多普勒雷达资料业务应用研究

论文摘要

本论文基于我国新近建成的新一代多普勒雷达探测网,针对其业务应用中迫切需要解决的一些问题进行了探讨,主要研究内容如下: 首先设计了一种基于反射率因子三维结构的奇异回波自动剔除方案,该方案利用三个物理因子(雷达回波的顶高ECHOtop、反射率因子的空间可变性SPIN及其垂直梯度vertGRAD)来实现对奇异回波的识别和剔除。接着介绍了WSR—88D速度退模糊算法,当算法首次处理时,如果无法寻找到第一个用于比较的有效的邻近速度值,那么算法误差较大。鉴于此,我们在对开始径向上的头几个速度数据进行检验时,增加了一个额外的处理,用环境风在相应径向上的分量作临界控制,以避免出现不恰当的退模糊处理。 其次,本文分析了国内外当前业务中使用的几种风暴自动识别算法,并设计出一种能够描述风暴对流发展强弱的新方案。WSR—88D Build 7.0风暴算法(B7SI)采用了风暴具有三维结构的思想,识别时利用多个阈值检验其强度和连续性。WSR—88D Build 9.0风暴算法(B9SI)在此基础上增加了多阈值、核抽取、以及相近单体处理等多项新技术,以解决成簇、成串排列的风暴或多个风暴相距较近时造成的误差。文中设计出的第三种方法(CSI)在降低B9SI反射率因子识别阈值的基础上,利用模糊逻辑技术对B9SI输出结果和雷达基资料做处理,以计算描述风暴对流发展强弱的对流指数(CI)。CSI首先提取一组描述风暴对流性特征的物理量,包括反射率因子纹理结构(Texture)、反射率因子空间变化率(SIGN和VertGrad)、垂直积分含水量(VIL)和径向速度标准方差(SDVE),并分配权重;其次,利用每一个物理量的统计结果,结合其物理意义,设计出相应的隶属函数,以计算风暴与该物理量描述的对流性特征相匹配的概率;最后对多个概率值进行加权平均即得对流指数。 再次,我们开发出了一套具有高时空分辨率的雷达区域拼图系统,以实现对中尺度天气系统的实时监测。该系统输出产品能够给出中尺度天气系统的完整结构,其时间序列分析还可以给出整个中尺度系统的移动趋势;同时在区域拼图系统输出产中划分空间二维阵列,并应用TREC技术,以获取中尺度天气系统内的水平流场。 最后,还设计了一种基于模糊逻辑技术的、适用于我国新一代雷达的回波分类方案,它包含了PDA、APDA、ICADA和SCDA四种回波探测算法(其中SCDA算法仍在发展之中),即在雷达基资料最低层(0.5度)反射率因子PPI上提取降水回波、奇异回波、昆虫晴空回波以及海浪回波信息,供预报员和其他雷达衍生产品使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 雷达基资料质量控制——奇异回波的剔除和速度退模糊
• 1.1 奇异回波的剔除
• 1.1.1 奇异回波产生原因
• 1.1.2 奇异回波剔除方法介绍
• 1.1.3 基于反射率因子三维结构的奇异回波剔除算法
• 1.1.4 结论
• 1.2 速度退模糊
• 1.2.1 速度模糊现象
• 1.2.2 速度退模糊算法
• 1.2.3 结论
• 本章参考文献
• 第二章 多普勒雷达对风暴的自动识别
• 2.1 引言
• 2.2 美国WSR—88D Build 7.0风暴系列算法（B7SI）
• 2.2.1 风暴段识别
• 2.2.2 风暴质心提取
• 2.3 美国WSR—88D Build 9.0风暴系列算法（B9SI）
• 2.3.1 七个反射率因子阈值识别技术
• 2.3.2 风暴分量的特征核抽取技术
• 2.3.3 垂直方向上重叠单体合并技术
• 2.3.4 相近多单体删除技术
• 2.3.5 远距离2D单体判别技术
• 2.4 一种考察对流性特征的风暴识别方法（CSI）
• 2.4.1 特征因子的提取及其计算方法
• 2.4.2 模糊逻辑技术
• 2.5 利用实际资料对上述三种方法作对比分析
• 2.5.1 B7SI和B9SI的比较
• 2.5.2 B9SI和CSI的比较
• 2.5.3 对特征因子作敏感性分析
• 2.5.4 影响广州超级单体的对流指数时间序列分析
• 2.6 结论
• 本章参考文献
• 第三章 雷达区域拼图对中尺度天气系统的监测
• 3.1 引言
• 3.2 雷达拼图设计原理
• 3.2.1 单部雷达数据从平面极坐标系到地理坐标系的转换
• 3.2.2 地图投影方式介绍
• 3.2.3 雷达重叠区域的处理
• 3.3 广东省新一代雷达区域拼图业务化系统
• 3.3.1 系统简介
• 3.3.2 系统主要技术特点
• 3.4 雷达区域拼图在对中尺度天气系统监测中的应用
• 3.4.1 前汛期暴雨实例分析
• 3.4.2 后汛期台风实例分析
• 3.4.3 广东省强对流过程实例分析
• 3.5 利用TREC技术反演中尺度天气系统中的水平流场
• 3.5.1 TREC技术简介
• 3.5.2 TREC技术在区域拼图产品中的应用
• 3.6 结论和未来工作
• 本章参考文献
• 第四章 多普勒雷达回波分类器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 雷达回波分类器的主要内容
• 4.2.1 雷达回波分类器的流程
• 4.2.2 内容介绍
• 4.3 雷达回波探测算法的设计原理
• 4.3.1 各种雷达回波的形态学特征以及特征因子的选择
• 4.3.2 人工划分各种雷达回波
• 4.3.3 特征因子的计算方法
• 4.3.4 特征因子的统计分析
• 4.3.5 隶属函数的设计
• 4.4 实际资料应用
• 4.5 结论和未来工作
• 本章参考文献
• 博士研究生期间公开发表和完成的论文
• 致谢