TREC算法在人工影响天气作业指挥系统中的应用

TREC算法在人工影响天气作业指挥系统中的应用
马建立;王改利;金永利;康玉霞
【摘要】Radar echo extrapolation is an effective way to select the operation time in rocket weather modification. The radar echo extrapolation method of TREC (Tracking Radar Echoes by Correlation) is described. Based on the echo shifting and moving speeds, echoes are extrapolated linearly within the range of the rocket shot, then calculating the time that the echoes arrives at the rocket shot to provide reference for the selection of operation time. The test indicates that the extrapolated time for echoes to reach the rocket shot is in consistent with the actual echoes.%雷达回波外推是解决人工影响天气指挥炮点作业时间选取的有效途径.文章介绍了雷达同波外推的相关性跟踪方法(TREC),由TREC矢量得到的回波移向移速,以6 min为间隔,线性外推4次回波,根据外推回波是否落在炮点的有效射程范围内,得到回波到达炮点射程范围的时间,为炮点作业时间的选取提供参考.个例分析表明,外推回波落在炮点有效射程范围的外推时间与回波实际落在炮点的有效射程范围内时间点基本吻合.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2011(039)002
【总页数】6页(P236-241)
【关键词】TREC;回波外推;人工影响天气
【作者】马建立;王改利;金永利;康玉霞
【作者单位】北京市人工影响天气办公室,北京,100089;中国气象科学研究院国家
灾害天气重点实验室,北京,100081;北京市人工影响天气办公室,北京,100089;北京
市人工影响天气办公室,北京,100089
【正文语种】中文
冰雹是灾害天气的一种,常会导致较大的经济损失。

人工影响天气部门要及时开展
人工防雹作业,必须对冰雹云进行有效的跟踪,即需要知道冰雹云的移动方向和移动
速度,且要根据当前的观测资料,去预测冰雹云在未来一段时间可能到达的位置,根据此位置是否落在人工防雹作业炮点的有效射程范围内,来判断是否实施人工防雹作业。

多普勒天气雷达是冰雹云的有效探测工具,人工影响天气部门常利用雷达回波
指挥人工作业。

预报冰雹云的未来位置,需要对冰雹云当前回波进行外推。

降雹通
常历时较短,一般在0.5 h内,雷达6 min一个观测资料,因此选用雷达回波6 min为单位外推,即外推6 min、12 min、18 min、24 min 雷达回波 ,看回波是否落在作业炮点范围内,来判断未来6 min、12 min、18 min、24 min哪些人工防雹炮点
适合作业。

雷达回波相关性跟踪方法(TREC：Tracking Radar Echoes by Correlation)[14]是雷达回波外推的一种方法,TREC方法常用在天气预报的短时临
近预报系统中,但是基于 TREC方法的人工影响天气作业软件指挥系统目前国内几
乎还没有[58],本文主要工作就是将 TREC算法自行编程移植到北京市人工影响天
气办公室人工影响天气作业指挥系统中,根据TREC矢量外推回波6 min、12 min、18 min、24 min的回波,选择合适的作业炮点。

图1(见文后彩图)为北京人工影响天气办公室基于南郊观象台CINRAD/SA雷达开发的人影作业指挥平台。

开发平台为VC6.0。

与人工影响天气作业相关的5个功
能模块为：①显示任意仰角的回波强度和径向速度,以及任意垂直剖面和组合反射率;②炮点作业范围和北京地理信息叠加;③炮点预警和空域申请;④用弹量计算;⑤雷
达回波外推。

本文主要介绍集成在该指挥系统中回波外推的原理和方法,以及外推的效果检验。

在利用天气雷达回波信息指挥炮点作业时,考虑到回波强度 PPI和CAPPI只是反映回波某一仰角和某一高度的回波强度,不能有效反映回波最强位置所在区域(比如冰雹的回波),因此在用天气雷达回波指挥炮点作业时,常用垂直最大回波强度(CR)。

由于雷达坐标是以斜距、方位角和仰角表达,因此数据资料的处理是先将雷达坐标转换成笛卡尔坐标,在笛卡尔坐标中,以1 km×1 km为分辨率,对落在该格点的体扫各仰角中找出最大的回波强度赋值给该格点,从而得到最大回波强度的分布值,即组合反射率。

