Research and Implementation of a Graphic System for Doppler Radar

Doppler radar have become one of the most important instruments for weather now casting,and for meso-scale weather research because of its higher spatial and temporal resolutions. A dealing system for Doppler radar graphic was researched and implemented so as to providing a convenient tool for users. We research and realized CINRAD/XD Doppler radar's graphic system. It contains three important parts:reading,standardization and pretreatment. It can be used very easily and conveniently. Besides,the system can be expanded and transplanted simply.

基于改进Marching Cubes算法的雷达气象数据三维重建

在气象领域中,多普勒天气雷达探测到的气象数据采用以雷达站点为原点的三维极坐标系进行存储,具有形状不规则、数据量大等特征。Marching Cubes(MC)算法是三维重建中的经典算法,但应用于气象领域时存在重建效率低下和不能直接处理气象数据的缺点。为了实现气象数据的三维重建,基于MC算法提出雷达数据归一化处理与状态标记判别算法NBV-MC。该算法根据雷达基数据文件的特点对其进行归一化预处理,使用雷达基数据构建拟梯形六面体体素,对每一个六面体体素进行状态标记,在遍历六面体体素时动态判别其是否需要处理。实验结果表明,NBV-MC算法不仅解决了由于气象数据具有不规则性而不能直接用于MC算法的问题,而且可以在保证数据真实性和重建效果的情况下有效减少绘制等值面所需要的三角面片数量,提高重建速度。与MC算法相比,NBV-MC算法的重建效率提升了77.70%以上,有利于实时场景交互,便于气象研究人员直接分析雷达数据。

扩展水凝物控制变量的雷达资料同化对台风“天鸽”数值模拟的影响

利用WRF(Weather Research and Forecast)模式及WRFDA(WRF model data assimilation system)系统,针对2017年台风“天鸽”个例通过同化雷达径向速度(Vr)和反射率因子(RF),研究水凝物控制变量的雷达资料同化对台风分析预报的影响。研究表明:雷达径向速度的直接同化有效地改进了模式初始场中台风涡旋区的中小尺度信息,分析场中产生了气旋性的风场增量,对模式背景场中的台风有显著增强作用。通过在传统控制变量中扩展针对水凝物的控制变量可有效地同化雷达反射率因子资料,对初始场的水物质进行调整,并对随后确定性预报的台风路径和强度都有一定的正效果。此外,相比没有水凝物控制变量的雷达同化试验,加入了水凝物控制变量的雷达资料同化试验降水预报效果更好。这为将我国近海的地基多普勒天气雷达用于台风初始化分析和预报提供了一定的技术支撑和保障。

新一代多普勒天气雷达基数据解析软件设计与实现

为充分利用新一代多普勒天气雷达基数据,结合新一代多普勒天气雷达基数据标准格式,文章研究了使用Python语言读取和解析基数据的方法,将解析后的数据根据不同的产品、不同的扫描仰角分别存储在多个Excel文件中。将解析后的数据在Python中重绘生成,与业务用pup软件生成的产品图像对比,验证了基数据解析的准确性。该软件的业务应用可为基于雷达基数据资料的分析与研究提供数据基础。

新一代天气雷达风轮机杂波识别和剔除

针对新一代天气雷达数据存在风轮机杂波污染问题,统计分析了5种雷达基数据特征量,风轮机杂波具有较高的反射率因子隆起度和水平通道信噪比隆起度以及较大的速度奇异率,其信号质量指数接近1,谱宽接近0或大于7.0 m·s^(-1)。以特征量统计结果为基础,使用模糊逻辑算法对雷达基数据中的风轮机杂波进行特征识别,结果显示,模糊逻辑算法能有效地把风轮机杂波从各种强度的气象降水回波和固定地物杂波中识别出来。针对被识别出来的风轮机杂波,使用区域平均插值方法对雷达基数据中的风轮机杂波进行剔除,杂波剔除结果显示,气象降水条件下获得了较好的风轮机杂波剔除效果。

渤海湾海风锋雷达回波特征分析

应用天津新一代天气雷达和相应的自动气象站资料,统计分析雷达监测到的4次渤海湾海风锋的特点,并研究渤海湾海风锋与强对流天气形成、发展和消散过程演变特征。结果表明:渤海湾海风锋在低仰角(O．5°或1．5°)基本反射率产品中表现为平行于渤海湾的窄带弱回波,强度一般仅维持在15～25dBz,长度约为100～300km,宽度随着季节、天气背景场的变化而变化;并且移动速度非常缓慢,基本维持在10～15km·h^(-1)。低仰角(O．5°或1．5°)的基本速度产品上,海风锋几乎呈准静止的零速度窄带回波。当海风锋与弱冷锋相遇时,相遇交叉处能够产生强对流天气;而单一海风锋不能产生强对流天气,仅能改变气温和风向等气象要素特征。

