秦微1,2,张其林1,2,赖悦1,2,姜苏1,2,陈媛1,2,苏建峰1,2

为了更好的利用闪电资料和雷达回波资料来对雷电进行临近预警,本文以深圳地区2012年4月一次强飑线过程为例,分析该次过程中的闪电活动与雷达回波特征,发现地闪分布与雷达回波强度之间表现出很好的对应关系。因此,本文采用TITAN(Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting)算法对这次强风暴过程中40dBZ以上的强回波区进行识别、跟踪和外推,并与闪电高密度区域的识别、跟踪和外推结果进行对比分析。结果表明：TITAN算法识别效果理想,且识别结果与单体的发展旺盛程度有关;另外,雷达强回波区和闪电高密度区的外推精度与外推开始时刻、外推时间的长短有关;利用闪电高密度区进行外推时,外推的质心误差小于雷达强回波区的外推质心误差。     

基于地闪定位资料的雷暴识别

TITAN算法常用于对雷达体扫资料进行雷暴识别与追踪;但使用的雷达体扫资料成本较高,相比之下地闪定位资料成本较低且易于获得。因此,将TITAN算法运用到地闪定位资料中,探索TITAN算法对地闪定位资料的适用性以及在TITAN算法中地闪定位资料能否取代雷达资料。利用山西省一次雷暴活动过程地闪定位资料,使用TITAN算法对雷暴能够进行了很好地识别;且得出算法阈值选取的大小会影响雷暴的识别。     

江西一次大暴雨过程的雷达回波特征与闪电活动

利用雷达拼图和闪电数据等资料,对2016年6月19日江西北部地区出现的大暴雨天气进行分析,结果表明:大暴雨天气具有典型的密实块状结构向规整带状演变的特征,回波中心强度大于50 d Bz,大于45 d Bz的强回波高度较低,集中在6 km以下;过程共出现地闪19 153次,其中正地闪894次,负地闪18 259次,负地闪的频数远超过了正地闪,占总地闪的95%y以上;闪电均发生在大于50 d BZ的雷达回波内,尤其在55 d BZ以上强回波中心区域地闪密集,在其后部大片连续的弱回波区(35 d BZ)内仅有零星闪电发生,以负地闪为主;地闪分布与雷达回波强度有很好的对应关系,地闪密集区随强回波中心移动,同时地闪密度随着回波强度增大(减小),总体上呈增强(减弱)趋势;雷达回波合并时地闪明显加强,回波分散减弱时地闪明显减弱。     

基于ConvLSTM的气象雷达回波外推

针对传统雷达回波外推方法存在数据利用率低、预报精度不高等局限,利用定标后的青海大学校内X波段天气雷达监测数据,建立ConvLSTM深度学习模型进行回波外推,并与传统光流法的外推结果进行对比。结果表明:(1)在不同的输入时长和外推时间中,ConvLSTM的精度都明显优于光流法,在第1.5小时内的平均预测误差比光流法低69%。(2)模型输入时间恒定为30 min时,误差随外推时间的增加随之增大;在空间分布中,误差随着高度层的增加呈上升趋势,且回波与700 hPa的气压有较好的相关性。因此,与传统雷达回波外推方法相比,ConvLSTM模型的预测精度高,并且能有效延长外推时长。     

基于梯度预测网络的气象雷达图像外推算法

针对基于循环神经网络的雷达图像外推算法难以表示雷达回波复杂变化的问题,提出GhuLSTM时空预测递归网络模型,用于高精度雷达图像外推.该模型利用时空记忆单元变体提取和传递雷达图像空间和时序上的高层特征信息,并利用相邻递归状态之间的差分信号处理雷达回波体演变的高阶非平稳性.同时在网络中加入梯度公路结构,以缓解雷达图像序列外推中时序梯度快速消失的趋势.试验结果表明,相较于目前主流的雷达回波外推算法,该模型的均方误差降低了18.9%,平均绝对误差降低了2.8%,峰值信噪比提升了5.5%.     

“20060717”低纬高原强雷暴天气过程分析

 利用雷电定位系统、多普勒天气雷达等监测资料和MICAPS 1°×1°客观分析场,对发生在云南省低纬高原2006年7月17日强雷暴天气过程进行分析,结果表明:低层辐合区和高低层之间风向切变为此次强雷暴天气过程提供了有利的环流背景,同时台风减弱形成的低压辐合区外围的高能高湿、强烈热力不稳定和中低层上升运动为雷暴天气的形成提供了有利的环境条件;闪电定位网共监测到33 125闪电回击,闪电高密度出现在滇中,在0.1°E×0.1°N面积上24 h最大达594次,闪电最高峰出现在16:00~17:00之间;此次强烈雷暴过程是由多普勒天气雷达上探测到3条中尺度对流系统(MCS)先后自东向西或自东北向西南影响云南省造成的,回波强度在40~55 dBz之间,风辐合、逆风区、垂直风切变、大的径向速度维持等中尺度特征有利于对流回波的发展,引起强雷暴天气和雷电现象的发生.     

