快速移动的准线状对流临近外推预报方法

摘要

本发明公开了快速移动的准线状对流临近外推预报方法，步骤为在起报时半小时内，基于对流单体混合外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推；在起报时半小时之后，基于对流组织传播特征外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推。该方法可以提升快速移动的准线状对流的短临外推预报精度，可以显著提升快速移动的准线状对流的提前的预警能力，对于强对流的气象防灾减灾而言是一项技术突破。

说明书

技术领域

本发明涉及准线状对流的预报方法，尤其涉及快速移动的准线状对流临近外推预报方法，属于大气科学领域。

背景技术

快速移动的准线状对流往往与我国大面积风雹灾害密切相关，因此，针对准线状对流的大风的临近预报、预警是十分重要的。

准线状对流的移动特征量化与灾害天气关系的研究结果表明，线状对流系统中冷池驱动的单体传播方向与准线状对流伸展方向夹角大，移动速度快，易产生大风天气。而现有强对流短临预报业务中，无论是TREC法还是光流法，都由于缺乏准线状对流传播特征问题考虑，导致其预测雷暴大风落区和实况偏差较大、预报时效短也较短。一些的强对流个例研究尝试通过机器学习、深度学习方法来改进强对流过程的雷达回波外推效果，其可以实现一定的回波生消预测，但由于生消模型和实际对流发展传播特征存在差异，因此虽然检验指标优于传统方法，但是始终存在图像模糊的问题，应用效果也仍待进一步改进。基于多尺度风暴识别和外推法通过引入更大尺度的雷暴整体的追踪信息(间接的反映了是较成熟QLCSs在冷池和垂直风切综合影响下的回波发展加强特征)，反演的外推场表征了雷暴整体移动走向，虽然可以一定程度上提升对流成熟阶段的雷暴大风的落区预报精度，但是和实际对流传播的方向还是存在一定差异。

双偏振天气雷达观测资料能够提高空中降水粒子形态的识别能力，从而获取对流系统内部云降水微物理结构特征。在对流降水的演变过程中，其可敏感细致地提前反映对流云体的精细结构特征，有助于提升和改进对流系统的短临预报，预警能力。针对不同灾害天气类型的双偏振雷达回波特征分析，国内外学者已进行了大量的个例研究。在QLCSs中对流单体不同部位的明显的偏振参量特征有利于观测分析风雹云的动力结构特征，如ρ

综上所述，现有技术中强对流短临预报业务对快速移动的准线状对流的短临预报都存在明显的预报偏差：无论是TREC法还是光流法，都由于缺乏准线状对流传播特征问题考虑，导致其预测雷暴大风落区和实况偏差较大、预报时效也较短。机器学习、深度学习方法可以实现一定的回波生消预测，但由于生消模型和实际对流发展传播特征存在差异，虽然检验指标优于传统方法，但是始终存在图像模糊的问题，应用效果也仍待进一步改进。基于多尺度风暴识别和外推法反演的外推场表征了雷暴整体移动走向，但由于和实际对流传播的方向还是存在一定差异，因此预报落区仍然存在较明显偏差。准线状对流的偏振量特征研究大都停留在观测，诊断分析方面，没有直接将偏振量应用于短临外推预报应用中。如何将准线状对流的偏振量特征所代表的微物理属性设计进算法模型，是较为复杂的一项挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是建立了一种基于准线状对流的偏振量特征外推场反演方法，利用该技术可以反演获得更接近于实际对流传播特征的外推场，从而改进准线状对流的短临预报能力。

为了解决上述技术问题，本发明的快速移动的准线状对流临近外推预报方法，在起报时半小时内，基于对流单体混合外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推；在起报时半小时之后，基于对流组织传播特征外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推。

