基于深度学习网络的运动目标跟踪研究

文章围绕SiamBAN目标跟踪算法展开研究,以孪生网络系列的目标跟踪技术和深度学习为理论基础,论述SiamBAN目标跟踪算法的基本原理。此外,在PyCharm集成开发环境下,构建SiamBAN网络结构,配置对应网络环境,对移动目标检测的数据集进行训练,并测试评估SiamBAN。最终实验数据表明SiamBAN网络通常具有较高的准确率和鲁棒性,但如果目标变化较大或背景干扰较强时就会跟踪失败。

海南岛一次强飑线系统演变的双偏振特征分析

2020年4月22日发生在海南岛的一次长生命史飑线系统导致海南岛中北部地区遭受大风、强降雨等气象灾害影响。结合常规气象资料及双偏振雷达等探测数据对该次飑线天气系统的演变发展过程进行分析,结果表明:该次飑线天气过程发生在副热带高压带西北边缘地区,地面受准静止锋控制,冷空气强度偏弱,主要受西南暖湿气流影响,配合地面辐合线及合适的热力条件提供较好的环境触发因素。在飑线成形至后续发展演变过程中,雷达反射率因子始终保持较强盛状态(大片云体超过55 dBZ);在飑线初始阶段(16:20—16:43),云系内部的差分反射率因子(ZDR)出现大片区域超过5 dB(垂直方向伸展至8~9 km);在飑线影响过程中海口站和文昌站上空的ZDR均在降水前期达到最大值,随后伴随降水的逐渐增大而进入减弱阶段,差分传播相移率(KDP)基本与降水强度的变化呈现同升同降趋势。此外,地闪频数在降水前期15~20 min内有明显跃升趋势,并且较ZDR提前6~12 min左右达到最大值,比KDP提前24~48分钟左右达到最大值。

2023年1月大气环流和天气分析

2023年1月大气环流的主要特征是:北半球极涡呈偶极型分布,东北亚低涡偏强。东亚大槽偏东,南支槽偏弱。1月全国平均降水量为8.8 mm,较常年同期(14.3 mm)偏少38%;全国平均气温为-4.4℃,较常年同期(-4.8℃)偏高0.4℃。月内气温冷暖起伏较大,中下旬出现3次冷空气过程,气温由上旬异常偏暖逆转为下旬普遍偏冷的格局,黑龙江出现极寒天气,漠河最低气温达-53℃,刷新我国最低气温纪录。13—16日出现年度首次大范围寒潮天气,具有降温剧烈、风力大、雨雪范围广等特点,新疆、陕西、山西、河南等地出现大雪或暴雪,北方地区出现首次沙尘天气过程。此外,上旬大气扩散和湿清除条件较为不利,出现持续性雾-霾天气。

2016~2020年北京城区和郊区PM_(2.5)爆发性增长特征对比研究

利用PM_(2.5)浓度、气象要素、NCEP以及ECMWF再分析资料等,对比分析2016~2020年北京城区和郊区的污染特征,根据多种阈值指标定义爆发性增长过程,并着重分析爆发性增长过程中的环流形势以及污染物的不同来源.结果显示,北京城郊全年污染日数呈逐年下降趋势,但秋冬季的污染日数占比2016~2017年逐年下降,2018~2020年逐年升高,城区污染改善速度慢于郊区.2016~2020年城郊污染持续时长一般≤3d,城区≥2d的污染日次数均多于郊区,且均呈逐年下降趋势.城区和郊区细颗粒物污染存在明显的相互影响特征,城区对郊区的影响更为显著.城郊爆发性增长次数和爆发性污染占比整体先下降再升高.城区发生的爆发性增长过程次数多于郊区,但爆发性污染占比城区低于郊区.爆发性增长过程出现概率≥10%的地面天气形势为均压场型和高压前部型,高空形势为纬向环流和槽后型.城区传输型爆发性增长过程出现概率最高的天气形势为高空槽后配合地面高压前部型,占比可达37.0%,郊区传输型爆发性增长过程出现概率最高的天气形势为高空纬向环流配合地面高压前部型,占比可达31.6%,城区和郊区本地型爆发性增长过程出现概率最高的天气形势均为高空纬向环流配合地面均压场型,占比分别可达34.5%和56.5%.

