Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор методов измерения осадков с использованием метеорологических радиолокаторов 10
1.1. Основные положения 10
1.2. Методы измерения осадков с применением радиолокаторов 16
1.3. Использование информации от наземных станций при анализе радиолокационных данных 30
1.4. Оперативные схемы анализа осадков с использованием радиолокационной и наземной осадкомерной информации 39
1.5. Численные схемы восстановления полей осадков с использованием процедуры вариационного согласования 47
Глава 2. Постановка задачи анализа осадков 52
2.1. О качестве радиолокационных данных 52
2.2. Метод вариационного согласования 56
2.3. Блок-схема процесса анализа осадков 58
Глава 3. Предварительная обработка исходных данных 60
3.1. Форматы исходных данных 60
3.2. Выбор параметров анализа 61
3.3. Получение и накопление сумм осадков по радиолокационным данным 63
3.4. Получение сумм осадков по наземным данным 67
3.5. Построение поле анализа осадков поданным метеостанций 68
Глава 4. Построение поля анализа первого приближения .72
4.1. Общие сведения 72
4.2. Подготовка радиолокационных данных 72
4.3. Использование интерполяции невязок 73
4.4. Использование интерполяции отношений 76
Глава 5. Вариационное согласование 78
5.1. Процедура варьирования 78
5.2. Алгоритм вариационного согласования 79
5.3. Выбор граничных условий 81
5.4. Численное решение 82
5.5. Выбор весовых коэффициентов анализа 85
5.6. Коррекция поля вариационного анализа 85
Глава 6. Оценка и интерпретация результатов 87
6.1. Общие сведения 87
6.2. Структурные особенности полей анализа 87
6.3. Особенности полей анализа первого приближения 89
6.4. Методика оценки ошибок 90
6.5. Оценка среднеквадратических ошибок полей анализа 92
6.6. Оценка смещенностей полей анализа 94
6.7. Оценки качества полей по числу случаев 96
6.8. Анализ отдельных случаев 99
6.9. Основные выводы по оценке ошибок 104
Глава 7. Прикладные аспекты методики объективного анализа осадков 106
7.1. Общие сведения 106
7.2. Приложение VARIAT 107
7.3. Приложение RSA 109
Заключение 113
Литература 116
- Использование информации от наземных станций при анализе радиолокационных данных
- Получение и накопление сумм осадков по радиолокационным данным
- Анализ отдельных случаев
- Приложение RSA
Использование информации от наземных станций при анализе радиолокационных данных
Радиолокатор является замечательным инструментом для мониторинга осадков на больших территориях. Он обеспечивает детальной пространственно-временной информацией о структуре дождя, чем не обладают многие другие измерительные средства. Но так как радиолокатор не измеряет осадки непосредственно, основанные на МРЛ алгоритмы измерения осадков должны быть калиброваны с использованием других измерений. Такие измерения наиболее часто берутся от осадкомерных сетей. Осадкомерные данные, хоть и представляют только информацию в отдельных точках, до сих пор считаются наиболее близкими к истинным из всех существующих на текущий момент технологий. Это основная причина, почему осадкомерные измерения используются для проверки основанных на радиолокации алгоритмов измерения осадков.
В этом разделе обсуждается двоякая роль осадкомерных наблюдений, как для калибровки, так и для проверки полученной от радиолокатора информации. Использование осадкомерных наблюдений для калибровки может быть концептуализировано как трехступенчатый процесс. Первое -это оценка параметров Z-R соотношения, которое традиционно представляется степенной функцией, зависящей от двух параметров Z=alb. Вторая стадия представляет собой оценку средней смещенности поля. Накопленные осадки по данным МРЛ сравниваются в среднем с данными осадкомеров. Этот параметр затем может использоваться в прогностическом режиме для оценки радиолокационных данных в период, пока нет новой информации с осадкомеров. Третья стадия может использовать осадкомерные наблюдения для локального приведения радиолокационных полей при помощи оптимального объединения двух наборов данных в соответствии с некоторыми критериями, например минимумом вариации.
Не все оперативные алгоритмы реализуют все три стадии. Лучше всего, пожалуй, это реализовано в американской программе NEXRAD.