得到组合反射率后,再对组合反射率按 TREC方法计算回波的移动矢量。

TREC方法是将回波区域划分成若干个矩形网格,跟踪每个网格的移动。

将第1时刻的回波图像中的一个矩形网格,在搜索半径内向任一方向移过一定的距离,计算此矩形网格与第2时刻相同大小的矩形网格之间的交叉相关系数 R,对于不同的移动位置,会得到不同的相关系数值,通过比较不同移动位置的相关系数,找到极大值Rmax为止,得到的最大相关系数的移动就是 TREC矢量,该矢量即作为组合反射率回波外推预报的位移矢量。

交叉相关系数R计算公式如下：
式(1)中,Z1、Z2分别为 T时刻和T+Δt时刻组合反射率回波值的矩阵。

n为矩阵的数据点数。

通过式(1)求出间隔Δt时间的两个矩阵的相关系数,重复这个过程,直到找到最大的相关系数。

此时,从 T时刻矩形网格的中心位置指向T+Δt时刻矩形网格的中心位置的矢量即为 TREC矢量,据此外推T+NΔt时刻回波的位置。

搜索半径根据最大可能速度计算：
式(2)中,Vmax为回波移动的最大可能速度(采用100 km/h),Δt为时间间隔。

直接用交叉相关系数得到的 TREC矢量会有一些错误的移动矢量,因此需对TREC 矢量进行质量控制和优化。

方法分两步进行：①若一个 TREC矢量与其周围矢量的平均方向相差超过25°,则用其周围8个点的平均矢量来替代这个 TREC矢量,零矢
量也采用这种办法;②对 TREC矢量进行客观分析,得到连续的位移矢量场。

对TREC矢量的垂直分量 u和水平分量v分量分别进行客观分析,采用公式如下：
其中
a0(i,j)为变量 a在格点(i,j)处的估测值,这里取经过第一步处理后的 TREC矢量场分
量的平均值;a＊(i,j)为变量 a在格点(i,j)处的校正值;Δa(k)为目标点k处的差值,这里为该点 TREC矢量的分量与估测值之差;w(i,j,k)为目标点 k在格点(i,j)处的Cressman加权函数,其表达式为：
dm为分析点与格点之间的距离与 TREC矢量的函数,R是影响半径(计算中取5 km)。

指挥系统是基于北京南郊观象台新一代多普勒天气雷达CINRAD/SA开发的,该雷
达最远探测范围是 460 km。

考虑到多普勒速度探测半径是230 km以及此半径范围可以将北京地区的所有炮点完全覆盖,所以在处理数据时采用230 km半径算组
合反射率,因此 TREC网格距阵为460×460;雷达每6 min一次资料,取回波移动的
最大可能速度100 km/h,搜索半径为10 km。

将460×460划分为51×51二维矩阵,在实际编程过程图像处理中发现,当回波强度阈值取为10 dBz,相关系数阈值取
值为0.2和1时,得到的 TREC矢量与回波匹配较好。

文中外推阈值取上述值。

计
算出各个矩阵块的 TREC矢量后,按2.2节中方法平滑处理。

由于Cressman加权
函数是矢量的加权函数,因此在对TREC矢量进行客观分析时,需要将 TREC垂直分
量u和水平分量v移动的格点数先转换为速度值,然后带入加权函数得出速度矢量。

本外推方法是根据各个矩阵块回波速度矢量来进行外推的,各个矩阵块间不存在重叠,各个矩阵块中10 dBz以下的回波未参与相关性的计算,即雷达回波外推是对10 dBz以上的回波进行相关计算而外推的。

由于冰雹的回波一般都是强回波,通常大
于40 dBz,因此对10 dBz以下回波未参与相关性计算不影响冰雹回波的外推。

由于该系统主要针对北京地区开发的,北京空域申请要求在作业时间点30 min内
申请,因此回波外推时主要采用6、12、18、24 min 4个时次的外推。

如T+Δt外推时刻的回波达到作业点射程范围内,即认为 T时刻经过Δt回波将达到炮点射程范围内,作业时间点成熟。

2009年7月22日,华北地区受冷暖空气交汇的影响,出现一次降雹天气过程。

下午14：24左右,雷达回波显示强回波中心抵达北京边界,强回波经过的地区的北京延庆佛爷顶、怀柔等部分地区降雹,冰雹最大直径分别为0.9 cm、0.5 cm;此次降雹过程中北京市人工影响天气办公室及时开展了防雹作业。