暴雨的多普勒天气雷达速度辐合风场特征

多普勒天气雷达探测大范围强降水时,其多普勒速度回波特征既不同于单纯的暖(冷)平流的特征(S或反S形)也不同于纯粹的大尺度辐合(散)运动特征(弓状),而是暖(冷)平流和辐合(散)两种运动相结合的风场(称之为复合风场)所产生的多普勒速度特征。应用天津塘沽新一代天气雷达资料,并结合自动气象站资料和改进的EVAD技术,分析2005年8月16日发生在海河流域的一次大范围、长时间的强降雨天气过程的多普勒天气雷达资料。结果表明:(1)当低层出现暖平流和辐合运动相结合的复合风场特征时,即多普勒天气雷达速度场产品表现为自雷达中心开始,在同一距离圈上,一侧的零速度线弯向正速度区的顺转程度明显大于另一侧的零速度线弯向负速度区的顺转程度,即负速度区面积大于正速度区的面积时,降水就增强或维持。(2)当低层出现暖平流和辐散运动相结合的复合风场特征时,对应降水减弱或停止。这种对雷达速度场的辐合辐散分析将对大范围强降水的形成、发展、维持和消散具有很好的临近预报指示作用。

多普勒天气雷达风场退模糊方法的研究

文章提出了对多普勒天气雷达的风场信息进行预处理的“K 邻域频数法” ,该方法物理统计意义比较明确 ,能够有效地处理风场信息中的“噪声”问题。在此基础上 ,设计了单径向的速度扩展算法 ,并提出了“双径向 双切向”的方法 ,其效果与美国WSR 88D、NSSL和FSL的算法相当。该文还设计了一个界面十分友好的人机交互方法 ,可以达到约 90 %以上的速度扩展正确率 ,是对传统的人机交互方法的极大改进。

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。

天津地区雷暴大风天气雷达产品特征分析

应用2002—2007年天津共46次雷暴大风天气过程的新一代天气雷达资料,并结合灾情报告和地面自动气象站资料,根据雷达基本反射率回波特征,影响渤海西部雷暴大风的雷达回波形态有以下四种类型:弓状回波、阵风锋、带状回波和零散椭圆状回波,其中弓状回波对应的雷暴大风天气最为强烈,特别是弓状回波的前部和顶端突起部分;同时弓状回波主体维持时间与雷暴大风维持时间基本一致。另外,应用垂直积分液态水含量产品(VIL)进行了统计分析。结果表明:当VIL值达到或超过40kg.m-2时,随后VIL值的快速减小对于预警雷暴大风天气有指示意义,这种信息一般能够提前10分钟出现。此外,分析了雷暴大风的路径来源有四类:分别是北方路径有9次,西北路径占19次,西方路径14次和其他路径4次,其中北方路径带来的灾害相对严重。这些特征对预警渤海西部雷暴大风天气提供使用价值,同时也可提供其他地区参考使用。

移动X波段双线偏振多普勒天气雷达差分相位数据质量控制

针对移动X波段双线偏振多普勒天气雷达,提出了一套差分相位数据质量控制算法,包括地物杂波抑制、退折叠、初始差分相位调整和滤波等,然后利用2个个例分析了这种差分相位数据质量控制算法的效果。结果表明,该算法能有效地识别和消除差分相位数据中的地物杂波、退掉折叠的相位和滤除正常的随机差分相位波动。

多普勒雷达资料同化在“7.21”北京特大暴雨个例中的应用

基于WRF(Weather Research Forecast)模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,研究了同化4部多普勒雷达探测资料对"7.21"北京特大暴雨过程中降水预报的改善作用。GSI系统直接同化径向风,而采用云分析的方式间接同化反射率。2012年7月20日21时—21日00时(世界时)雷达探测资料同化试验采用30 min循环同化径向风和反射率资料。结果表明,循环同化雷达探测资料改善了短时(0—6 h)和短期(0—24 h)降水预报,ETS评分提高了约0.2。同化反射率资料增加了初始场的水凝物,改善了温度场分布,直接影响了降水的形成,同时还使650—250 hPa位势高度的均方根误差平均降低了8 gpm。直接同化径向风资料对中尺度风场产生了一定影响。ETS评分结果表明:同化反射率资料的效果要优于同化径向风。

多普勒天气雷达速度PPI图散度分布信息提取

根据大面积降水回波径向速度PPI图像产品辐合辐散特征,提出采用中值滤波法来剔除噪声污染和用逐点数据对称法来削弱回波缺失和距离折叠引起的误差。在考虑了降水粒子下落速度的情况下,采用模糊定位法来提取速度图中风速性散度特征,用直方图形式表征风向性散度特征。最后通过比较分析,说明了提取方法可较好的表征PPI速度图中的散度信息,计算散度所表征的动力学特征与大面积降水过程有较好的对应关系。