上述技术方案中，所述对流单体混合外推矢量场通过如下步骤获得，将3km等高面回波场分成N个大小相等的正方形“区域”，将第一时刻T1的每个“区域”分别与下一时刻T2的所有“区域”做空间多层嵌套对流最大CSI判别方法计算获得对流分布概率相似比例；找出与T1时刻每个“区域”相对应的T2时刻对流分布概率相似比例最大的“区域”，该“区域”的中心为T2-T1时段该“区域”内回波移动矢量的终点；将回波场内每个“区域”的移动矢量全部考虑，得到整个回波场的移动特征；确定雷达回波各个“区域”的移动矢量，利用获得的这些移动矢量来外推相应“区域”的回波场；最终获得整个初始的对流单体混合外推矢量场。

上述技术方案中，所述对流组织传播特征外推矢量场通过如下步骤获得，基于对流单体混合外推矢量场，利用半椭圆滤波技术进行对流传播特征的整体分析，判断整体滤波方向是右向传播特征还是后向传播特征；基于传播特征方向，通过半椭圆滤波技术对格点进行增强处理，构成估测的对流发展后的增强等高面差分项位移；基于对流单体尺度外推混合矢量场，利用第一时刻T1外推后的准线状对流尺度下差分项位移的质心和下一时刻T2外推后的准线状对流尺度下差分项位移的质心比较，计算出质心位移矢量；反演全场位移矢量获得对流组织传播特征外推矢量场。

上述技术方案中，所述半椭圆滤波技术为在滤波方向上构建半个椭圆的滤波模板，将半椭圆区域内部所有格点权重都赋予1，外部都赋予0；滤波过程为使用半椭圆区域内的所有差分相位移求和，然后计算平均，获得当前格点位置滤波后的差分相位移。

上述技术方案中，所述滤波方向取决该格点的对流单体混合外推矢量方向Vdir。右向滤波的方向为+90°；后向滤波的方向为+180°。

上述技术方案中，所述格点进行增强处理步骤如下，如果该格点的回波强度处于15Dbz到42Dbz之间,并且格点所在区域回波的梯度大于阈值，则判定为需要进行差分项位移增强处理；选择当前观测差分项位移和当前格点滤波后差分项位移两者中数值较大的数值作为增强等高面差分项位移数值；如果该格点的回波强度处于15Dbz到42Dbz之间，并且格点所在区域回波的梯度小于阈值，则继续分析回波强度和差分项位移时序变化特征，如果前后相邻时次对应的观测到回波强度增强大于5Dbz,而且观测差分项位移数值增强大于0.1，则判定为需要差分项位移增强，选择当前观测差分项位移和当前格点滤波后差分项位移两者中数值较大的数值作为增强等高面差分项位移数值；否则无需进行差分项位移增强处理，增强等高面差分项位移等于观测差分项位移数值。

上述技术方案中，所述对流单体混合外推矢量场被质控处理过。

上述技术方案中，利用全变分矢量修正处理法对对流单体混合外推矢量场进行质控处理。

上述技术方案中，全变分矢量修正处理法具体步骤为，对所有存在回波但是移动矢量缺失的格点，采用其领域范围的移动矢量平均数值代替，之后计算每个格点矢量平滑因子，判断其是否小于指定阈值，循环迭代获取质控后的对流单体混合外推矢量场。

