CINRAD三维拼图产品显示系统

新一代天气雷达三维拼图产品显示系统是采用三维VTK(Visualization Toolkit)技术,结合具体的空间体绘制算法,开发的显示平台。此显示平台针对中国气象科学院国家灾害天气重点实验室开发的新一代天气雷达3D组网拼图产品,在兼顾实时处理和事后分析的需求下,实现了包括X,Y,Z平面在内的空间任一切面的雷达回波强度显示,运用光线投影算法实现了雷达回波数据的空间整体三维重建显示。同时结合多种产品的二维平面显示功能以及二维和三维的交互功能,更为直观和全面的展现了空间回波的分布状况,使得三维组网产品的优势在业务系统上得到更大程度的发挥。

基于天气雷达网三维拼图的混合反射率因子生成技术

首先基于1:25万的DEM(digital elevation model)数据、雷达站点信息、雷达波束高斯分布模式和标准大气情况下的波束传播路径计算了雷达的波束阻挡率,并把它与雷达实测的反射率因子分布情况进行比较,发现两者具有很好的定性一致性和很强的定量相关性;其次根据设置的波束阻挡率阈值和波束下限(波束底部越过地形的高度)阈值得到不受地形阻挡的最小扫描仰角在同一平面上的投影,即混合扫描仰角,这样计算出来的混合扫描仰角与雷达扫描方式无关,可用于不同扫描方式下的混合扫描反射率因子(没有波束阻挡的最低扫描仰角的反射率因子在同一平面上的投影)的获取;然后根据混合扫描仰角,利用标准大气情况下的雷达测高公式计算等射束高度,把来自雷达网中各雷达的等射束高度进行拼接得到等射束高度拼图,其中在各雷达重叠覆盖区,取最小的等射束高度;最后利用新一代天气雷达网三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到天气雷达网的混合反射率因子,以便用于大范围降水估算算法中的降水率的计算。

多普勒雷达三维拼图资料在强对流天气监测中的应用

利用多普勒雷达三维拼图产品和石家庄新乐雷达站单多普勒雷达产品,对比分析了2008年6月23日发生在河北省中南部的一次强对流天气过程。结果表明:反射率因子和回波顶高拼图产品展现了整个对流系统自西向东发展、演变的全貌,为全面跟踪灾害性天气影响的时间和地点以及短时、临近预警提供有利依据。同时,根据反射率因子剖面图,不仅可以提前10—20 min对冰雹或大风天气做出预警,而且还可以从回波垂直剖面的形状区别冰雹或者大风,明显的回波悬垂、弱回波区和回波墙是发布冰雹预警的充分而非必要条件。

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:(1)同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;(2)对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。

新一代天气雷达网资料的三维格点化及拼图方法研究

文中研究了几种把球坐标系下的雷达网反射率体扫资料插值到统一的笛卡尔坐标系下的经纬度网格上以及用多个雷达的反射率网格资料进行三维拼图的方法,并对多个雷达同步观测的反射率因子的空间一致性、系统误差以及雷达等距离线上回波的水平和垂直结构进行了分析。结果发现:在雷达资料格点化过程中,径向和方位上的最近邻居法和垂直方向的线性内插法的结合(NVI方法)是一种有效的雷达资料分析方法,它既能得到空间比较连续的反射率分析场,同时也较好地保留了体扫资料中原有的反射率结构特征;广州雷达和梅州雷达同步观测的空间一致性比较好;在多个雷达资料合成拼图的过程中,距离指数权重平均法能提供空间连续的三维反射率拼图数据,拼图也减轻了由雷达波束几何学引起的各种问题。

新一代天气雷达三维组网产品在人工防雹的应用

基于冰雹云的雷达三维拼图反射率分布形态特征,提出在人工影响防雹作业中识别冰雹云的6个候选指标,分别是组合反射率、云回波顶高、最大反射率回波顶高、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度以及垂直累积液态水含量跃增值。基于新一代天气雷达组网数据应用风暴跟踪(SCIT)算法实现风暴跟踪并计算部分指标,形成模糊逻辑判断方法,确定防雹作业区域。结果表明,应用该方法对北京、江西的多个降雹个例进行三维风暴单体的冰雹云识别试验,对比地面降雹观测数据,计算多个个例模拟命中率>77%,误报率<26%,空报率<22%。考虑组合反射率三维形态分布特征的模糊逻辑法可以较好地识别大部分可作业冰雹云,跟踪模拟效果较好,有利于在人工影响防雹作业中的有效应用。

