雷电临近预警系统的设计与实现
这是一篇关于闪电定位,雷达回波,雷电预警,聚类的论文, 主要内容为由于聚类识别方法是雷电预警预报技术中关键环节,其聚类的准确程度对闪电的预警预报十分重要,目前已有的研究工作已有多种聚类方法,但是不同聚类方法在算法上具有明显区别,雷暴识别效果可能具有一定差异。因此这些聚类方法在本质上差异显著,厘清不同聚类方法的区别和效果十分必要,也为不同雷暴类型遴选相对合理的聚类方法提供必要的参考。但现阶段综合对比不同聚类分析在雷暴识别、追踪和外推中效果的研究还少见报道。因此本文之所以采用三种聚类方法,是想通过三种方法在不同雷暴阶段、不同闪电分布下的聚类效果、外推效果评估出最稳定最适用的一种方法。本文想通过建立基于三种聚类识别算法为核心的雷电临近预警系统,方便用户能更直观厘清区别。本文的主要成果如下:(1)本文利用全国地闪定位数据、雷达反射率数据,通过DBSCAN、CFSFDP和E＿CFSFDP三种聚类算法对27o—30oN,114o—117oE地区在2018年9月21日北京时间11点至18点的一次雷暴过程的四个时刻进行了聚类识别,并分区域分时段讨论了各类聚类算法的优劣。DBSCAN算法准确率与数据的分布情况密切相关。实验结果表明:(1)DBSCAN算法仅适合处理不同簇团的密度分布比较均衡的情况;(2)CFSFDP算法由于指定的全局密度阈值dc未考虑数据空间分布特性,当地闪数据密度和类间距分布不均匀时或出现“无密度峰”分布时,将导致聚类质量下降;(3)E＿CFSFDP将CFSFDP不能处理的“无密度峰”分布的闪电簇团以更小尺度进一步细分,并利用度量函数选择性融合,解决了CFSFDP算法常在雷暴云融合阶段识别率不高的问题。(2)本文基于全国地闪定位数据和聚类识别的雷暴数据,利用Kalman滤波算法对28o—32oN,108o—112oE北京时间8时至9时地区的雷暴进行了一次外推。实验结果表明:(1)雷暴外推的准确率与识别准确率存在相关性,识别准确率越高外推的效果也越好。因此,基于E＿CFSFDP聚类算法的雷暴识别外推结果要优于基于CFSFDP和基于E＿CFSFDP的。(2)从外推及验证的结果来看,基于Kalman滤波的雷暴外推算法准确率随时间总体呈现单调下降趋势。算法的外推准确率在60分钟内的平均值在50%左右,且基于三种识别算法的外推准确率大多从30分钟开始不足50%。(3)本文基于Py Qt框架建立了雷电临近预警系统,实现了数据存储、数据管理、雷暴识别与外推等功能,为用户提供了更直观的外推对比结果。
雷达、闪电资料在雷暴天气预测中的应用
这是一篇关于雷暴,演变,机理,地闪,雷达回波的论文, 主要内容为深入了解不同类型雷暴天气发生的机理及地闪、雷达回波演变特征,探寻地闪落点与雷达回波的时空匹配关系,有助于改进雷暴天气和地闪落点的预报方法,拓宽预报思路。本文利用常规探空资料、NCEP资料、多普勒雷达资料和闪电定位资料对三次雷暴过程(伴随不同降水类型的两次春季雷暴和一次夏季雷暴)进行对比分析,得到如下结论： 1.大气能量结构分析： (1) V-3θ图能够有效地揭示雷暴发生前大气的能量结构特征。整层大气“顺滚流”状态、对流层顶“超低温”现象和垂直方向的水汽梯度分别为雷暴的发生提供有利的动力、热力和水汽条件,对雷暴天气有较好的潜势预测作用。 (2)两次春季雷暴动力条件明显,具有上干下湿的不稳定层结,热力条件较弱。