基于雷达反射率阵风锋自动识别算法与研究.pdfVIP

基于雷达反射率的阵风锋自动识别算法研究 1 2 3 李劲 , 徐芬 ，顾松山 （1 安徽省气象台,安徽 合肥 230031;2 江苏省气象科学研究所,江苏 南京 210044; 3 南京信息工程大学,江苏 南京 210044） 摘 要 分析了2002～2009年间安徽省多次阵风锋过程的多普勒雷达资料，总结了阵风锋的雷达回波特征。采 用模板拟合的方法建立了一种自动识别阵风锋回波的算法。算法能够有效增强反射率图像中的线状回波特 征，并抑制其他形态的回波信息，长度满足预先设定阈值的线状回波被作为阵风锋的最终识别结果。选取 阜阳、合肥新一代天气雷达(CINRAD/SA)探测到的两次阵风锋过程的反射率资料对算法进行测试，结果表明： 该算法可以有效识别阵风锋；同时算法运算速度快，可以满足业务化运行的需要。 关键词：阵风锋， 窄带回波， 自动识别算法， 临近预警 1 引言 阵风锋是与强风暴相伴随的局地灾害性天气现象，是风暴中冷性下沉气流到达低空并向 外扩散，与低层暖湿空气之间的交界面，通常认为阵风锋是边界层辐合线的一种，又称雷暴 的出流边界。发展强烈的阵风锋能够引起近地面水平风向风速的突变，会对地面物体造成严 重的破坏，尤其对低空飞行危害极大：2009 年 6 月 5 日的一次阵风锋天气过程中，安徽淮 南的自动气象站曾观测到 36m/s 的瞬时风速，创造了该省有气象记录以来最大风速记录。刘 峰[1]等在分析广州白云机场一次低空飞行事件中发现该次事故是由超级单体风暴产生的下 击暴流和阵风锋造成。多普勒天气雷达是探测强风暴的有效工具，自上世纪 60 年代开始得 到广泛应用，其探测结果为分析强风暴的系统结构和演变过程提供了重要依据，大大促进了 关于阵风锋形成机制、空间结构和识别算法的研究。Wakimoto[2]认为阵风锋的出现会加快雷 [3] [4] 暴的消散；Wihelmson 认为雷暴出流可以触发多单体风暴中对流单体的形成；Wilson 发 现阵风锋运动时会迫使其前部的暖空气抬升，使母体风暴继续维持。刘勇[5]等对发生在陕西 中部的两次阵风锋过程进行了分析，认为阵风锋的强度取决于雷暴的强度，雷暴群产生的阵 风锋生命史更长。夏文梅[6]等分析了发生在南京的一次阵风锋过程，分析了阵风锋经过前后 大气折射指数的变化特点，指出可以利用阵风锋在多普勒速度场中表现出的线状综合切变特 点设计阵风锋自动识别算法。在实际工作中，利用雷达探测阵风锋不但可以监测地面大风， 而且对母体风暴未来移动方向及发展趋势也有一定的指示意义。基于上述原因，对阵风锋进 作者简介：李劲，男，安徽宿州人，工程师，硕士，主要从事天气预报及雷达资料应用研究。 E-mail:mail.lijin@ 1 行监测已经成为临近预报工作的一项重要内容。目前国内 CINRAD-SA 雷达的软件系统尚未提 供阵风锋自动识别产品，业务工作中阵风锋的识别主要依靠人工判断，在很多情况下由于其 回波特征表现不甚明显，往往不能被及时发现。因此实现阵风锋的自动识别对提高灾害性天 气监测能力和临近预报业务化水平都有着十分重要的意义。就目前国内阵风锋的研究现状 [5-10]来看，研究内容大多局限于阵风锋过程的天气背景分析、实况描述等方面，对阵风锋进 行自动识别的研究仍不多见。本文提出了一种采用模板匹配的方法对阵风锋进行自动识别的 算法，并利用阵风锋雷达资料对算法进行测试，取得了较好的识别效果。 2 研究方法 本文对阜阳、合肥两个雷达站探测到的 2002-2009 年间多次阵风锋雷达资料进行分析， 发现阵风锋在反射率图上的主要有以下特征：表现为一条狭长的窄带回波，呈线状或弧线状， 宽度 2～5km，高度 3km 以下；回波强度一般在 15～35dBZ 之间；长度变化范围很大，一般 在 50～200km 之间，少数可达到 300km 以上；与母体风暴之间的距离 10～100km 不等。速度 图