本发明的快速移动的准线状对流临近外推预报方法具有如下有益效果。

1.基于偏振量特性的外推矢量反演方法所反演的外推矢量可以更接近对流传播特征的方向，据此进行外推可以提升快速移动的准线状对流的短临外推预报精度。

2.可以显著提升快速移动的准线状对流的提前的预警能力，对于强对流的气象防灾减灾而言是一项技术突破。

附图说明

图1为UTC2021年05月15日03时02分反演的对流单体混合外推矢量场。

图2为UTC2021年05月15日03时02分反演的对流组织传播特征外推矢量场。

图3为预报第一小时的雷达回波和实况比较，其中图a为业务中CLTREC法反演预预测回波，图b为本发明外推方法反演预测回波，图c为实况回波。

图4为预报第二小时的雷达回波和实况比较，其中图a为业务中CLTREC法反演预预测回波，图b为本发明外推方法反演预测回波，图c为实况回波。

图5为预报第三小时的雷达回波和实况比较，其中图a为业务中CLTREC法反演预预测回波，图b为本发明外推方法反演预测回波，图c为实况回波。

具体实施方式

快速移动的准线状对流临近外推预报方法包括对流单体尺度的外推矢量场反演法、对流组织传播特征外推矢量场反演法和多尺度场混合外推法。

对流单体尺度的外推矢量场反演法反演的外推矢量场叫对流单体混合外推矢量场，其表征了准线状对流的整体移动速度和环境引导场的混合信息。

该方法步骤如下。

1.将3km等高面回波场分成若干个大小相等的正方形“区域”，这些“区域”均包含相同的资料点数；然后，将第一时刻T

其中，C

最后，找出与T

2.利用CLTREC法中的质控方法对初始的对流单体混合外推矢量场进行质控，最后获得质控后的对流单体混合外推矢量场。

质控方法为全变分矢量修正处理，该方法借鉴光流法和图像矢量全变分修复的思想，通过迭代计算最小化全场矢量平滑度S(u，v)，修正和补缺反演移动矢量场。

其中，

对流组织传播特征外推矢量场反演法反演的外推矢量场叫对流组织传播特征外推矢量场，其表征了准线状对流的对流传播特征的矢量信息。

该方法步骤如下。

1.基于质控后的对流单体混合外推矢量场，利用半椭圆滤波技术进行对流传播特征的整体分析，判断整体是右向传播特征还是后向传播特征。

半椭圆滤波技术原理为参考准线状对流的比例最小为1/4，在滤波方向上构建半个椭圆，满足长宽比例为1:4的滤波模板，将半椭圆区域内部所有格点权重都赋予1，外部都赋予0；滤波过程为使半椭圆区域内的所有差分相位移求和，然后计算平均，即为当前格点位置的滤波后准线状对流数值，以KDP

对全场每个格点利用半椭圆滤波技术进行右向和后向两个方向的滤波，计算KDP

将全场所有的格点的KDP

2.基于传播特征方向，通过半椭圆滤波技术进行增强处理，构成估测的对流发展后的增强等高面准线状对流数值，以KDP

对每个格点的增强处理步骤具体如下。

如果该格点的回波强度处于15Dbz到42dBZ之间，并且格点所在区域回波的梯度大于阈值，则判定为需要进行差分相位移增强处理；选择当前观测差分相位移和当前格点KDP

如果该格点的回波强度处于15Dbz到42dBZ之间，并且格点所在区域回波的梯度小于阈值，则继续分析回波强度和差分相位移时序变化特征，如果前后相邻时次对应的观测到回波强度增强大于5Dbz,而观测差分相位移数值增强大于0.1，则判定为需要差分相位移增强；选择当前观测差分相位移和当前格点KDP

如果不在上述两种情况内，则都无需进行差分相位移增强处理，KDP

3.基于质控的对流单体尺度外推混合矢量场，利用第一时刻T

每个格点的处理步骤如下。

基于质控的对流单体尺度外推混合矢量场，将格点的KDP

多尺度场混合外推法为在起报时半小时内，基于质控后的对流单体混合外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推；在起报时半小时之后，基于对流组织传播特征外推矢量场，利用半拉格朗日外推法对回波进行外推。

下面以具体实例进行说明。

参见图1至5，利用南京地区的飑线过程个例对方法进行验证，该过程时间为UTC2021年05月15日。图1和图2分别为UTC2021年05月15日03时02分反演的对流单体混合外推矢量场和对流组织传播特征外推矢量场。对流单体混合外推矢量场反映了更多的是雷暴单体移动和环境气流方向，大致为西南走向；而对流组织传播特征外推矢量场代表了对流发展传播方向，可以看出中南部的强回波存在向东南方向发展传播特征，这说明这些区域未来的回波将逐步加强，并且可能移速加大。

项目采用CLTREC法和本项目提出的外推方法比较。CLTREC法是改进后的相关系数法。参见图3-5，1-3小时外推预报的不同方法的比较表明，相比较CLTREC法，利用本发明提出的外推预报方法所外推预报的飑线的强对流回波的落区要明显更接近于实况观测，并且对于该强过程的有效预报时间更长。