1、14 雷暴和降水的臨近預(yù)報系統(tǒng) TITAN TREC Auto-Nowcaster1跟蹤和外推算法雷暴或降水的臨近預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)是跟蹤和外推。主要分為兩種類型： 單體質(zhì)心跟蹤和外推： 將雷暴或降水單元視為三維單體加以識別、跟蹤和外推。典型的例子有WSR-88D和WDSS中的風(fēng)暴單體識別與跟蹤、以及TITAN等，下面我們會對TITAN重點進(jìn)行介紹； 區(qū)域跟蹤和外推：對反射率因子超過某一閾值的二維區(qū)域進(jìn)行跟蹤和外推。典型的例子有TREC等，我們下面給以重點介紹。2TITANThunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting

2、雷暴識別、追蹤、分析和臨近預(yù)報一個基于雷達(dá)觀測的雷暴臨近預(yù)報系統(tǒng)最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改進(jìn)和完善3坐標(biāo)系算法采用三維直角坐標(biāo)系統(tǒng)，由雷達(dá)體掃反射率因子數(shù)據(jù)得到三維直角坐標(biāo)系中的反射率因子數(shù)據(jù)。雷暴定義：反射率因子TZ 35dBZ；體積TV 50km34雷暴識別考慮二維格點，先識別x方向，再識別y方向， 再拓展到三維識別z方向（之上或者之下）陰影區(qū)：反射率 TZ5 雷暴特征分析 反射率因子權(quán)重質(zhì)心（雷暴中心） 體積 雷暴投影到水平面上的面積大小和形狀（最佳適應(yīng)形狀是多邊形和橢圓）6雷暴追蹤追蹤思路：寧短不長（考慮到體掃間隔為5-6分鐘）特征相似（尺寸和形狀等）設(shè)置雷暴移動

3、速度上限假設(shè)T1和T2是相鄰的兩個雷達(dá)體掃資料時間將雷暴路徑的確定作為一個最優(yōu)化問題來處理7雷暴合并與分裂的處理雷暴合并：t1時刻的雷暴多余t2時刻雷暴數(shù)，或者有雷暴消失，或者有雷暴合并。如果t1時刻的2個以上雷暴質(zhì)心的預(yù)報位置在t2時刻識別的某個雷暴范圍內(nèi)，可以判斷雷暴合并。8雷暴分裂：對于在t1時刻所有的風(fēng)暴，預(yù)報它們在t2時刻的橢圓投影的位置、取向和尺寸，然后根據(jù)t2時刻識別的所有雷暴判斷哪些是新的路徑，即沒有歷史的雷暴。如果這些沒有歷史的雷暴的質(zhì)心位于某一個t1時刻雷暴的預(yù)報的在t2時刻的投影橢圓的區(qū)域范圍內(nèi)，則確認(rèn)發(fā)生了雷暴分裂。9雷暴移動的預(yù)報主要思路：對于較短的時間間隔，1）一個

4、雷暴傾向于沿著一條直線運動；2）風(fēng)暴的增長和衰減遵循線性趨勢；3）會出現(xiàn)對上述線性行為的隨機偏差。根據(jù)演變歷史加權(quán)線性擬合外推：預(yù)報量包括以反射率因子為權(quán)重的雷暴質(zhì)心、體積、和投影橢圓的參數(shù)。最近，改用多邊形（原來為橢圓）對雷暴的水平投影的面積和形狀進(jìn)行表達(dá)。1011TITAN分析和追蹤預(yù)報的個例2004年7月29日颮線的60分鐘預(yù)報和實況檢驗2004年“7.10”暴雨的30分鐘預(yù)報和實況檢驗京津地區(qū)12安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況13安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況14安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實

5、況15安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況16安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況17安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況18安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況19安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況20安徽2002年8月24日颮線 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況21安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況22安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況23安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況24

6、安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況25安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況26安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況27安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況28安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況29安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況30安徽2004年7月7日強對流 TITAN 3 0分鐘預(yù)報與實況31TRECTREC 是Tracking of Radar Echo with Correlations 的縮寫，既“利用相關(guān)跟蹤雷達(dá)回波”。

