行了分析,发现地面上有两条冷锋移近测站,高空有浅的小槽滑过。其次对相应的雷达产品CR和R的移向、强度、面积等进行了对比分析,还分析了VIL、OTH的出现时间、移向、量值及与实况降水的关系,总结了VWP的分布规律,同时分析了V回波图与实况雨带的关系。     

运动目标的主动声探测脉冲回波信号波形重构

水下主动声探测是水下目标探测的主要技术之一,其目标回波信号的模拟技术对水下作战防御、声呐和水中兵器以及水下目标探测系统的研制、实战操作训练等多项国防及民用领域具有十分重要的作用。 针对常见的 CW 和 LFM 主动声探测信号,开展了运动目标回波信号波形的重构技术研究。 在捕获得到主动声探测脉冲的条件下,利用“波形存储重发”的基本方法,根据运动目标相对运动速度,重新设置回波信号采样频率,从而实现宽带回波信号(LFM 信号)及窄带回波信号(CW 信号)的多普勒频移模拟。 根据目标回波时延信息,给出了目标回波时延重构模拟方法,并根据不同目标类型和入射方位给出了目标强度参数设置的参考。