基于雷达组网拼图的定量降水估测算法业务应用及效果评估

基于雷达组网实时的定量降水估测(QPE)及实时评估系统在浙江省杭州市气象局成功实现了业务应用,在评估雷达定量降水估测业务应用效果的同时,根据雷达反射率因子垂直廓线(VPR)特征,探讨分析了不同类型降水过程中雷达定量降水估测的误差源。系统联合杭州、宁波、舟山、温州、金华及衢州6部新一代天气雷达的基数据资料,以及覆盖浙江省且经反距离加权(Inverse Distance Weights,IDW)法实时质量控制的雨量计观测资料,采用先雷达组网拼图再降水估测的方案,集成Z-R关系法和最优插值法反演与校准雷达定量降水估测数据场。4次不同类型降水过程的评估结果表明:(1)在地物遮挡严重的浙江西北部和雷达覆盖较差的浙江南部,降水估测的雷达反射率因子如果源于0℃层亮带,会导致雷达定量降水估测严重高估;如果源于浅薄层云云系的云顶,会造成雷达定量降水估测严重低估。(2)多种降水类型云系并存,但使用相对单一的Z-R关系,会导致梅雨和台风期间雷达定量降水估测的局部高估或低估。(3)伴随飑线系统的强对流以及台风系统的非对称性也是导致雷达定量降水估测误差的重要原因。(4)联合Z-R关系和最优插值法,有效地降低了雷达定量降水估测的系统误差,但仍然存在大量的局部误差。

多部X波段天气雷达测量偏差分布及组网拼图结果分析

在与附近新一代天气雷达对比的基础上,利用自2013年6月起中国科学院大气物理研究所的三部X波段天气雷达在江苏开展了组网观测试验的观测资料,初步对雷达的探测能力和雨区衰减做了分析和订正,同时使用了中国气象科学研究院三维组网系统,将X波段天气雷达与业务雷达资料组网,探索了X波段天气雷达的对业务雷达的补充效果。结果表明:(1)X波段天气雷达的观测数据分别受到了地物回波、遮挡及雨区衰减的影响,已对基数据做了初步的质量控制;(2)通过回波结构和廓线图的对比,经地物抑制、衰减汀正等方法质控后的数据存一定范围内具有较高的可靠性,同时三部X波段天气雷达能够有效探测到60 km内的降水结构,其回波分布较为合理,准确的反映了降水区域的特征;(3)将三部X波段天气雷达观测资料与业务中的新一代天气雷达组网后,得到了结构连续、分布更广、平滑作用更低的资料,补充了新一代天气雷达的低空盲区。

基于多雷达三维插值格点强冰雹诊断因子的强冰雹识别方法

为解决单部雷达强冰雹识别产品在雷达的探测范围、雷达的静锥区以及与基于格点的近风暴环境因子的融合上存在局限性的问题,本文建立了雷达反射率因子的三维局部空间插值及多部雷达拼图方法;类似于SCIT算法的风暴单体的VIL及SHI等冰雹识别参数的计算,基于多部雷达三维插值拼图数据集,实现了格点VIL、SHI、POH和POSH等算法,建立了基于三维格点的多部雷达强冰雹识别参数因子、风暴数值模拟的近风暴环境因子(0°层及-20°层高度)为识别参数的冰雹识别算法。为确定适合于贵州地区的冰雹识别阈值,使用贵州504个防雹炮点的冰雹观测资料及贵州2005年和2006年8次贵阳、遵义雷达站冰雹个例观测资料,建立了冰雹算法校验数据库;通过对降雹校验数据库的统计分析,建立了适于贵州地区VOD与冻结层高度统计关系式,确立了VIL密度产品的强冰雹判别阈值,并通过对WTSM的调整,改进了原来的POSH算法,在贵州西北部到中部一线的一次强冰雹过程中对强降雹区的识别效果较好。

华北区域四部雷达探测强度与定位一致性分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室开发的新一代天气雷达3D组网拼图产品,目前已经在北京、河北、广东等地投入业务试运行,相对于单部雷达的体扫产品其覆盖范围更大,使用更为方便,它为新一代天气雷达资料的深度和广度应用以及与其他观测资料的融合提供了强有力的平台。但是在组网过程中,参与组网的雷达在探测强度和定位上的差异将在很大程度上影响三维组网的效果。本文以北京、天津、张北、石家庄四部雷达为例,对各个雷达在定位、回波强度上的一致性情况进行了分析。结果表明:北京、石家庄、天津、张北雷达探测的回波位置非常一致,在回波强度上相对于其他三部雷达,张北雷达有明显的衰减。雷达定位与探测强度一致性分析为进一步提高华北区域三维组网的准确性和一致性提供了良好的支持。