海陀山冬奥气象综合观测平台及研究进展

气象保障是历届冬季奥林匹克运动会(冬奥会)成功举办的最重要条件之一。延庆赛区(位于延庆海陀山区)地形复杂、山高坡陡、垂直落差大,因而观测难度大、气象数据稀少,成为影响赛区精细化预报的核心因素,对冬奥气象服务提出了严峻挑战。为此,北京市气象局组织开展了冬奥海陀山综合气象观测,针对该区复杂地形和多尺度气象影响系统构建了包含中、小、微尺度的三维立体实时综合观测平台,观测要素涵盖了三维风场、温湿度场、云和能见度、近地面湍流与辐射等。综合观测将提高对复杂山区高影响天气特征和机理的认知,为改进和提高预报模式提供数据支撑。文中系统介绍了海陀山冬奥气象综合观测平台的科学目标、观测布局、观测内容以及观测平台在降雪过程中的初步应用,最后阐述了基于该观测进一步开展的研究计划。

毫米波云雷达与激光云高仪观测数据对比分析

2013年5月1日至6月8日,中国气象局气象探测中心在中国气象局大气探测综合试验基地进行了云高观测试验,试验仪器包括:(1)毫米波云雷达(35 GHz),观测数据为回波功率值,时间分辨率1 min;(2)激光云高仪,观测数据为后向散射光强度,时间分辨率为1 min;本工作对39天试验数据进行对比分析,结果表明:毫米波云雷达数据获取率要比激光云高仪的数据获取率高26%;在雾霾天气时激光云高仪的数据获取率比毫米波云雷达低51%;降水天气对激光云高仪测量云底高度的结果影响较大,对云雷达的测量的结果影响较小;毫米波云雷达和激光云高仪测得云底高度平均相差不超过300 m,比较接近。

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日-12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵(简称收发子阵),通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°～90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP(back propagation)神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。

网络化天气雷达协同自适应观测技术的实现

2013年5月至2014年5月,中国科学院大气物理所和南京恩瑞特公司,在南京以及周边地区架设4部X波段天气雷达,组成网络化雷达,对雷暴和强降水天气进行快速预警和精细化探测。本文针对协同自适应观测技术,利用南京网络化天气雷达系统,建立单部雷达自适应和多部雷达协同自适应观测模式,实现观测控制软件核心算法,包括重点观测区域的选取和扫描策略的制定2部分,实现自动判断强回波天气区域的位置并且对重点区域进行扫描观测,扫描策略的选择与强回波区域相对雷达的位置和区域的面积有关。应用该模式进行气象观测表明:协同自适应观测模式比较合理,能够快捷准确的找到强天气回波区域,实现了对重点关注区域进行更高时空分辨率的观测。

北京SA雷达电磁干扰回波特征及质控算法初探

北京地区电磁环境复杂,雷达回波电磁干扰较为严重,且类型多样,对雷达资料的应用特别是雷达资料同化和降水估测等定量研究影响严重。本文收集2008年8月至2013年3月北京SA雷达基数据,挑选出无降水、有降水天气过程共932个雷达基数据,研究分析北京SA雷达电磁干扰的回波特征及出现原因。在此基础上,利用并改进干扰回波自动识别算法对北京SA雷达电磁干扰回波开展初步质控研究,并进行效果检验。结果表明,北京SA雷达电磁干扰回波有5种类型,分别为散点状、窄条幅状、宽条幅状、满屏螺旋带及麻点、高仰角层不明干扰回波。电磁干扰多出现在低仰角层,且对强度场影响较严重,而对径向速度场和谱宽影响较小,电磁干扰回波的出现与天气状况无关,且出现时间无规律。产生电磁干扰回波的原因主要有固定方向的远距离干扰、同频或临频的近距离干扰、雷达信号处理故障或硬件老化等。自动识别算法对于散点状、窄条幅状及高仰角层不明干扰回波处理效果较好,而对于满屏螺旋带及麻点、宽条幅状电磁干扰回波处理效果较差。