不同的是,“1302”降雪雷暴过程低层东北回流一直维持,且强度逐渐加大。 (3)“1202”春季雷暴和“1108”夏季雷暴过程均伴随超低温和顺滚流现象,具有垂直的水汽梯度。不同的是,夏季雷暴呈现更强的热力不稳定性。 2.物理量诊断对比：相较而言,春季雷暴动力抽吸作用明显；夏季雷暴热力作用较强,主要由局地热力抬升作用引起。 3.经雷达资料对比：回波强度方面,“1202”春季雷暴为积层混合云降水回波,“1302”春季雷暴过程是降雪天气回波,“1108”夏季雷暴过程表现为对流云降水回波。 径向速度方面,两次春季雷暴过程均存在明显的风向切变,低层存在暖平流,具有明显的辐合运动；“1108”夏季雷暴过程回波主要为局地雷暴特征,存在明显的涡管结构、垂直风切变区以及辐合区。 雷达垂直剖面回波,尤其是径向速度垂直剖面回波(VCS)能够清晰地反映雷暴体内部的三维气流结构：两次春季雷暴存在明显的垂直切变,根据夏季雷暴的VCS回波可以清楚地判断单体所处的发展阶段。 4.地闪演变特征对比：两次春季雷暴地闪频数低,正地闪所占比例较高；夏季雷暴地闪频数较高,呈现多峰值特点,正地闪比例较小。风暴成熟阶段,在一段时间内雷达回波顶高与地闪频数呈负相关,并且先于地闪频数达到峰值。 5.三次雷暴雷达回波强度与地闪分布的时空匹配关系：地闪落点与雷达反射率因子存在一定的对应关系；夏季雷暴发展阶段,地闪具有引导雷达回波的作用。 三次雷暴雷达径向速度与地闪分布的匹配关系：地闪主要发生在风切变区和速度大值区。
云南高原强对流系统特征及其与闪电活动关系的研究
这是一篇关于强对流系统,地闪,雷达回波的论文, 主要内容为本文综合利用全球闪电定位网(WWLLN)资料、云南地闪定位网(LLS)数据、探空资料、风云卫星数据和雷达数据等,探究了2010-2018年云南境内闪电活动的时空分布特征,重点对2017-2019期间云南高原地区不同类型强对流系统的云顶亮温(TBB)、雷达获取的回波参数以及对流发生的天气背景等进行了详细分析,并分析了其与闪电活动的关系,得到以下主要结论:(1)云南区域闪电活动的空间分布总体上呈现南多北少、东多西少的特征,这与云南的地形和所处气候区的关系密切。地势平缓开阔的云贵高原与南部河谷闪电频发,地形起伏剧烈的横断山区与高山峡谷则少有闪电活动,表明地形坡度较海拔高度更有利于闪电的发生。夏季深入内陆的东亚季风使得纬度较高的滇东地区闪电频发,滇中以北大部分地区闪电活动呈单峰型月分布;春秋两季则因西南季风的影响闪电峰值出现在纬度较低的滇南一带,闪电活动月分布也因此呈双峰型。(2)云南地区夏季受副热带高压西移北抬的影响,配合近地层的低压气旋中心、切变线、幅合线的共同作用,加上外围东南季风和西南气流形成的高能高湿条件,形成有利于强对流发生的抬升动力条件和水汽条件。强对流系统的类型与副热带高压西移北抬的情况密切相关:云南整体位于副高线外围南侧时,受东风波影响易在滇东一带生成中尺度对流复合体;当副高线穿过云南内部时,强对流沿副高线外侧呈带状排列,形成多单体雷暴或飑线系统;当副高完全覆盖云南时,促发的对流系统多为单体雷暴。副高线的位置对地面的水汽输送也存在影响。对流发生前低空的平流逆温能促进对流发生,而高空的辐射逆温则抑制对流发展。强对流系统的地闪活动在副高线、切变线和幅合线附近频繁发生,极端天气的发生也与地闪的密度分布存在联系。地闪活动多集中于云南高原地区,当海拔高度骤减时地闪活动明显减少。