晕渲图技术在气象模式数据可视化上的应用

晕渲法根据山体阴影值的原理,利用光照角度和方向、坡度和坡向的关系来计算光通量的明暗值,利用色调的明暗来展现气象模式数据的立体感。晕渲图的着色方法是将每个格点上的明暗值作为HSV色彩模式中的明度,结合饱和度和色度获得HSV色彩值,再通过HSV色彩模式和RGB色彩模型之间的转换,使用RGB色彩模型进行着色,实现气象模式数据彩色晕渲图的绘制。本文在气象模式数据的可视化工作中,利用晕渲图技术,实现对物理概念上与地形类似的气压、位势高度等数据的三维绘制。相比于传统的等值线填色方法,晕渲图技术能够直观表现大气形势场的立体分布,以凹凸效果表现高低值天气系统,通过坡面的陡度体现天气系统的梯度变化;能够展现数据的像素级细节,识别梯度较小的涡流扰动,显示等效地形影响,帮助气象工作者更好地解释数据,为气象模式中数据处理的改进提供参考。

蒙古冷涡影响下的北京降雹天气特征分析

蒙古冷涡是诱生北京地区冰雹天气的一种主要天气系统,通过对近8年几例冰雹天气过程的分析,得出在蒙古冷涡影响下,北京地区产生的冰雹天气与其他天气类型相比,具有分布范围广、局域性强的特点。对蒙古冷涡影响下的天气形势进行详细分析,可以进一步将其分为两类,一类是蒙古冷涡后部强冷空气与前部暖湿气流交绥,地面强冷锋造成的对流天气;另一类是主冷锋后,蒙古冷涡后部不断南下的冷空气,与增温、增湿的地面低涡或切变线系统而形成不稳定大气层结造成的对流天气。同时该两类天气也有许多共同特征。如对流层低层的能量锋,大气的斜压性和层结的条件对称不稳定激发了能量锋前蕴酿已久的湿有效能量得到了有效的释放,导致对流不稳定天气的发展。对流层中层干冷空气的侵入,正的差动假相当位温平流加剧了大气层结的不稳定,强的风垂直切变更促使对流上升运动的发展。尽管这两类冰雹的各项特征的强弱程度不同,所产生的冰雹天气强弱也有差别,但都表现了有利于冰雹天气发生和发展的动力、热力特点。与其它个例比较,可以综合提出蒙古冷涡影响下冰雹天气的预报着眼点,为北京地区强对流天气潜势预报和临近预报提供理论依据。

插件技术在天气雷达数据处理软件中的应用

介绍了在多普勒天气雷达二次产品软件的编写中使用动态链接库(Dynamic-linkLibrary)技术设计的一个插件系统(Plug-inSystem)。该系统中所有的算法都设计成插件,将产品算法部分和系统本身分离,便于工程的管理和进一步开发,使研究人员能够集中精力致力于算法的实现。该系统本身也可以作为一个新算法、新产品的开发平台。

多普勒天气雷达地图系统的设计与实现

根据国家测绘局提供的地理数字线划图数据 DL G及中国新一代天气雷达CINRAD所需地图投影变换后的数据格式 ,研究天气雷达地图信息处理技术 ,设计了相应的系统软件。该雷达地图生成系统能够根据国家测绘局提供的地图数据实时生成符合我国 CINRAD要求格式的全国任何一个地点指定探测范围内的地图 。

多普勒天气雷达原始资料索引数据库设计

针对我国现阶段多普勒天气雷达网建设过程中雷达原始资料状况及气象业务发展、教学、科研工作对该类资料的管理需求,尝试设计了适于我国日前布网多普勒天气雷达原始资料的索引数据库管理系统,该系统同样可供由不同类型雷达构成的区域雷达网、全国雷达网雷达原始资料管理作参考。该数据库系统的建立采用结构化程序设计,用VisualC++6.0作为应用程序的开发工具,用MicrosoftAccess2000做数据库。实现了雷达资料信息入库,修改,查询,资料导出,资料转换,资料回放,数据库备份等功能。

用小波变换提取雷达回波图像中的辐合特征线

采用小波变换的方法对滨州雷达资料的反射率图像进行处理,得到特征线增强后的图像,将其输入自动预报系统实现特征识别,可为雷暴预报提供初步资料。

星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力

从2008年1月10日起,受强冷空气和暖湿气流共同影响,中国南方大部分地区遭遇1954年以来罕见的冰冻天气,此次天气过程持续时间长、冰冻范围广、受灾程度重。文中简要介绍了毫米波雷达的探测特点及衰减特性;重点利用CloudSat卫星上搭载的3 mm波长云廓线毫米波雷达(CPR)的探测结果分析了1月28日、2月10日南方冰雪天气形成的云物理机制,并且与C波段测雨雷达探测结果对比;结果表明:(1)毫米波雷达具有高空间分辨率,能够清楚地反映云的垂直和水平结构,且清晰地反映云中0℃层融化带的垂直特征。(2)1月28日湖南冻雨、2月10日贵州冻雨分别是"冰雪-雨-过冷雨"和"过冷云-过冷雨"两种典型的云物理机制,云内0℃层融化带的强度和厚度与近地面温度的高低是能否形成冻雨天气的关键因素。(3)毫米波雷达在冰冻天气研究中有很大的应用潜力;充分将毫米波雷达与天气测雨雷达以及其他遥感手段结合,可以取长补短、相得益彰。发展毫米波探测技术将对研究各种天气形成的微观物理机制、云物理的发展、气候变化的研究及人工影响天气等工作均有重要意义。