东北较高纬度地区夏季闪电与雷暴相关参数的关系研究

利用VLF/LF闪电定位系统数据,并结合多普勒雷达以及卫星云图资料,对2009~2010年较高纬度东北地区夏季的闪电与雷暴相关参数的关系进行了研究.结果表明:闪电多发生在雷达回波强度大于40dBz的区域,雷暴发生闪电时其30dBz雷达回波最大高度大于6km;在雷暴的演变过程中,闪电的峰值时间略滞后于30dBz雷达回波最大高度的峰值;闪电频数和30dBz雷达回波最大高度存在指数增长关系;闪电主要发生在云顶红外温度在210~240K的区域,在消散阶段,雷暴云云顶高度降低、红外温度较高.     

云南中部一次雷暴过程的多普勒雷达和电场特征分析

利用闪电定位系统、大气电场仪和多普勒雷达等多种探测资料,对2009年7月20日导致云南省中部地区发生5起雷电灾害事故的1次雷暴过程进行了分析.结果表明:在雷暴天气过程中,无论是大气电场仪范围内还是雷达回波内的地闪都是以负地闪占绝对主导地位;雷暴期间电场值在-12.540～13.907 kV/m之间剧烈变化,且不断向正向或负向突变;负地闪主要发生在强回波区,对应着径向速度场上的逆风区,成熟阶段增加的正地闪分散地出现在弱回波区中;整个雷暴过程中-10℃层回波强度维持在40 dBz以上,-20℃层回波强度在35 dBz以上,-10℃层和-20℃层雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跳跃发展,且总在地闪频数变化之前11～30 min;回波顶高均大于9 km,地闪最密集时段,回波顶高保持在14 km左右.     

改进的光流法在回波外推预报中的应用

为了充分利用雷达资料进行强对流天气的临近预报,通过改进的光流法反演风场并对雷达组合反射率因子进行0~1 h的外推预报。为了提高传统光流法外推预报的准确性,采用金字塔分层技术,减小由于回波移速较快造成的反演误差,提高反演风场的计算精度和运算效率;并且采用半拉格朗日外推方案改进外推,保持回波的旋转性,提高回波预报效果。试验及评分结果表明,改进后的光流法改善了强对流天气的预报效果。     

星载雷达高度计OCOG算法性能研究

给出了星载雷达高度计OCOG跟踪算法的使用步骤 ,明确指出该算法的特点是不仅考虑回波前沿部分 ,还考虑偏离天底点较远位置的回波拖尾部分 .通过与常规跟踪算法WSG进行仿真比较 ,显示了该算法产生的距离误差信号具有更宽泛的线性范围 ,能够保证回波前沿锁定在观测窗内 ,得到的等效信噪比更大 ,而均方根误差又能小得多 ,是一种鲁棒性良好的跟踪算法 .     

双偏振多普勒天气雷达监测雷电的分析

为了更有效开展雷电的实时监测和预警,利用S波段双线偏振多普勒天气雷达回波资料和闪电定位仪数据,对2009年7月初发生在江苏的一次雷暴天气过程进行了分析。在有闪电的回波区,闪电频次峰值出现在水平反射率因子42dBZ处,集中在34~46dBZ之间;闪电频次峰值出现在差分反射率因子ZDR的0.4dB处,主要集中在-0.4~1.4dB;闪电频次峰值出现在差分传播相位常数KDP的1°/km处,集中在0~2°/km附近;闪电频次峰值出现在相关系数ρhv的0.98处,集中在0.96以上。而无闪电回波的偏振参量都明显小于发生闪电回波的值。通过对雷暴回波单体偏振参量随时间变化的分析,发现偏振参量和闪电频次之间有较好的一致性。随着闪电的发生和频次的增加,回波单体的反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差分传播相位常数KDP都有不同程度的逐步增加。最大时ZH达47dBZ、ZDR达到2dB以上、KDP达到2.5°/km。     

基于SCIT算法的X波段天气雷达冰雹预警研究

基于SCIT冰雹识别与跟踪预警算法,是在分析冰雹云雷达反射率特征和雷达回波参量演变识别基础上,针对X波段全固态多普勒天气雷达的冰雹识别预警效果进行仿真研究。通过X波段天气雷达数据样本实例分析,研究对冰雹概率POH、强冰雹概率POSH和预期最大冰雹尺寸MEHS参数冰雹形成条件的智能识别判断,得到X波段天气雷达雹体序列号、雹体位置、雹体移动速度、雹体移动方向等模拟仿真参数信息。算法研究在冰雹识别、人工防雹中的可用性,可有针对性地进行基于位置的冰雹预警信息发布和冰雹灾害防御。     

光流法以及结合机器学习在临近预报中的应用

通过采用Gunnar Farneback的稠密光流跟踪法对雷达反射率进行2h外推,并结合半拉格朗日外推方法,保持天气系统回波的旋转效应,可有效提高回波短临预测的精准度。结合该方法外推的回波结果及历史降水观测,采取机器学习中Conv LSTM(空间深度学习)的模型结合Z-R关系进行1h降水预测,结果表明其降水预测的空漏报率低于SWAN业务系统QPF预测结果。     