影响浙江地区降水估测几个因素的分析

如何从新一代天气雷达三维拼图数据中提取用于降水估测的回波强度是提高雷达降水估测的关键,为了分析利用三维拼图数据提取出的混合扫描回波强度的质量以及对降水估测的影响,文章利用浙江省雷达和全国自动站数据,通过研究回波强度与地面雨量的关系,分析了影响基于雷达三维拼图的降水估测精度的几个要素。通过累积整个过程雷达回波强度估测的雨量和自动站采集雨量得到浙江及周边地区的比率分布,找到了两者关系的异常区:区域性回波强度比较高的区域;区域性回波强度的低估区;区域性回波强度随地形变化的区域;区域性回波强度估测较为合理的区域;随纬度增加回波强度逐渐高估的区域。通过分析发现:0℃层亮带、残余的地物回波、异常的回波强度垂直廓线、自动站的数据质量等是造成回波强度与地面雨量关系异常的原因。最后,利用部分自动站对雷达估测的降水进行订正,结果表明:自动站订正能一定程度缓解上述区域高估或低估程度。

基于SWAN和LAPS产品的人影作业参数自动估算方法研究

利用SWAN的雷达三维拼图和LAPS的特征层数据,通过自动化处理,进行人影作业临近预警和目标云识别,并计算用弹量、距离目标云最近的作业点及其发射方位角和距离,给出作业高度参考,最后生成人工增雨和防雹的作业技术参数产品。通过与实际作业情况比较发现,人工增雨防雹作业技术参数产品可提前60～30 min发出预警,提前30～0min计算出作业技术参数;预警报给出的作业站点基本都在目标云移动路径上,作业技术参数与实况基本相符;火箭弹用量误差在鄂西山区为0%～5.6%,鄂东孝感、黄冈等地误差25%～55.5%。运用该方法指导人工增雨和防雹作业,能够实现作业决策自动化和定量化,取得较好效果,对市县人影作业有一定指导意义。

雷达估测对流性降水的误差空间分布及Z-R关系的优化

新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测中,雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出Z-R关系的关键。对流性降水回波强度具有时空变化大的特点,严重影响了雷达和雨量站数据的匹配以及定量降水估测的精度。利用河南地区3次强对流天气过程的雷达和雨量站数据,通过分析雷达对流性降水与地面雨量站观测值的误差空间分布,找到如下规律:雷达回波强度严重高估点和低估点大部分位于强回波的边缘地区(单点回波强度随时间变化较大);部分位于强回波中心的雨量站观测值为零(部分时刻)。通过分析可知,突发的强降水和强回波中心容易造成雨量站观测值误差较大,因此对Z-R关系拟合造成了较大的影响。根据对流性降水回波强度变化特点和本文得到的回波强度与雨量站雨量匹配关系,在Z-R关系拟合中,提出了加入回波强度随时间变化的指标对误差较大雨量站进行剔除的方法,也提出了一种优化的回波强度平均方法和累积时间,得到了用于对流性降水估测的最佳方案。详细分析以上因素对降水估测的影响表明,通过根据回波强度随时间变化的指标对雨量站进行剔除和使用最佳降水估测方案,提高了对流性降水估测的精度。

改进的SCIT算法在人工防雹作业中的应用分析

基于新一代天气雷达三维组网产品,利用改进后的对流风暴跟踪(SCIT)算法,对2013年3月22日发生在江西省北部地区的一次降雹天气过程进行冰雹回波识别和跟踪分析。选用能反映冰雹云特征的6个基于雷达反射率三维拼图的人工防雹作业指标,借助经验阈值形成人工防雹作业条件的模糊逻辑判断方法。以地面降雹实况记录为检验标准,对改进后的SCIT算法的识别结果进行检验。结果表明,改进后的SCIT算法共识别出可实施人工作业的冰雹云对流单体4个,不仅多于观测到的地面降雹站点数(3个),也多于未改进的SCIT算法识别出的冰雹云回波单体数,且识别出的位置与实况完全一致,表明应用改进后的SCIT算法有助于增强人工防雹作业的准确率。

无穷次可重整二次多项式的共形测度

利用无穷次可重整化二次多项式三维拼图的技巧,证明了有复界无分支的无穷次可重整化二次多项式共形测度的遍历性.