天气雷达资料实时并行处理方法

利用共享存储多处理器的集群环境,研究高频度实时多部天气雷达资料处理的并行计算方法,根据单部天气雷达的计算特点和多部雷达混合处理的方法,提出一种粗粒度消息传递接口分布式内存和细粒度OpenMP共享内存混合编程的2级并行方法。实验结果表明,该方法使系统资料处理速度得到较大提高。

临近预报系统(SWIFT)中风暴产品的设计及应用

介绍了临近预报系统"SWIFT"(Severe Weather Integrated Forecasting Tools)中的风暴产品的设计,包括风暴识别、风暴追踪和风暴预报。在识别风暴时,采用了多反射率因子阈值、特征核抽取和相近单体处理技术,并保留远距离上的强的2D风暴,该方法在面对成串或成簇多单体时,能够分离多个单体核,并准确定位。在风暴追踪和预报算法中,对当前时刻识别出来的风暴,利用匹配方案,将其与前1时刻的风暴建立对应关系,追寻历史轨迹,匹配方案是在空间位置相关的前提下,按照相似原则进行;风暴预报采用TREC(Tracking Radar Echoes by Correlation)技术获取的移动矢量场进行外推,提供未来1小时内的风暴移动位置。在北京奥运会天气预报示范项目(Forecast Demonstration Project,简称FDP)第二次测试期间,该风暴产品得到应用。分析表明:在预报时效为30分钟时,风暴产品在X轴和Y轴上的平均绝对误差为7.1和6.2 km,样本数为3891个;随着预报时效的增加,风暴产品的平均绝对误差增大,且在经向上的误差略大于纬向上;在径向上,风暴产品的预报出现了系统性的偏慢,而在纬向上,预报出现了系统性的偏快。

一种等值线填充并行算法

通过获得的计算机CPU个数对要形成的网格场进行子区域划分,对各子区域用反距离加权插值法,双线形插值方法将离散气象数据格点化后形成网格数据场,对各子区域进行OPENMP的并行算法处理形成等值线填色场。实验结果表明,并行计算使系统的处理速度有较大提高。

天气雷达组网拼图并行处理方法研究

天气雷达组网拼图并行处理的目的就是为了满足实时业务的需求,通常的串性方法在雷达运行的六分钟周期内不能完成。利用共享存储多核处理器的高性能服务器,研发了高频度实时全国天气雷达资料处理的并行计算系统,根据单部天气雷达处理和多部雷达拼图的特点,提出了进程级别和线程级别细粒度的OpenMP共享内存编程的两级并行方法,给出一个合理的派生线程粒度数,同时利用共享内存文件的方法提高程序的执行效率。实验结果表明,使用两级的并行计算等方法可以满足全国天气雷达实时处理的要求。利用并行计算实现实时性要求高的业务系统是重要的手段。

基于VTK的雷达基数据交互式三维重建功能及其业务应用

介绍了在自研的《气象雷达基数据结构分析软件》的基础上,通过空间三维插值方法和VTK(Visualization Toolkit)图形图像库显示技术,实现天气雷达基数据三维可视化的功能,该软件可运行于多种操作系统。三维重建功能支持多项交互式操作,能够快速突出雷达回波的结构特征:允许在雷达平面图上选定任意矩形区域进行三维重建;支持地形和雷达回波的叠加;具备缩放、漫游和视角变换功能;提供不同数值区间的透明度和光照系数调整;实现多种类型的切面视图和三视图。最后,本文结合软件在强对流单体、台风等个例中的应用情况,展示了三维重建功能如何帮助预报员快速掌握风暴结构及其演变规律。

改进的客观分析诊断图形软件

客观分析诊断图形系统是一款面向气象科研,得到广泛应用的二维气象绘图软件。根据气象科研工作和强对流天气分析研究的新需求,对该软件进行了改进,主要包括增加新数据接口、增加新算法、改进算法、简化操作等。改进的软件增加了静止卫星、新一代天气雷达和二进制格式点加工数据GRIdded Binary 2(GRIB2)等多种数据接口,增加了等熵面分析,交叉相关回波移动计算(CTREC)矢量计算,雷暴识别、追踪、分析和临近预报(TITAN)对流风暴追踪、强对流天气的监测和统计、多种新图形和图形裁剪等新算法,改进了等值线、流线、矢量、地图、不规则数据分布图等的生成、显示和编辑功能,还改进了软件中的数据处理、操作方式和输出图像效果。新软件仍存在一定不足,其功能还需要进一步增强。

