基于天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法及系统

本发明属于气象预报预测，尤其涉及基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法及系统。

背景技术：

1、强对流天气是指伴随雷暴出现的强降雨、雷雨大风、大冰雹和龙卷现象，是一种历时短、天气剧烈、破坏性强的灾害性天气。世界上把它列为仅次于热带的气旋、地震、洪涝之后第四位具有杀伤性的灾害性天气，多发于夏秋季节，严重威胁到人民生命财产安全。强对流天气发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，生命史短暂，具有突发性、局地性和生消发展速度快等特征，目前我国从国家级到省、市、县三级预报员都需要进行强对流天气预报预警工作。

2、新一代天气雷达全称为新一代多普勒天气雷达(cinrad：china new generationdopplerweather radar)，有效探测范围为230km，时间分辨率为6分钟，空间分辨率为1km×1°，是捕捉预警尺度小、移动快、难捕捉、爆发性强的强对流天气系统的重要利器。我国从上世纪90年代后期至2022年9月已经建成236部新一代天气雷达，显著提高了天气预报的效益，极大减少了强对流天气带来的经济损失。

3、“复盘”最早源自围棋运动，其本意是“当下完一盘棋之后，要在棋盘上重新摆棋，研究哪些棋子走得好，哪些棋子走得不好，哪些地方可以有不同甚至是更好的下法等等。”它是从过去的成功和失败中获取经验教训以改进未来的学习机制。为尽摸清强对流天气发生发展规律，找出预报预警要点，气象部门预报人员对于强对流天气的复盘分析起步得较早，到现在已成为省级、市级和县级各级预报员的主要业务工作之一。但目前关于强对流天气复盘存在三个问题：一是有关强对流天气的判定标准使得强对流天气的记录与真实情况存在偏差。强对流天气的判定标准一般基于地面观测资料，而地面观测资料只记录出现在观测站的强对流天气，这使得被记录的强对流发生次数远少于真实情况，不利于预报预警工作；虽然随着智能手机和新媒体的发展，有关强对流天气的新闻信息成为了除气象专业观测之外的另一种观测来源，但新闻信息真假难辨，需要气象专业资料进行佐证。二是没有统一的科学的强对流天气复盘分析方法。国、省、市、县四级预报员都需要做强对流天气复盘分析，但缺少统一的强对流天气复盘分析方法，面对海量的气象数据，各级预报员各自为战，分析效率低，也阻碍了彼此之间的交流。三是缺乏专门的复盘分析系统供预报员进行操作训练，尤其是基于新一代天气雷达产品的强对流天气复盘分析系统。

4、通过上述分析可知，现有技术存在的问题及缺陷为：强对流天气的判定标准亟需更新升级，省、市、县预报预警服务人员对强对流天气的复盘分析效率低，无法进行有效交流，缺少一种基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了基于新一代天气雷达产品的强对流天气个例自动复盘方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于新一代天气雷达产品的强对流天气个例自动复盘分析方法包括：

3、步骤一，气象数据获取；

4、步骤二，特征信息提取；

5、步骤三，强对流天气个例识别；

6、步骤四，个例自动复盘分析。

7、进一步，所述气象数据获取：

8、基于天擎·气象大数据云平台，国家气象信息中心micaps数据资料资源池，每日定时获取指定行政区域的新一代天气雷达产品中基本反射率因子产品、组合反射率因子产品和回波顶高产品，国家级地面气象观测数据，高空气象观测数据，进入到指定存储空间。

9、进一步，所述特征信息提取：

10、对于进入指定存储空间的气象数据进行特征提取，提取包括地面气象观测站逐小时降水量，逐小时最大风速，新一代天气雷达产品中指定区域范围的最大基本反射率因子、最大组合反射率因子和最高回波顶高，高空气象观测数据中温度与大气压强的数值。

11、进一步，所述强对流天气个例识别：

12、建立基于新一代天气雷达产品的不同类型强对流天气个例标准，在特征信息中根据标准进行筛选，当数据特征值符合强对流天气标准时，对强对流天气个例进行标记，记录强对流天气个例的发生时间、发生台站和已提取出的特征信息。