Калибровка радиолокационных данных. Оценка Z-R соотношения
Перевод измеренной локатором величины радиоэха в интенсивность осадков - это фундаментальный блок любого основанного на МРЛ алгоритма определения осадков. Этот перевод может быть выполнен большим количеством способов, наиболее популярным из которых является использование степенной функции с двумя коэффициентами. Фактически, и радиолокационная отражаемость, и интенсивность осадков могут быть представлены как моменты функции распределения капель по размерам (Bell, 1994, Brown, 1997, Ciach, 1999, Yuter, 1997). Первая проблема возникает при использовании осадкомеров для подбора коэффициентов Z-R соотношения. Уровень измерения осадков обычно находится на высоте 1-2 км над поверхностью, тогда как осадкомеры дают значения вблизи земной поверхности. Это создает трудности при синхронизации измерений в пространстве и времени. Эти проблемы при столь высокой изменчивости дождя не препятствуют высокой корреляции между радиолокационными и осадкомерными измерениями.
К тому же, высокая изменчивость распределения капель по размерам сама по себе без добавочных радиолокационных ошибок и проблем измерений, упомянутых выше, определяет существование Z-R соотношения только в статистическом виде.
Наиболее интересные с прикладной точки зрения измерения получаются только при очень малом угле места антенны. А как раз в этом случае велика вероятность получения отражения земной поверхности, особенно в условиях ненормального распределения радиоволн. Необходим также учет эффекта "яркой полосы" в слое таяния твердых осадков.
Проблемы калибровки могут быть сглажены при использовании временных и пространственных осреднений. Интегрирование по времени положительно влияет на ошибки измерений, если только они не сильно скоррелированы во времени, и существует механизм устранения систематических ошибок. Так, уже для часовых сумм осадков коэффициент корреляции между локационными и осадкомерными данными оказывается близким к 0.7 (Алибегова, 1985).
Оценка отношения количества осадков, полученного радиолокационным и традиционным методами в оперативных схемах
Основной идеей в оперативных схемах сравнения являются частые проверки между осадкомерными и радиолокационными суммами в течение всего оперативного цикла. Из-за всех возможных ошибок в калибровке МРЛ, включая выбор Z-R соотношения, сложности радиолокационного метода измерения, сложности самого физического процесса возникновения и развития осадков, возможны несоответствия между их радиолокационными и осадкомерными суммами. С другой стороны, следует подчеркнуть, что типичная осадкомерная сеть является слишком редкой для столь изменчивой характеристики как осадки. Говоря в среднем, ежечасные наблюдения покрывают менее 10% данной площади, и многие штормы либо вообще не регистрируются, либо регистрируются очень небольшим количеством осадкомеров. Таким, образом, приведение радиолокационных данных по столь немногочисленному количеству осадкомеров может увеличить ошибки алгоритмов оценки осадков.
Другим вопросом является время жизни дождя. Хотя время существования одной конвективной ячейки обычно составляет около 30 минут, поля осадков имеют свойство до некоторой степени иметь определенную пространственную организацию в течение некоторого времени. Это позволяет использовать вычисленную на предыдущем шаге поправку для новых данных, пока не будет получена новая сводка от осадкомера (Ваек,1998).
Подводя итоги, можно сформулировать следующие требования к оперативным схемам коррекции: 1) схема должна обладать способностью пополняться новой информацией в режиме реального времени; 2) ошибка, связанная с редкой осадкомерной сетью, должна быть учтена.
Существует несколько схем, удовлетворяющих в той или иной степени этим двум условиям. Большинство из них основано на коэффициенте, равном отношению истинного пространственно осредненного количества осадков к измеренному по радиолокатору. Таким образом, коэффициент, равный единице, говорит о хорошем соответствии данных.
Оптимальное согласование с использованием статистических методов
Мотивация локальных согласований локационных осадков при помощи осадкомеров базируется на том факте, что оба измерителя имеют возможность измерять осадки с одинаковым качеством. И, хотя структура их ошибок несколько различна, они во многих аспектах дополняют друг друга. Многие авторы обсуждали как обусловленные, так и статистические подходы к решению этой проблемы (Carter, 1997, Rosenfeld, 1993,1995, Steiner, 1997).
