Using MC Algorithm to Implement 3D Image Reconstruction for Yunnan Weather Radar Data

3D image reconstruction for weather radar data can not only help the weatherman to improve the forecast efficiency and accuracy, but also help people to understand the weather conditions easily and quickly. Marching Cubes (MC) algorithm in the surface rendering has more excellent applicability in 3D reconstruction for the slice images;it may shorten the time to find and calculate the isosurface from raw volume data, reflect the shape structure more accurately. In this paper, we discuss a method to reconstruct the 3D weather cloud image by using the proposed Cube Weighting Interpolation (CWI) and MC algorithm. Firstly, we detail the steps of CWI, apply it to project the raw radar data into the cubes and obtain the equally spaced cloud slice images, then employ MC algorithm to draw the isosurface. Some experiments show that our method has a good effect and simple operation, which may provide an intuitive and effective reference for realizing the 3D surface reconstruction and meteorological image stereo visualization.

A topological framework for real-time 3D weather radar data processing

Real-time 3D weather radar data processing makes it possible to efficiently simulate meteorological processes in digital Earth and support the assessment of meteorological disasters.The current real-time meteorological operation system can only deal with radar data within 2D space as a flat map and lacks supporting 3D characteristics.Thus,valuable 3D information imbedded in radar data cannot be completely presented to meteorological experts.Due to the large amount of data and high complexity of radar data 3D operation,regular methods are not competent for supporting real-time 3D radar data processing and representation.This study aims to perform radar data 3D operations with high efficiency and instant speed to provide real-time 3D support for the meteorological field.In this paper,a topological framework composed of basic inner topological objects is proposed along with the quadtree structure and LOD architecture,based on which 3D operations on radar data can be conducted in a split second and 3D information can be presented in real time.As the applications of the proposed topological framework,two widely used 3D algorithms in the meteorological field are also implemented in this paper.Finally,a case study verifies the applicability and validity of the proposed topological framework.

Current Status and Future Challenges of Weather Radar Polarimetry: Bridging the Gap between Radar Meteorology/Hydrology/Engineering and Numerical Weather Prediction

After decades of research and development, the WSR-88 D(NEXRAD) network in the United States was upgraded with dual-polarization capability, providing polarimetric radar data(PRD) that have the potential to improve weather observations,quantification, forecasting, and warnings. The weather radar networks in China and other countries are also being upgraded with dual-polarization capability. Now, with radar polarimetry technology having matured, and PRD available both nationally and globally, it is important to understand the current status and future challenges and opportunities. The potential impact of PRD has been limited by their oftentimes subjective and empirical use. More importantly, the community has not begun to regularly derive from PRD the state parameters, such as water mixing ratios and number concentrations, used in numerical weather prediction(NWP) models.In this review, we summarize the current status of weather radar polarimetry, discuss the issues and limitations of PRD usage, and explore potential approaches to more efficiently use PRD for quantitative precipitation estimation and forecasting based on statistical retrieval with physical constraints where prior information is used and observation error is included. This approach aligns the observation-based retrievals favored by the radar meteorology community with the model-based analysis of the NWP community. We also examine the challenges and opportunities of polarimetric phased array radar research and development for future weather observation.

基于ECOC平衡随机森林的雷达降水粒子分类

针对数据不平衡情况下的降水粒子分类问题,提出了一种基于纠错输出码(error correcting output code,ECOC)平衡随机森林的双偏振气象雷达降水粒子分类方法。首先,将多类别降水粒子数据集编码为多个二分类数据集;然后,对二分类数据集进行有放回的平衡重采样,构建多棵分类回归树;最后,利用所有的分类回归树联合进行降水粒子分类。对实测数据的处理结果表明,所提方法能够在保证总体准确率较高的情况下,大幅提高少数类的分类效果。

基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估研究

针对天气雷达的选址受净空环境直接影响的问题,提出基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估研究。采用航天飞机雷达地形测绘使命高程数据,对天气雷达净空环境进行评估,并进行方位矫正和距离矫正。测试结果表明,基于航天飞机雷达地形测绘使命数据的天气雷达净空环境评估方法的方位分辨率为0.25°,测距大于260千米;与实地勘测结果之间的误差最小,具有较好的一致性;方位角的变化幅度较小,误差小。表明研究提出的方法在天气雷达净空环境评估中具有较好的应用效果,对气象检测技术的发展有一定促进作用。

基于IDATA的气象雷达图像仿真系统

为满足军事训练的需要,开发了基于仪表软件IDATA的机载气象雷达图像仿真系统。通过模拟天线向空间脉冲回波,计算单位体积内云中含水量、降水强度、气流速度、风场等物理数据信息,建立了RGB颜色空间模型和半实物的雷达仿真平台,实现了在复杂气象条件下对强雷雨云回波的屏幕测绘,并解决了模拟余晖扫描和提高雷达搜索增益等问题,极大地改善了军事训练的效果。

赣州新一代天气雷达数据质量分析

基于江西省赣州、吉安和广东省韶关雷达数据,采用CAPPI算法,对比分析了赣州与吉安、韶关雷达1 km和2 km高度反射率。结果表明:赣州雷达与吉安、韶关雷达在强(弱)降水过程探测到的反射率变化趋势均具有较好的一致性,但反射率值略有差异,赣州雷达反射率略高于吉安、韶关雷达反射率;对于个例而言,在1 km高度上赣州雷达反射率要高于吉安雷达反射率0~5 dBZ,在2 km高度上赣州雷达反射率要高于吉安雷达反射率0~3 dBZ;赣州雷达弱降水过程探测到的反射率与韶关雷达探测结果基本一致,但在强降水过程探测到的反射率比韶关雷达偏高0~5 dBZ。

一次强对流天气的雷达和闪电特征分析

文章利用地面常规观测资料、ECMWF ERA5再分析资料、三维闪电定位资料及雷达资料对乌兰察布市2021-07-05出现的一次强对流天气进行了详细的分析和研究。文章主要分析了高低空环流形势、地面形势场和物理量场的演变特征,以及强对流天气发生时,雷达回波特征和闪电特征,为本地强对流天气的预报提供有利的依据。

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.