(3)正、负地闪的密度分布与强对流系统云顶亮温存在较好的相关关系。在云顶亮温为-40～-60℃的区域内,随着TBB的下降地闪频数增加,且负地闪对应的TBB较正地闪更低。地闪多集中云顶温度梯度大的区域。值得注意的是,在地形和季风的共同作用下,滇中地区的夏季雷暴的闪电多发生于对流云团的东侧和南侧。正、负地闪的活跃程度能表征强对流系统的发展演变状况,4种类型强对流系统正、负地闪频数与TBB随时间的变化规律基本一致,负地闪占主导地位,在发展阶段和成熟阶段前期表现活跃,正地闪较少且基本在成熟阶段开始活跃。(4)云南高原雷暴反射率强度相比于我国中东部和南部地区雷暴总体偏弱,这与对青藏高原雷暴强度研究结果相符。在空间分布上,地闪主要集中在组合反射率为35～50d BZ的强回波区域,35d BZ、40d BZ和45d BZ的组合反射率面积基本随地闪频数的增减而增减,CR>30d BZ的强回波多集中于雷暴系统的前缘;负地闪发生的高度区域比正地闪更高,而正地闪出现的高度范围比负地闪大,负地闪密度基本在15km上下均匀分布,正地闪密度则主要发生在13km的高度附近。(5)在地闪频数变化上,地闪与回波面积和回波顶高均存在良好的对应关系,且与回波顶高的相关性强于回波面积,地闪频数与强回波面积的变化关系为高度相关,相关系数平均可达到0.82～0.89,与回波顶高为显著相关,相关系数则在0.58～0.78之间。相关系数r的大小主要取决于回波强度的大小和闪电频数的增减,与雷暴的类型并无明显的关联性。闪电频数增加与雷达回波因子增加的变化规律更为一致,当地闪频数的增长(减少)速率小于回波面积(回波顶高)的变化速率时,两者间的相关性减弱。
雷达、闪电资料在雷暴天气预测中的应用
这是一篇关于雷暴,演变,机理,地闪,雷达回波的论文, 主要内容为深入了解不同类型雷暴天气发生的机理及地闪、雷达回波演变特征,探寻地闪落点与雷达回波的时空匹配关系,有助于改进雷暴天气和地闪落点的预报方法,拓宽预报思路。本文利用常规探空资料、NCEP资料、多普勒雷达资料和闪电定位资料对三次雷暴过程(伴随不同降水类型的两次春季雷暴和一次夏季雷暴)进行对比分析,得到如下结论： 1.大气能量结构分析： (1) V-3θ图能够有效地揭示雷暴发生前大气的能量结构特征。整层大气“顺滚流”状态、对流层顶“超低温”现象和垂直方向的水汽梯度分别为雷暴的发生提供有利的动力、热力和水汽条件,对雷暴天气有较好的潜势预测作用。 (2)两次春季雷暴动力条件明显,具有上干下湿的不稳定层结,热力条件较弱。不同的是,“1302”降雪雷暴过程低层东北回流一直维持,且强度逐渐加大。 (3)“1202”春季雷暴和“1108”夏季雷暴过程均伴随超低温和顺滚流现象,具有垂直的水汽梯度。不同的是,夏季雷暴呈现更强的热力不稳定性。 2.物理量诊断对比：相较而言,春季雷暴动力抽吸作用明显；夏季雷暴热力作用较强,主要由局地热力抬升作用引起。 3.经雷达资料对比：回波强度方面,“1202”春季雷暴为积层混合云降水回波,“1302”春季雷暴过程是降雪天气回波,“1108”夏季雷暴过程表现为对流云降水回波。 径向速度方面,两次春季雷暴过程均存在明显的风向切变,低层存在暖平流,具有明显的辐合运动；“1108”夏季雷暴过程回波主要为局地雷暴特征,存在明显的涡管结构、垂直风切变区以及辐合区。 