Статистическое согласование базируется на принципах теории оптимальных оценок. Если недостатки обоих сенсоров известны, можно построить оценку ошибок. Преимуществом является тот факт, что осадки в определенной степени пространственно скорелированы. Так что, хотя осадкомерная сеть обычно редкая, станции, расположенные близко друг к другу, оказывают друг на друга некоторое влияние, в терминах корреляции. Минимальное расстояние между станциями, на котором возможна корреляция, зависит от пространственной ковариации осадков. Для осадков, осредненных по достаточно большим площадям и временным интервалам, эта корреляция обычно увеличивается.
Критическим элементом статистического согласования локационных и осадкомерных измерений является оценка пространственной ковариационной функции. Эта функция может быть определена на основе осадкомерных или радиолокационных данных. Хотя радиолокационные данные способны давать такие функции практически без использования статистики за длительное время, они могут быть подвержены шумам и ошибкам, что снижает качество получаемых результатов. Осадкомеры, однако, слишком редко расположены, чтобы обеспечить качество лучшее, чем для климатологических исследований.
Согласование эффективно, если густота сети соответствует радиусу корреляции осадков. Если среднее расстояние между осадкомерами превышает радиус корреляции, только ограниченные площади могут быть подвергнуты согласованию. С другой стороны, при большом радиусе корреляции даже несколько осадкомеров могут обеспечить удовлетворительную коррекцию. Так как радиолокатор определяет наличие осадков лучше, чем сеть станций, то финальное поле анализа должно иметь структуру аналогичную радиолокационной. Степень коррекции радиолокационных данных должна зависеть от разницы значений, полученных от этих двух источников, а также от расстояния до осадкомера и корреляционной функции. Для точек сетки, расположенных далеко от ближайшего осадкомера, не должно проводиться никакой коррекции.
Получение и накопление сумм осадков по радиолокационным данным
Процесс получения радиолокационной информации состоит из нескольких операций.
1. Получение отраженного сигнала от распределенной метеорологической цели (облаков, осадков), местных объектов, поверхности.
2. Выделение метеорологической информации (удаление местных объектов, сверхрефракции).
3. Области, где информация отбракована, заполняются при помощи интерполяции.
4. Разделение объемных данных радиолокационной отражаемости на отдельные плоские сечения, расположенные на определенных уровнях над поверхностью земли
5. Преобразование радиолокационной отражаемости в интенсивность осадков с использованием степенной формулы, основанной на распределении частиц осадков по размерам Маршалла-Пальмера.
6. Суммирование осадков за определенный промежуток времени для дальнейшего сопоставления с данными от метеорологических станций.
Теперь подробнее остановимся на некоторых из перечисленных шагов.
Восстановление енформации на больших расстояниях с использованием вертикального орофиля радиолокационнон отражаемости
Хотя современные радиолокационные системы позволяют измерять радиоэхо при очень маленьких углах места, местные объекты, а также кривизна Земли, не позволяют проводить измерения у самой поверхности, причем расстояние от самого нижнего конического сечения до поверхности земли естественно возрастает при увеличении расстояния до радиолокатора. Так, до 100 км еще удается выполнять измерения на высоте 600-800 м, а для удалений более 150 км эта величина составляет уже 1500-2000 м. Измерения на такой высоте уже не являются репрезентативными для земной поверхности, поэтому должны быть скорректированы.
Начальником отдела Радиолокационной метеорологии Ю.В. Мельничуком был предложен, а затем внедрен метод восстановления вертикального профиля отражаемости на больших расстояниях. Суть метода сводится к следующему. Для расстояний менее 50 км по нескольким угловым сечениям строятся вертикальные профили радиолокационной отражаемости. Затем эти профили усредняются. Для восстановления профиля отражаемости на больших расстояниях делается предположение о сохранении формы профиля по всей территории обзора радиолокатора. После чего не составляет труда применить полученный профиль к каждому значению на любом расстоянии и восстановить тем самым вертикальное распределение вплоть до земной поверхности (или высоты 400-600 м).
Преобразование радиолокационной отражаемости в интенсивность осадков
По результатам калибровки МРЛ-б специалисты отдела радиолокационной метеорологии Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) предложили использовать следующую формулу для связи радиолокационной отражаемости Z в интенсивности осадков I (Руководство по производству наблюдений...,1983,1996).