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。

相控阵天气雷达数据压缩技术

相控阵天气雷达较新一代天气雷达在时空分辨率上有明显的优势。随着探测能力的提高,相控阵雷达数据量急剧增长,数据传输和存储问题凸显。现有天气雷达数据压缩算法可以减少传输和存储的数据量,但现有算法并未充分考虑相控阵雷达特点,数据压缩率有较大提升空间。本文提出时空预测的相控阵雷达数据压缩算法(PARDC),使用径向预测压缩数据相关冗余。使用CHATOR雷达数据对PARDC的算法性能进行评估,试验结果表明PARDC较通用的压缩算法压缩率性能大约提升了24%。

X波段相控阵天气雷达数据质量控制研究

该文主要针对北京无线电测量研究所生产的X波段相控阵天气雷达实际探测数据中出现的ΦDP数据偏差较大的问题,提出了数据杂波剔除算法、数据平滑算法及中值滤波算法。通过研究气象目标回波的关联性,给出根据相关系数与谱宽判别数据杂波的ΦDP数据质量控制方法;同时利用ΦDP的气象特性,提出了基于ΦDP自身特性的平滑算法。通过仿真算法的可行性可知,地杂波滤除率大于或等于85%,而无效数据滤除率大于或等于80%,达到了改善数据质量的目的。

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。

SC型天气雷达实时回波显示设计与分析

为解决SC型天气雷达需要在体扫结束后才生成产品的问题,设计了SC型天气雷达实时回波显示的方案,并在三亚雷达站开展了试验。在三种方案中选择了FTP同时分发逐仰角文件和标准格式基数据的方案,并对原RDA软件和FTP传输软件进行了再次开发,使其具备同时生成以及传输逐仰角文件和标准格式基数据的功能。对SA型标准基数据、SC型逐仰角文件、SC型标准基数据所生成的19、20、37、38、61、110号产品的生成时间进行了对比,结果表明:(1)采用SC型逐仰角文件生成产品的时间与SA型雷达相当;(2)采用SC型逐仰角文件生成典型PPI产品比采用SC型基数据生成同类产品大幅度缩减了生成时间;(3)采用SC型逐仰角文件生成衍生产品与采用SC型基数据生成同类产品的时间相当。此设计方案具有通用性,可推广至全国其他型号的天气雷达使用,以缩短部分产品的生成时间,提高短时强降水、风暴的预报时效。

基于超分辨率的相控阵天气雷达数据压缩算法

随着天气雷达技术不断进步,经过双偏振和相控阵两次技术发展,数据量急剧增长。爆发性增长的雷达数据量使数据传输和存储成为制约相控阵雷达业务化的瓶颈。提出相控阵天气雷达数据压缩算法,首先对数据进行下采样,对下采样数据进行预测编码得到预测残差,再将下采样数据进行超分辨率重建得到重建残差,组合预测残差和重建残差进行熵编码输出,实现数据无损压缩。使用江苏兴化CHARTOR-XPARD双偏振相控阵雷达数据对该算法进行评估,实验结果表明,该算法较通用算法压缩率更高,较次优算法压缩率提高15%~21%,适用于相控阵天气雷达数据无损压缩。

陕西天气雷达覆盖率评估与分析

提出计算地表任意一点上空对应的特定高度的雷达探测覆盖率的方法,并利用地形高程数据,研究了陕西及周边省份23部新一代天气雷达的探测能力。此外,对3部高山雷达站负仰角观测模式进行了数值模拟,给出最优的最低观测仰角。结果表明,新一代天气雷达对陕西上空不同高度的一重覆盖率和二重覆盖率分别为:0.5 km高度为48.6%、2.3%,1 km高度为80.0%、18.9%,2 km高度为98.7%、74.5%,3 km高度为99.9%、97.1%,4 km高度均为100%。将陕西3部X波段天气雷达考虑在内的话,1 km高度的一重覆盖率和二重覆盖率分别提升至82.7%、32.1%。在此基础上,依据年平均降雨量、GDP和人口数量,提出了计算陕西境内雷达覆盖盲区(县)建设雷达优先级的方法。研究可为未来在雷达覆盖盲区建设天气雷达提供理论和技术支撑。

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。

VB读取天气雷达标准格式基数据的方法

文章利用Visual Basic(VB)语言编程,通过WinAPI的CopyMemory函数,有效解决了VB读取新一代天气雷达(CINRAD)标准格式基数据文件的二进制字节数据。为基层台站业务应用软件的适时升级,提供一种VB编程读取雷达基数据标准格式文件的方法。

重庆双偏振天气雷达(CINRAD/SAD)径向干扰去除及补偿算法研究

重庆新一代天气雷达升级为双偏振系统后,对重庆市重要天气过程的短临预报以及预警提供了更有效的数据。雷达运行中,偶尔会遇到外部电磁干扰,表现为在某几个仰角的一个或多个方位上径向射线,在业务应用中需要及时发现、去除并补偿。文中基于改进K-means++算法结合相关偏振量的判定,来实现径向干扰的识别;采用三线性插值与改进双线性插值相结合的数据插值补偿算法对剔除后的回波进行填补,最大限度地接近真实回波。通过仿真实验验证了算法的有效性。

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。