基于标准差分析法的X波段双偏振天气雷达资料质量评估

2015年9月,北京市气象局在北京地区架设4部X波段双线偏振天气雷达并开展了观测试验。本文利用其中3部雷达在2016年6月30日的观测数据,用标准差分布统计方法,对雷达的观测参量进行初步质量评估。结果表明:(1)3部雷达反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~77.9%,反射率的数据波动基本符合理论分布;(2)3部雷达差分反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的68.4%~81.4%,其中房山雷达数据波动较大;(3)3部雷达互相关系数标准差符合理论值的数据占总观测数据的45.7%~63.5%,其中房山雷达数据波动最大,其他2部雷达都有同程度的数据波动;(4)3部雷达差分传播相位标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~83.9%,其中房山雷达数据波动相对较大,与雷达其他观测参量相比,差分传播相位的波动较小。

网络化衰减订正方法在北京X波段网络化雷达中的应用

衰减是影响X波段雷达数据质量的主要因素之一,直接影响到X波段雷达在强对流监测预警中的应用效果。文中在分析中、外雷达衰减订正方法的基础上,选择并改进了一种利用雷达网中不同雷达相互订正的方法,该方法通过不断迭代运算,使订正误差达到最小,形成了适合于网络化X波段雷达的反射率因子衰减订正方法。订正结果与原始雷达数据以及差分相位(φ_(DP))订正法结果进行对比,并且还同时与北京S波段雷达观测数据进行了对比。结果表明:衰减订正对X波段雷达穿透强降水后的回波以及探测距离较远的回波效果比较明显,订正后的回波与S波段雷达观测结果比较吻合。

北京S波段天气雷达夜间晴空回波产生原因

S波段天气雷达在夜间往往能探测到大量晴空回波。根据生物随风迁飞迁徙的定向运动特征,结合L波段无线电探空数据与2018年3—10月北京S波段天气雷达数据,分析晴空回波在不同时段、不同风向下的变化,讨论晴空回波产生原因。通过天气雷达数据发现,晴空回波的反射率因子在6—8月初明显小于5月与9月,呈回波强度低谷,同时在5月与9月晴空回波高度可达2 km以上。通过与100 m,750 m和1.5 km高度的探空风向数据对比,反射率因子平均值未展现生物定向迁飞活动所导致的强度变化特征,反射率因子分布不随风向发生明显的季节性变化。与探空数据对比发现,温度垂直递减率与水平风切变大小的变化趋势与组合反射率因子变化趋势一致,认为北京地区晴空回波主要由大气边界层湍流造成。

X波段双线偏振天气雷达双通道一致性测试及分析

对房山X波段双线偏振天气雷达的天线性能、接收动态范围、噪声系数、系统定标能力以及接收双通道一致性进行测试分析,结果表明:天线增益和交叉极化隔离度最小值分别为44.73dB和36.1dB、双通道差分反射率ZDR和差分传播相位ΦDP标准差分别为0.02dB和0.26°、双通道的噪声系数最大平均值为2.02dB,均满足该雷达系统相应的指标设计要求;双通道的动态曲线特征和回波强度定标性能一致性存在差异,会对雷达系统探测数据质量造成不利影响。同时对该雷达系统的差分反射率ZDR标定方法进行了探讨,对雷达探测降水个例数据进行了分析。