7、 1978年由Rinehart和Garvey提出這項技術(shù)，用來反演雷達(dá)回波區(qū)的氣流流場。該項技術(shù)利用交叉相關(guān)方法跟蹤雷達(dá)某一個仰角掃描構(gòu)成的錐面上某一個二維回波型。即初始的算法是在由某一仰角掃描構(gòu)成的2維圓錐面上進(jìn)行回波的跟蹤。后來，將該技術(shù)應(yīng)用于直角坐標(biāo)情況，考慮在某一等高面上的二維直角坐標(biāo)系中進(jìn)行回波跟蹤。首先需要將雷達(dá)體掃資料內(nèi)插到某一等高面（如2.5km）上的直角坐標(biāo)系中。在直角坐標(biāo)系中的TREC稱為CTREC。32CTREC中的跟蹤方法CTREC使用一定時間間隔內(nèi)的雷達(dá)資料，將反射率因子場分成若干個大小相當(dāng)?shù)摹皡^(qū)域”，每個“區(qū)域”包含mm個像素。將這些在上一時刻的“區(qū)域”分別與下一時

8、刻的各個“區(qū)域”作空間交叉相關(guān)，以找出此刻與上一個時刻的特定區(qū)域相關(guān)系數(shù)最大的“區(qū)域”，從而來確定整個回波的移動矢量，實現(xiàn)回波的跟蹤。“區(qū)域”尺寸的選擇不宜太大也不宜太小，太大會導(dǎo)致回波移動向量的分辨率太粗，“區(qū)域”太小則包含的數(shù)據(jù)點太少，不足以產(chǎn)生穩(wěn)定的相關(guān)系數(shù)。發(fā)現(xiàn)對于1km 1km的分辨率，m取值在3-7之間比較合適。33將平面直角坐標(biāo)內(nèi)的二維坐標(biāo)排列成一維，然后計算相關(guān)系數(shù)：其中Z1和Z2是分別是相繼兩個體掃t1和t2時刻的反射率因子，N是一個“區(qū)域”內(nèi)數(shù)據(jù)點的數(shù)量（N=m2）。34為了避免搜索所有的數(shù)據(jù)以尋找匹配的“區(qū)域”，確定從初始區(qū)域找相關(guān)的搜索半徑為r=Vt，其中V為可能的最大

9、移動速度， t是兩個體掃之間的時間間隔。35 CTREC與TITAN的比較 TITAN是三維質(zhì)心跟蹤，CTREC是二維區(qū)域跟蹤； TITAN只適合于跟蹤對流降水系統(tǒng)，而CTREC即可以跟蹤對流降水系統(tǒng)，也可以跟蹤層狀云降水系統(tǒng)； TITAN可以給出雷暴的變化趨勢，而CTREC不行。36CTREC預(yù)報個例37CTREC對2004年6月22日京津地區(qū)強雷暴事件的追蹤和預(yù)報30分鐘預(yù)報（彩色陰影區(qū)）和實況檢驗（綠色等值線）60分鐘預(yù)報（彩色陰影區(qū)）和實況檢驗（白色等值線）38安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。39安徽2004年

10、7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。40安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。41安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。42安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。43安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。44安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)

11、報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。45安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。46安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。47安徽2004年7月7日強對流 CTREC 3 0分鐘預(yù)報與實況綠色實線為12dbz的反射率因子實況的輪廓線。48Auto-Nowcaster49 預(yù)報雷暴生成和演變的科學(xué)基礎(chǔ) 雷暴生命史和演化特征 邊界對雷暴生成演化的影響 穩(wěn)定度對雷暴生成演化的影響50 雷暴生命史及其演化特征Single cell storms l

12、ive 30 min Single cell storms live 30 min (Henry 1993; Battan 1953; Foote and Mohr 1979)51Convective Storm SystemSingle-cell ThunderstormTIME (hr)SIZE12345雷暴尺寸和強度的變率通常較大.單個雷暴單體和復(fù)合對流系統(tǒng)的演變52雷達(dá)可以提供雷暴運動、尺寸和強度等的時間趨勢超出15分鐘，這些參數(shù)本身只有有限的預(yù)報價值，由于造成雷暴演變的物理過程并不一定在雷暴的演變史中能夠捕捉到，它們常常是由大氣邊界層中的輻合和穩(wěn)定度等因素所驅(qū)動的。(Tsonis a

13、nd Austin 1981, Bellon and Austin1978, Browning et al. 1982, Collier 1989)53 絕大多數(shù)的雷暴的生命史較短，其大小和強度變化較快，因此單憑外推進(jìn)行預(yù)報通常是不充分的。需要預(yù)報雷暴的生成、演變和消散。只有在成熟的超級單體風(fēng)暴和有組織颮線的情況下，外推基本上是充分的54Adapted from Browning (1980),Doswell (1986) and Austin et al. (1987)定點定時的雷暴預(yù)報的精度55 邊界對雷暴的影響邊界層輻合線（邊界）的概念：鋒面、干線、雷暴出流邊界（陣風(fēng)鋒）、海陸風(fēng)輻合線等