基于龙岩市新一代天气雷达资料的冰雹识别与预警

利用福建省龙岩市2001~2013年41次冰雹过程的新一代天气雷达资料,对冰雹和雷雨大风、短时强降水,以及冰雹自身过程发展阶段和成熟阶段的雷达数据进行了对比分析,结果表明,三体散射、V型缺口、钩状回波等是冰雹特有的雷达反射率回波的形态特征;回波强度、强回波核高度、回波顶高和VIL可用于判断冰雹,其阈值分别为60d Bz、5.3km、8km和30kg/m~2。冰雹的雷达强回波核(≥60d Bz)高度都在零度层以上,冰雹的45d Bz雷达回波伸展高度绝大多数在-20℃层以上。根据以上特征判据和阈值,对龙岩2014—2015年35次强对流天气(其中有8次出现冰雹)进行预报试验,预报10次冰雹,其中8次预报正确,2次空报,没有漏报。该文还分析了冰雹直径与雷达回波形态特征和数据的关系,发现如果出现三体散射、V型缺口、钩状回波特征,冰雹直径普遍≥2cm,VIL密度大于2.9,冰雹直径≥2cm,冰雹直径与风暴顶辐散、弱回波区伸展高度等没有明显相关关系。     

内蒙古巴彦淖尔市冰雹天气云地闪电特征分析

利用闪电定位数据和雷达数据,对内蒙古自治区巴彦淖尔市地区2009~2015年37次冰雹过程的地闪特征进行分析。地闪数据的统计分析结果表明,正地闪占总地闪比例大于25%。正地闪强度较大,负地闪强度较小,地闪发生频数在降雹前一般低于3 fl/5 min,降雹后负地闪频数有明显增大。雷达和地闪定位数据的个例对比分析表明,降雹前强回波区附近以正地闪为主,地闪频数低,地闪的空间分布与对流云系的发展阶段有一定关系。地闪的空间分布可能指示云系移动方向,强回波区正地闪的时空分布可能对冰雹天气的预判有一定帮助。     

X波段天气雷达回波强度信号标定方法

为了抵消X波段天气雷达的接收机参数变化引起的雷达回波强度误差,根据雷达回波强度定标原理,利用CINRADSA天气雷达回波强度资料对NuistRD-X常规天气雷达进行强度标定,用标定后的NuistRD-X天气雷达回波与南京和常州CINRAD-SA的雷达回波作对比分析,测得的回波强度与南京和常州CINRAD-SA资料基本一致,结果表明这种定标方法适用于X波段常规天气雷达,这种定标方法是可行的。     

X波段天气雷达强度回波信号定标方法

为了抵消X波段天气雷达的接收机参数变化引起的雷达回波强度误差,根据雷达回波强度定标原理,利用CINRAD-SA天气雷达回波强度资料对NuistRD-X常规天气雷达进行强度标定,用标定后的NuistRD-X天气雷达回波与南京和常州CINRAD-SA的雷达回波作对比分析,测得的回波强度与南京和常州CINRAD-SA资料基本一致,结果表明这种定标方法适用于X波段常规天气雷达,这种定标方法是可行的.     

FY-4A卫星闪电资料在台风飑线天气监测中的应用能力分析

为更好地开展风云四号气象卫星(FY-4A)闪电资料的业务化应用提供参考,结合地闪和多普勒雷达数据,对受2018年第22号台风"山竹"影响、于9月17日晚间在江西境内形成的台风飑线过程,对比分析了2种闪电资料的空间分布和时间演变差异,以及两者的频数与45 dBz以上强回波面积的时间演变特征,分析了卫星闪电与TBB低值区和地面大风位置的关系.研究结果发现:地闪的位置多超前于卫星闪电,两者的时间变化趋势基本一致,但卫星闪电的变化幅度远较地闪显著;卫星闪电基本位于TBB≤-72℃处及邻近区域;在对流强烈影响阶段,尽管卫星闪电频数的波动较大,但仍与强回波面积有同步增大的特征;伴随的雷暴大风大都发生在卫星闪电密集区的前沿,且偏于移动方向一侧,与相同时段的地闪相似,表明它们对判识雷暴大风的可能发生位置有较好的辅助作用.     

船舶导航雷达目标回波信号特征分析

利用实测记录的雷达目标回波视频信号对不同目标的回波面积、形状复杂度和幅度相关性等特征参数的统计特性进行分析.结果表明,同一目标的特征参数具有较强的相关性和稳定性,可以用于雷达目标检测和跟踪算法,有利于提高检测和跟踪性能;也可以用于雷达目标模拟,使模拟的雷达目标信号特性更接近真实目标回波信号.     

"07.07"暴雨的数值模拟及回波分析

运用非静力中尺度模式MM5V3.7,对2007年7月7-8日的南京地区暴雨过程进行数值模拟并结合雷达资料进行分析。分析结果表明,高低空急流的配合有利于大暴雨的产生;高层的强辐散和低层的强辐合中心与降水有好的对应关系;在雷达回波图上梅雨锋降水回波区出现多条中尺度对流回波带。