14：24组合反射率回波图与 TREC风场叠加见图2A(见文后彩图),在14：24回波进行外推6 min、12 min、18 min 见图 2 B、C、D(见文后彩图),外推回波中的 TREC风场是14：24时刻的,各个时次的回波外推是在14：24算出的回波移向移速进行外推的。

图2中白色扇形区域是炮点的有效射程和作业范围,位置相对靠北的是红旗甸炮点,另一个是千家店村炮点。

图2A中椭圆标注的强回波中心(60 dBz)往东南方向移动,在14：24,该强回波中心尚未到达红旗甸的有效射程范围,回波外推18 min后,强回波中心到达红旗甸的有效射程,且从回波移动的趋势来看,强回波中心将经过千家店村炮点。

对红旗甸炮点而言,实施防雹作业可以提前18 min申报空域,从而达到有效的科学指挥作业。

此次两个炮点的实际作业时段红旗甸是14：42—14：43,千家店村是14：42—15：00。

为了检验 TREC回波外推结果与实际回波的差异,将14：24回波外推18 min的图与14：42的回波图比较(图3,见文后彩图)。

由图3可以看出,图3A与图3B的强回波中心落在炮点有效射程范围内时间选取是一样的,因此证明了回波外推的有效性。

2009年6月28日,北京平谷县出现一次强降雹过程,冰雹云回波以平均22 km/h 的速度移动,地面观测资料记录降雹时间为6月28日00：13—01：30,此次降雹出现了 6～8级大风,冰雹直径0.3～2.0 cm。

针对此次冰雹过程北京人工影响天气办公室及时组织了防雹作业。

6月28日00：06,冰雹云到达了平谷县上空 ,00：
09平谷有4个炮点开展了防雹作业,其中左上炮点为东兴撞村,左下炮点为西攀各庄,右上炮点为北寨,右下炮点为鱼子山(图 4,见文后彩图)。

从图4A可见,冰雹云回波落在了4个炮点的有效射程范围内,4个炮点开展防雹作业是合理的,但从外推18 min的图4D中可以看出,冰雹云回波基本移出东兴撞村炮点有效射程,故00：24之后东兴撞村不宜申请再作业,但实际此炮点在00：39—00：43却还在作业,造成了催化剂的浪费。

图5A(见文后彩图)为 00：06外推 18 min后的回波,图 5B(见文后彩图)为 00：24实际回波,对比 00：24实际回波和外推回波可知,00：24以后东兴撞村炮点的确没有开展防雹作业的必要。

此个例说明 TREC算法在人工影响天气作业中的重要应用：可以有效指挥作业,防止催化剂的浪费。

图3和图5表明,外推回波与实际回波不是完全一致的。

其误差原因可能有以下几点：①TREC方法在雷达回波的矩形网格中往往将一个大的降水回波分在几个网格内,或者将不同的降水回波划分在一个网格内,从而破坏了回波结构的整体性,当用TREC矢量外推时,同一属性的回波有可能没有按相同的外推速度移动。

②若外推时间过长,由于天气系统自身可能减弱或加强,回波变化起伏过大,导致该区域内的TRCE矢量在平滑的时候被周围的TREC矢量代替,导致其回波移动方向有一定的偏差,但这种偏差较小。

③TREC矢量用的是前后相差6 min的两个相邻的资料来计算的,不适合外推时间过长。

TREC交叉相关算法考虑了回波移动矢量的大小和方向的变化,该算法对雷达回波进行短时间(6、12、18、24 min)的外推结果具有一定的物理意义和可靠性。

通过上述 TREC方法对回波进行外推的个例效果分析,可以得出以下结论：
(1)回波外推是解决人影炮点作业时间选取的有效途径。

(2)国内人影作业的指挥工具均用天气雷达,TREC外推回波只需要两个时刻的雷达回波资料,运行时间快,便于在指挥系统得到业务应用。

(3)对可造成巨大损失的冰雹灾害天气回波而言,利用 TREC方法外推冰雹回波,作业炮点可以及时地开展人工防雹作业,降低了冰雹在炮点上空开始降落的时候才进行
防雹作业或提前作业未起效果的几率。

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