FOSE系统中的新一代天气雷达拼图及单站产品制作

气象数据宽带通信网的建设为实现全国新一代多普勒天气雷达资料的实时应用提供了支撑。本文介绍了国家气象中心预报业务支持环境(FOSE)下的,基于准实时PUP产品的高频度全国和区域雷达拼图以及单站雷达产品的设计制作方法和业务化流程。作者参与开发的雷达拼图产品制作服务程序充分考虑了业务实际需求,设计灵活,投入使用以来运行稳定。

SWAN2.0系统的设计与实现

强对流天气短时临近预报系统(Severe Weather Automatic Nowcasting,SWAN)是面向短时临近监测、分析、预报、预警制作等功能为一体的业务平台。SWAN2.0基于MICAPS4(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 4.0,人机交互气象信息处理和天气预报制作系统)二次开发框架,采用C/S架构,服务器部署在省级,负责收集数据,运算SWAN产品;客户端部署在气象台站,实现具体的预报业务,并形成算法二次开发接口。SWAN2.0新增了三维变分风场反演、基于分雨团技术的雷达降水估测、冰雹识别等方法,实现了算法管理、产品生成、分析处理、资料检索显示、实时监控报警、预警产品制作等功能。SWAN2.0业务系统已在全国试用,在强对流天气监测、分析和短时临近预报预警中发挥了重要作用。

基于精细化降水分布的山洪气象条件分析

提出了天气雷达联合地面雨量计估测降水的局地分级平均校准方法。以该方法得到的精细化降水分布(0.01°×0.01°)为基础,对重庆綦江石角流域(面积707 km^2)2008年5月28日、2009年8月5日和2010年6月23日的3次洪峰过程进行了山洪气象条件分析。结合由数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)资料计算的流域河道出口距离分布,提出了流域出口无损径流序列(假设降水全部转换为径流)的预报方法。结果表明:与局地平均校准法相比,局地分级平均校准法对强降水的估计效果更好。无损径流预报对预测山洪发生的可能性具有参考意义。

强天气监测和潜势预报系统

该文介绍了国家气象中心的强天气监测和潜势预报系统(NMICAPS短时预报版),该系统是在NMICAPS系统的基础上,为满足国家气象中心的强天气监测和潜势预报业务的需求而开发的。系统采用Linux操作系统平台,在资料检索、数据分析、地理信息应用等几个方面进行了改进,并增加了一些针对强天气潜势预报的功能。该系统操作简便,基本能够满足该项业务的需要。

标准化气象数据服务接口设计与实现

为统一气象应用系统数据对接方式,规范气象数据使用环境,以国省两级气象信息化行动方案为纲领,采用Spring Boot和Spring Cloud微服务框架,设计和开发了标准化气象数据服务接口。标准化气象数据服务接口遵循气象信息化标准体系,采集和加工各类气象数据后汇入气象数据资源池,统一通过RESTful API发布数据,为全宁波市气象应用系统提供标准化数据对接服务。该接口改变了应用程序直接读取数据库的旧模式,降低了应用系统的开发成本,同时加强了运维部门对各类气象数据访问的监控和管理。文章主要介绍了气象数据服务接口的设计和开发过程,并详细描述了开发过程中涉及的接口规范、业务流程和关键技术。

双偏振雷达偏振参量产品在宁波的初步释用

介绍了S波段双偏振雷达偏振参量差分反射率Z_(DR)、差分传播相移率K_(DP)和相关系数CC等产品及已有的研究成果,利用宁波市双偏振多普勒天气雷达对两次不同系统降水过程的雷达探测资料进行释用。研究表明:差分反射率Z_(DR)可以识别降水粒子的相态和尺寸,也可以识别上升气流;相关系数CC可以识别粒子相态的均一性,在实际应用中结合ZH、Z_(DR)可较好地判断降水物的具体形态,特别是可对冰雹进行识别和预警,同时也可清晰地识别融化层;差分传播相移率K_(DP)在强降水过程中能较好地发挥作用,同时可以识别湿冰雹,但是在ZH<40 dBZ时,对降水强度的区分效果不明显。常规参量和偏振参量产品需互相参照,才能更好地体现双偏振雷达的真正价值。

宁波市短临业务平台建设的思考

短临预报服务是气象工作的短板,宁波市气象台把十三五期间宁波市气象局建设市县一体化业务平台作为突破口,在认真调研学习先进地区先进做法的基础上,结合本地实际情况,提出了加强基础数据链路建设、短临技术引进和开发、统筹业务应用功能建立可扩充业务平台、充分结合终端用户需求的业务拓展、及能满足多资料监控报警功能业务化和开发坐席的多功能平台等建设思路,以期能承上启下,高效地做好短临预报服务。