Следует отметить, что, несмотря на наличие в литературе разных коэффициентов формулы типа (3.2) для осадков в разных фазовых состояниях (дождь, снег), в ЦАО пришли к выводу, что коэффициенты формулы (3.2) вполне пригодны для измерения любых типов осадков, так что переход с зимних коэффициентов на летние не производится.
Получение суточных сумм осадков
Применяя формулу (3.3) к каждой точке каждого десятиминутного поля отражаемости МРЛ за сутки, получаем набор полей интенсивности осадков за каждые 10 минут в течение N часов. Их количество равно 6N. Каждое поле содержит интенсивности осадков, которые считаются средними интенсивностями (11o, мм/час) в течение соответствующих 10 минут. Коррекция суммы осадков при больших интенсивностях осадков и скоростях потока
При больших интенсивностях осадков и большой скорости переноса дождевых ячеек могут возникать случаи, когда дискретности измерений интенсивности в 10 минут оказывается недостаточно. При этом возникает явление образования сильно неоднородной картины сумм осадков, связанное с тем, что над одними участками оказываются измеренными больше осадков, чем было в действительности, а над другими меньше.
В этом случае применяется специальная процедура интерполяции по времени. Между двумя соседними кадрами, полученными с МРЛ через 10 минут, вставляется третий, представляющий собой взвешенное среднее между полученными интенсивностями осадков. При этом дискретность наблюдений искусственно уменьшается до 5 минут или менее, что позволяет получить более гладкую картину поля суммы.
Анализ отдельных случаев
Рассмотренные выше оценки средних значений ошибок позволяют оценить преимущества использования методики анализа осадков в целом. Однако всегда представляет интерес рассмотрение отдельных случаев с целью демонстрации работы алгоритмов на конкретных примерах. Это позволяет воочию оценить структурные и количественные изменения, привносимые на разных шагах анализа.
В настоящей работе будет рассмотрено два наиболее интересных с точки зрения автора случая - зимний и летний - что поможет также увидеть сезонные различия в полях осадков и их влияние на результат анализа.
Рассмотрим сначала характерный летний случай на примере анализа осадков за 28 июня 1997 года. Рисунок 6.8. отображает набор полей, которые строятся для каждого дня при выполнении анализа осадков. Рассмотрим их подробнее.
Рисунок 6.8а показывает корреляционную матрицу поля осадков за сутки, построенную по радиолокационной информации по описанной выше методике. Как и следовало ожидать, для лета матрица имеет крутые и узкие крылья, что означает быстрое падение коэффициента корреляции при удалении от станции.
Рисунок 6.86 показывает поле анализа осадков по данным метеорологических станций, построенное с использованием матрицы, отображенной на рис. 6.8а. Как видно из рисунка, благодаря применению корреляционной матрицы, поле имеет сложную структуру, напоминающую реальное распределение осадков по территории.
На рисунке 6.8в изображено поле накопленных осадков за сутки по данным МРЛ. Видно, что из-за редкой сети станций, в поле 6.86 не проявились очаги на востоке и юго-западе. Кроме того, крупный очаг осадков на юго-востоке по полю станций, оказался причиной экстраполяции осадков с одной станции. Однако, в силу очень пестрой структуры поля в этом месте, станция оказалась нерепрезентативной, что увеличило общее количество осадков в этом секторе при использовании только информации об осадках с наземных станций. С другой стороны, метеорологический радиолокатор несколько завысил слой осадков, что было соответствующим образом скорректировано при помощи линейной регрессии (рис. 6.8г).
Поле анализа осадков первого приближения представлено на рисунке 6.8д. Оно представляет собой компромиссную комбинацию данных, полученных с наземных станций и с метеорологического радиолокатора. Очаги в целом сбаллансированы, что представляет собой первичное согласование двух типов данных.
Поле конечного анализа (рисунок 6.8е) внешне мало отличается от предыдущего и представляет собой преимущественно "тонкую шлифовку", позволяющую снизить ошибку анализа.
Рассмотрим теперь для примера зимний случай - 31 января 1997 года. Поля, полученные для этого дня, изображены на рисунке 6.9.
Корреляционная матрица зимой имеет существенно более пологие крылья (большие радиусы корреляции), о чем красноречиво свидетельствует рисунок 6.9а. С другой стороны, при обложном характере осадков направленность матрицы вдоль ведущего потока выражена слабо, т.е. она напоминает купол.