14、。561. 云圖.注意沿著Florida 東海岸與海陸風(fēng)相聯(lián)系的南北向積云線.邊界層輻合線（邊界）影響雷暴的演化，這些邊界可以通過衛(wèi)星云圖和雷達(dá)圖象觀察到：2. 雷達(dá).注意與一條邊界相聯(lián)系的南北向晴空窄帶回波。箭頭為地面測站觀測的風(fēng)矢量。57 雷暴在一個移動邊界后面生成的例子第一幅圖顯示徑向速度圖，可以識別一條輻合線。 隨后顯示的是反射率因子動畫。注意邊界向東南移動時雷暴的生成過程 。58雷暴生成過程頻繁地發(fā)生在邊界層輻合線附近 雷暴生成位置(Purdom 1973, 1976 1982; Wilson and Schreiber 1986) 圖中為科羅拉多州一個夏天 的統(tǒng)計，80% 的雷暴生

15、成在 邊界層輻合線附近。 邊界附近的區(qū)域稱為抬升區(qū)。5920 km抬升區(qū)10 km抬升區(qū)是雷暴最容易生成和增長的區(qū)域(Wilson and Mueller 1993)60 相交的邊界常常觸發(fā)強雷暴 相交的邊界常常造成新雷暴的生成和已經(jīng)存在雷暴在尺度和強度上的明顯增加。右邊的垂直剖面顯示兩條邊界相碰后垂直速度的大的增加（3m/s to 12m/s）(Mahoney 1988)61當(dāng)邊界與積云相碰時，雷暴往往緊接著生成右邊的雷達(dá)圖象表明當(dāng)一條東西走向的陣風(fēng)鋒向南移動與南北走向的水平對流卷相遇時，沿著對流卷的積云成長為雷暴。.Wilson and Mueller 199362當(dāng)邊界與一個已經(jīng)存在的雷

16、暴相遇后，往往伴隨著雷暴的合并與加強右圖顯示雷暴被陣風(fēng)鋒（紅線）趕上后出現(xiàn)合并和加強（增長）。63影響雷暴演化的邊界特征 相對邊界單體速度 (Ub)(Moncrieff and Miller 1976, Weisman and Klemp 1986, Wilson and Megenhardt 1997)cell velocityboundaryvelocity cell velocityBoundary velocityUb largeUb 是一個單體離開邊界的速度.當(dāng)其值 4 m/s 雷暴會離邊界越來越遠(yuǎn) ，可能消散。對于更小的單體速度值，雷暴將保持在邊界附近并可能繼續(xù)存在下去。Ub ne

17、ar zero64 相對于邊界的低層切變(Thorpe et al. 1982, Rotunno et al., 1988, Weisman and Klemp 1986)低層切變是一個垂直于邊界的矢量差 用地面的風(fēng)矢量減去2.5km高處的風(fēng)矢量。.該參數(shù)指示上升氣流的傾斜程度該參數(shù)35 dBZ (yellow and red). The thin yellowlines are boundaries (gustfront and bay breeze)Colliding Boundaries Initiate a Squall Line105Nowcaster ExamplesStorm I

18、nitiation Along a Stationary Boundary 30 min forecast Verification106Nowcaster ExamplesStorm Dissipation30 min forecastVerificationStorm dissipation occurs as the boundary (yellow line) moves north leaving the storms behind. Note storms immediately south of boundary are forecast to dissipate.107NCAR

19、 Thunderstorm Auto-nowcaster Data Sets Nowcasting Parameters Methodology for Combining Forecast Parameters Nowcaster Example Implementation, Statistics, and Summary108Auto-nowcaster Implementations White Sands Missile Range, New Mexico 1998, 1999, 2000 National Weather Service Sterling VA 1997,1998,

20、 1999, 2000 Bureau of Meteorology, Sydney Australia 1999, 2000 Redstone Arsenal, Huntsville AL 1999, 2000109FAR (False Alarm Ratio)Red is the Auto-nowcast forecastBlue is extrapolation forecastForecast Time100%0%100%0%100%0%Some Accuracy StatisticsExample statistics for 60 min forecasts of the case shown fromSterling VA. Verification is performed on a 1 km grid.POD (Probability of detection)CSI (Critical Success Ratio)110Summary Statistics for 13 DaysBlue - Extrapolation Maroon - Auto-nowcaster50 hrs of data8 Sterling days5 White Sands, New Mexico (WSMR) daysAuto-nowcaster forec