Z_(DR)柱识别方法在海南地区的应用

基于双偏振天气雷达的相关研究大部分集中在雷达如何识别粒子相态、精细化探测云系垂直结构方面,专门针对差分反射率因子Z_(DR)柱的识别研究相对较少。通过对海南地区对流云系特征进行分析研究,提出一套基于双偏振雷达探测数据(2020—2021年)的Z_(DR)柱识别方法,结合多源资料对发生在海南地区的2次对流天气过程展开分析,验证Z_(DR)柱识别效果。结果表明:(1)Z_(DR)柱通常在对流云系前中期较为深厚,最大可达0℃层以上3~5 km,在空间分布上Z_(DR)柱与雷达径向速度的辐合有密切关系,其正负径向速度对的差值与Z_(DR)柱的强弱变化规律呈正相关,并且深厚的Z_(DR)柱较大概率出现在对流云系运动方向的前缘位置,与对流云团雷达反射率因子较大区域(≥50 dBz)有明显的对应关系;(2)Z_(DR)柱最大深度的变化趋势同雷达回波顶高和垂直累计液态水含量有弱相关性,雷达回波顶高和垂直累计液态水含量的变化通常滞后于Z_(DR)柱深度的变化(约12~15 min)。该方法具备识别海南岛地区Z_(DR)柱现象的能力,可以在分析强对流天气过程、人工影响天气指挥和短临灾害天气预警等方面发挥应用效益。

X波段天气雷达电磁辐射对环境影响的评估

为了定量分析X波段天气雷达电磁辐射对环境的影响,依据X波段天气雷达的主要性能参数,理论推导X波段天气雷达的电磁辐射特性,分析X波段雷达站点周边环境,对电磁辐射进行水平和垂直立体监测,理论计算和实际监测结果均表明X波段雷达电磁辐射大小满足《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)和《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T10.2-1996)的要求,电磁辐射水平低于公众曝露的控制限值。

线性规划在X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移质量控制中的应用

对X波段双线偏振多普勒天气雷达而言,差分传播相移(φDP)数据质量是影响雷达应用的关键因素,需要开展其数据的质量控制。首先利用相关系数(ρHV),差分反射率(ZDR)纹理和差分传播相移纹理特征信息剔除非气象回波,然后采用一种新的方法——线性规划来开展差分传播相移的数据质量控制。比较分析了雷达原始差分传播相移数据经过3、5、7点不同平滑点数对线性规划结果的影响,分析数据表明不同平滑点数对线性规划结果几乎无影响。将线性规划方法应用到北京组网的X波段双线偏振多普勒天气雷达差分传播相移数据质量控制上,结果表明,差分传播相移经过线性规划后,可以有效提升其数据质量,表现在:(1)差分传播相移具有累积递增属性和差分传播相移率(KDP)的非负属性,与差分传播相移和差分传播相移率应该具备的物理属性一致;(2)可以有效剔除因冰雹等大粒子产生的后向差分传播相移(δ)对差分传播相移的影响,提升其计算差分传播相移率的准确度。

2021年12月大气环流和天气分析

2021年12月大气环流的主要特征是:北半球极涡呈偶极型分布,东亚大槽偏西偏强,西太平洋副热带高压接近常年同期。12月,全国平均降水量为8.7 mm,比常年同期(10.5 mm)偏少17.1%;全国平均气温为-2.3℃,比常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃。月内出现了3次冷空气过程和1次大范围持续性雾-霾天气过程,此外超强台风雷伊正面袭击南沙群岛。

2017年11月大气环流和天气分析

2017年11月大气环流特征如下,北半球极涡呈偶极型分布;北半球中高纬度环流呈4波型分布,东亚大槽偏强,西太平洋副热带高压偏西偏强,南支槽平均位置位于90°E附近。11月全国平均降水量15.9mm,较常年同期(18.8mm)偏少15.3%,江南、华南雨日数多,全国共有58站次出现暴雨,12站日降水量超过月极大值。全国平均气温3.6℃,较常年同期(2.9℃)偏高0.7℃,全国有55站次日最高气温超过当月历史最高值,有7站日最低气温突破秋季历史最低值。月内,我国出现4次冷空气过程,3次较强降水过程,1次雾-霾天气过程。