Рисунок 6.96 иллюстрирует гладкое поле обложных осадков, полученное интерполяцией данных, полученных с метеорологических станций. Хорошо видно увеличение слоя осадков в северной и центральной частях области анализа.
Однако поле, полученное по данным МРЛ (рисунок 6.9в) не обнаруживает увеличения осадков в северной части, что связано с большим ослаблением в осадках, а также наличием большого количества мелкокапельных осадков, плохо обнаруживаемых при помощи метеорологических радиолокаторов. Кроме того, по тем же причинам имеет место занижение количества осадков по данным МРЛ, что в некоторой степени удается подправить коррекцией (рисунок 6.9г).
Описанная выше проблема так называемой "слепоты" МРЛ (пониженной чувствительности на больших расстояниях от точки установки радиолокатора) решается при построении поля первого приближения (рисунок 6.9д), позволяя увеличить количество осадков в северной области. Дополнительную коррекцию также вносит поле окончательного анализа, построенное с использованием вариационного согласования (рисунок 6.9е).
Приложение RSA
Вторым приложением, связанным с анализом осадков, является "Вариационный анализатор осадков (RSA)". Программа предназначена для интерактивного вычисления полей анализа осадков с визуализацией и архивацией результатов. В качестве входной информации используются базы данных синоптических и радиолокационных данных в формате ЛАССО, что позволяет с легкостью интегрировать ее в рабочее место синоптика ТИС Метео" производства НПЦ Мэп Мейкер.
Основные возможности программы RSA:
1. Просмотр оперативных данных МРЛ из базы данных ЛАССО об интенсивности осадков в виде отдельных кадров.
2. Поочередное воспроизведение десятиминутных кадров с созданием эффекта мультипликации, в том числе, с возможностью циклической анимации (когда вслед за последним кадром снова отображается первый).
3. Просмотр оперативных данных об осадках с метеостанций из циклической базы данных формата ЛАССО.
4. Построение полей анализа осадков за 12 или 24 часа по данным метеостанций с использованием процедуры интерполяции.
5. Построение полей сумм осадков по данным МРЛ (путем сложения информации из отдельных кадров данных МРЛ за 12 или 24 часа).
6. Построение поля анализа осадков 1-го приближения методом интерполяции невязок (т.е. грубого соединения данных станций и МРЛ).
7. Построение поля анализа осадков с использованием процедуры вариацонного согласования (обеспечивающей тонкий учет особенностей данных МРЛ и станций).
8. Отображение результатов на экране компьютера.
9. Запись полученных полей суммы осадков по данным МРЛ и анализа осадков с использованием вариационного согласования в БД формата ЛАССО для унифицированной передачи конечным потребителям по каналам Росгидромета.
Возможно использование настоящей программы в двух вариантах с точки зрения обработки исходных данных:
1. При наличии достаточно мощного компьютера построение полей анализа производится по запросу пользователя с использованием имеющейся в его распоряжении синоптической и радиолокационной информации. При этом требуется ПЭВМ с процессором Intel Pentium 200 Мгц или более мощный с 16-ю или более Мбайт памяти (процесс вычисления всех полей занимает 1-2 минуты).
2. Для пользователей, использующих менее мощную технику или не имеющих у себя достаточного количества исходной информации возможна передача уже готовых полей осадков (за 12 или 24 часа) стандартными средствами технологии НПЦ Мэп Мейкер.
Минимальные требования для ПЭВМ в этом случае значительно ниже (80386 с тактовой частотой 40 МГц и 4 Мбайт ОЗУ).
Программа обладает удобным пользовательским интерфейсом, ориентированным в первую очередь на эффективное использование манипулятора мышь. Главное окно оснащено линейкой быстрого доступа, расположенной под строкой главного меню и заменяющей наиболее часто используемые команды меню, а также строкой статуса в нижней части окна, выводящей подсказки пользователю и статус выполнения текущей операции (назначение команд меню и пиктографического меню быстрого доступа, открытие/сохранение анализов, построение полей анализа и т.п.).
Приложение реализовано на Borland Pascal 7.0 & Object Windows и выполняется под управлением операционной среды Microsoft Windows 3.1/95/98/NT.
