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新一代天气雷达阵风锋识别算法研究

作　者: 郑佳锋
导　师: 朱克云
学　校: 成都信息工程学院
专　业: 大气科学
关键词: 阵风锋 雷达色标 窄带回波 辐合线 识别算法
分类号: P412.25
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


阵风锋是一种中小尺度的天气现象，常常造成严重的地面风灾和强烈的风切变，因此对阵风锋的研究已经成为了短临预报和民航部门关注的重点。本文首先介绍了阵风锋的天气学特征和过境时气象要素的变化特点。然后从天气预报需求出发，按照稳定、一般对流和强对流等天气条件，对我国新一代天气雷达主要厂家的基本产品色标图像效果进行了对比分析，探讨了色标配置规律，提出了新的色标配置方案，改进了含阵风锋在内的多种天气现象识别效果。随后对雷达数据进行了噪声滤除、缺测值填补、数据平滑及速度模糊纠正等质量控制。在上述工作的基础上，设计了阵风锋窄带回波识别子算法与辐合线识别子算法，并将二者识别的结果综合，确定了阵风锋锋线位置。为了量化锋线特征，本文还设计了锋区最大正速度、锋区最大负速度，锋线两侧平均切变强度和锋内最大风速切变这四个物理量。最后，运用实例对算法识别效果进行了分析和检验。得到了如下结论：（1）改进后的反射率因子色标使层状云回波的边缘到中心过渡更加协调，使对流云回波强度颜色分级清晰度增强，强中心更加突出，有效地突出了阵风锋的线状特征；改进后的速度色标范围随PRF动态变化，能较好显示出不同PRF下大风速区、空中急流、风切变和速度模糊等流场特征；改进后的谱宽色标能较好显示湍流强弱、阵风锋的边缘，在大谱宽区明视度高，在小谱宽区颜色过渡性强。（2）阵风锋在反射率因子图像上表现为窄带回波，窄带的强度为5-30dBz，宽度为2-10km，长度为50-200km；窄带回波与母体风暴存在一定的间距，该间距随阵风锋初生阶段向消亡阶段发展不断加大；窄带回波内部强度基本一致，但比周围回波强度至少高出5dBz。阵风锋在径向速度图像上表现为风速辐合和风向切变，穿过锋线的径向速度值沿距离递增方向表现为持续减小过程。阵风锋的谱宽特征为高谱宽值，为4-12m/s。在阵风锋形成前，母体风暴的强中心核会迅速下降，该特征可作为阵风锋预警的重要指标。（3）K-领域频数法能有效滤除噪声回波并可对缺测值进行填补，中值滤波能有效抑制径向速度数据的脉动性并消除残余的噪声，本文采用最优一维径向和一维切向的速度退模糊算法能有效纠正速度模糊问题。（4）基于阵风锋的强度和速度特征提出的双向梯度算法及辐合线识别法，有效地识别出了窄带回波及辐合线，并得到最大正速度、锋区最大负速度，锋线两侧平均切变强度和锋内最大切变强度，完成了阵风锋锋线的准确定位和获取阵风锋特征量化指标的目标。（5）实例对识别算法的检验结果表明，当窄带回波或辐合线表现明显时，算法可以成功且完整地识别出阵风锋，针对三次阵风锋过程的98个体扫样本，算法成功识别出了70个，成功率达到了71.42%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 研究背景和意义  10
  1.2 国内外的研究现状  10-12
  1.3 本文工作与结构  12-14
第二章 阵风锋天气学特点及雷达产品特征  14-39
  2.1 阵风锋的天气学特征  14-16
  2.2 阵风锋过境气象要素变化  16-17
  2.3 雷达产品的色标配置  17-29
    2.3.1 色标的配置规律探讨  17-20
    2.3.2 色标的改进  20-23
    2.3.3 色标改进的效果  23-29
  2.4 阵风锋的雷达回波特征  29-38
    2.4.1 反射率因子特征  30-33
    2.4.2 径向速度特征  33-35
    2.4.3 谱宽特征  35-36
    2.4.4 其他产品特征  36-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章 数据的质量控制  39-51
  3.1 噪声滤除与缺测值填补  39-44
  3.2 数据平滑  44-45
  3.3 速度退模糊  45-49
  3.4 本章小结  49-51
第四章 阵风锋识别算法设计  51-59
  4.1 窄带回波识别  51-54
  4.2 辐合线识别  54-56
  4.3 锋线定位及物理量输出  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章 识别效果实例分析  59-68
  5.1 实例分析  59-62
    5.1.1 实况描述  59
    5.1.2 雷达回波演变  59-60
    5.1.3 算法识别效果  60-62
  5.2 其他实例识别效果  62-68
第六章 结论与展望  68-70
  6.1 本文结论  68-69
  6.2 本文创新点  69
  6.3 展望  69-70
参考文献  70-73
作者在读期间科研及实践成果简介  73-74
致谢  74

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 大气科学（气象学） > 大气探测（气象观测） > 探测技术与方法 > 高空气象探测、高层大气探测 > 雷达探测
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