雷达垂直剖面回波,尤其是径向速度垂直剖面回波(VCS)能够清晰地反映雷暴体内部的三维气流结构：两次春季雷暴存在明显的垂直切变,根据夏季雷暴的VCS回波可以清楚地判断单体所处的发展阶段。 4.地闪演变特征对比：两次春季雷暴地闪频数低,正地闪所占比例较高；夏季雷暴地闪频数较高,呈现多峰值特点,正地闪比例较小。风暴成熟阶段,在一段时间内雷达回波顶高与地闪频数呈负相关,并且先于地闪频数达到峰值。 5.三次雷暴雷达回波强度与地闪分布的时空匹配关系：地闪落点与雷达反射率因子存在一定的对应关系；夏季雷暴发展阶段,地闪具有引导雷达回波的作用。 三次雷暴雷达径向速度与地闪分布的匹配关系：地闪主要发生在风切变区和速度大值区。
基于深度学习的短临气象预测研究
这是一篇关于雷达回波,降水短临预报,卷积神经网络,长短时记忆网络,注意力机制的论文, 主要内容为气候变化影响着社会的生产和人们的日常生活。作为信息化产业的一部分,精准和及时的气象预测是保障社会各行各业正常运作,人类生命财产安全的重要前提。雷达回波图像作为重要的观测资料,利用回波图像对短临气象精准而及时的预测是气象领域研究的热点问题。基于深度学习的方法已成为雷达回波外推的主流方法之一,但由于雷达回波序列间的时空关系复杂,因此利用深度学习方法进行精准高效的雷达回波外推仍具有很大的挑战性。我们提出了两种改进的深度学习回波外推方法,提升了短临气象预测精度,以及模型外推效率,也开发了基于雷达回波外推的短临气象预测系统。本文研究工作可概括为以下三个方面:1)针对卷积循环神经网络在中高回波强度预测不精确,以及雷达回波序列数据类别严重不平衡问题,我们提出了MMA-Net模型,并用于雷达回波外推。具体描述为,为了捕捉序列图像的长期时间依赖关系,并具备更好的空间特征表示,首先引入辅助分支,构建了多尺度LSTM,为了更好的融合全局特征和局部特征,设计了一种新的混合注意力模块CAB,最后提出了基于多尺度混合注意力LSTM的雷达回波外推方法。在CIKM Analyti-Cup 2017数据集上的实验表明,在5d Bz,20d Bz和40d Bz情况下的HSS指标以及5d Bz,20d Bz,40d Bz情况下的CSI指标上分别依次达到了71.83%,51.57%,23.53%,77.45%,42.77%,13.45%,表现优异。2)针对因LSTM单元难以并行,以及雷达回波序列间时空关系复杂导致外推速度慢的问题,受U-Net启发,搭建了编码-解码结构的全卷积网络,为了更好的捕捉长时依赖关系以及建立全局信息相关性,引入非局部模块Non-local,为浅层网络补充全局信息,针对因回波序列数据时空依赖性强,分布密集导致的预测精度低的问题,设计了一种时空特征提取模块STFE,利用稀疏网络结构和双注意力机制聚焦于中高回波强度信息,最后提出了基于双注意力机制的非局部神经网络模型QFA-Net。实验结果表明,模型计算量小于卷积循环神经网络,精准度高于卷积神经网络结构,实现了精度和速度的平衡。3)开发了基于雷达回波外推的短临气象预测系统。利用C#编程语言和.NET框架搭建了该系统,搭载了本文所提出的两种基于深度学习的雷达回波外推方法核心技术,为用户提供了包括数据输入、雷达回波外推和预测结果可视化等功能,可辅助预报预警人员更便捷的对雷达回波图像进行短期预测,并直观的观测外推结果。
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