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。

新一代天气雷达基数据文件格式自动识别方法研究

多样的基数据文件格式一直是困扰新一代天气雷达资料应用的一个问题。为了解决这一问题,本文分析我国新一代天气雷达的各种不同的基数据文件格式,提出一种自动识别的方法。通过对文件二进制信息的自动分析,区分是否是基数据文件,识别基数据文件的类型。本文方法流程简单、识别准确、扩展容易,可应用于雷达数据读取模块之前,使软件以较小代价兼容多种雷达基数据文件。

雷达资料在云南一次强降水过程中的三维变分同化试验

鉴于云南观测信息相对不足、局地强降水突出的现状,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达反射率因子和反演风场的三维变分同化试验。通过对2012年9月12日00:00—13日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明,同时同化雷达反演风场和基本反射率因子,对区域模式同化系统中风矢量、相对湿度、位势高度几个基本分析量都有明显影响。雷达资料的同化,有利于区域模式初始场中强降水区域的上游中低层空气湿度增加、水汽输送增强和强降水发生区域的风场辐合加强,从而改善区域模式对强降水落区、强度的预报质量。对于切变线等天气尺度系统影响下的强降水过程,雷达资料的同化持续时间选取3 h、同化间隔为1 h较适宜。另外,雷达反演风场和基本反射率因子的同化均对降水预报改善有明显贡献,且多种资料的同化效果好于单一资料同化。

多普勒天气雷达信息网络服务系统的设计

多普勒天气雷达信息网络服务系统具有较完善的远距离雷达数据传输、数据处理和图像实时显示功能,将雷达站和Web网站捆绑在一起,实现各类观测资料共享及联网服务,便于各层次用户使用。系统用Java类压缩方法和远程调用法建立新的套接字压缩方法,实现网络上大数据量的数据传输。Java语言实现了I/O数据流与网络数据流的单一接口,用Java语言对数据文件压缩,使数据在Internet上快速传输以节省服务器的外存空间。

一种极化-多普勒气象雷达的射频干扰滤波方法

为了滤除极化-多普勒气象雷达中的射频干扰,该文提出利用谱极化滤波器,适用于同时发射同时接收(STSR)和分时发射同时接收(ATSR)体制的极化气象雷达。首先利用C波段STSR气象雷达的实测数据研究射频干扰的时域、频域和极化域特性,建立射频干扰信号模型。然后,在X波段ATSR雷达的数据中仿真加入射频干扰,验证谱极化滤波器的有效性。总体看来,在ATSR雷达中利用谱极化滤波器可以有效保留降雨目标并且滤除射频干扰。最后,针对STSR雷达提出利用数据分集的方法,STSR雷达的实测数据可以模拟ATSR雷达数据,再利用谱极化滤波器实现射频干扰滤除,同样可以取得较好的滤波效果。

多普勒天气雷达数据质量控制及流域降雨定量估算应用研究

为了充分发挥多普勒天气雷达在防洪减灾中的应用优势,数据质量控制的研究有着深远的意义。针对多普勒雷达数据短缺、异常点、晴空回波等质量问题,提出了数据短缺的插补延长方法、异常点回波处理方法和格网点基础回波处理法。并应用G IS方法实现了流域格网化和子流域划分,对比分析了多普勒雷达估测降雨数据和雨量计自记雨量数据,研究结果表明,多普勒雷达和雨量计对降雨过程的监测能力相关性较好,多普勒雷达更能展现流域降雨的时空分布。

三维变分同化机载雷达资料对飓风预报的影响研究——2012年Isaac试验

随着气旋内部资料(Inner core data)在热带气旋预报中的使用,其重要性逐渐受到人们越来越多的关注。为了研究该资料中尾部机载雷达(Tail Doppler Radar,TDR)资料在业务系统中的应用效果,本文利用2012年飓风等级热带气旋Isaac期间的TDR资料,采用业务HWRF(Weather Research and Forecasting model for Hurricane)数值模式与业务GSI(Grid-point Statistical Interpolation system)三维变分同化(Three-Dimensional Variational Data Assimilation,3DVar)系统对TDR资料进行了同化,展开了一系列预报试验,并对其效果进行了分析和研究。结果表明与HWRF的业务预报相比,GSI系统同化TDR资料后对热带气旋的路径和强度预报有明显改进;但其同化效果同时也表明业务三维变分中的静态背景误差协方差在TDR资料的应用中仍需要进一步的改进。