13、进一步，所述个例自动复盘分析：

14、基于已提取出的强对流天气个例特征信息，根据气象行业实际情况，参考气象行业经典教材、强对流天气预报手册、气象行业天气预报技能竞赛文件、标准化文件、相关文献等资料，采用信息化技术对个例进行自动复盘分析，主要包括强对流天气潜势分析和强对流天气雷达监测产品分析两个部分。

15、强对流天气潜势分析主要为天气图分析、探空分析和触发机制分析。

16、天气图分析主要分析850hpa、700hpa和500hpa天气图呈现的强对流天气环流形式类型：高空冷平流强迫型、低层暖平流强迫型、斜压锋生型、准正压型、高架雷暴型等。重点分析高空槽、低层切变、急流、水汽、地面冷空气、高度槽与温度槽的关系及其特征值。

17、探空分析主要着眼于强对流天气分类：短时强降水，雷暴大风，冰雹，龙卷和混合型强对流。基于温度层结分析对流有效位能cape形态、大小，下沉有效位能dcape大小，850hpa和500hpa的温度差t850t500，850hpa、700hpa和500hpa的温度露点差(ttd)850、(ttd)700、(ttd)500，地面露点温度td，0～6km垂直风切变大小，冷暖平流情况，湿度情况，风始端图类型，0℃、20℃等温层高度；

18、触发机制分析着眼于地面、925hpa、850hpa等天气图上呈现的中低层切变线、地面辐合线、干线露点锋、局地加热、锋面系统。

19、强对流天气雷达监测产品分析主要分析上游地区发生的强对流类型、回波形态、回波中心强度、45～55dbz回波所在高度、垂直液态水含量vil、风暴属性。

20、本发明还提供了一种基于新一代天气雷达产品的强对流天气个例自动复盘分析系统包括：

21、知识储备模块、数据处理模块、个例检索模块、复盘分析模块和挑战答题模块；

22、知识储备模块，用于实现新一代天气雷达培训课件、相关书籍电子版直接查阅功能；实现文献检索工具地址链接跳转和使用方法说明文档查阅功能；

23、数据处理模块，用于实现气象数据获取、特征提取和强对流天气自动识别功能；

24、个例检索模块，用于实现快速检索强对流天气历史个例，调阅数据资料功能；

25、复盘分析模块，用于实现强对流天气个例自动复盘分析全流程功能；

26、挑战答题模块，用于挑战答题。

27、进一步，所述个例检索模块检索条件设置如下：

28、(1)数据类型；

29、数据类型包括地面、高空、卫星、雷达、ec细网格、grapes_gfs，单项选择，各类型数据检索方式包括综合图检索与文件检索；

30、(2)个例基本信息；

31、显示强对流天气个例基本信息，包括发生时间、持续时长、强对流天气类型、站点实况、雷达产品特征客观指标和主观描述；

32、其中发生时间为北京时间；强对流天气类型分为短时强降水、雷暴大风、冰雹和混合型；站点实况为单部雷达有效探测范围内有强对流天气的国家站站点信息；

33、显示加载雷达资料时，可以让雷达资料直接加载至气象数据处理业务系统(micaps)中，利用micaps系统里“单站雷达”和“单站雷达终端”进行调用，同步保留雷达资料下载到本地功能，供雷达产品显示端(pup)调用显示。

34、进一步，所述复盘分析模块：

35、复盘分析模块根据基于新一代天气雷达产品的强对流天气个例自动复盘分析方法中的个例复盘分析进行设计，包括强对流天气潜势分析和强对流天气雷达监测产品分析两个部分中天气图分析要素、探空分析要素、触发机制分析要素和雷达产品分析要素的自动计算与显示。

36、进一步，所述挑战答题模块：

37、挑战答题模块包含2个部分：答题部分和错题集部分；

38、答题部分包括出题、答题、答案和评分；出题内容主要包括识图题和调用资料分析两种类型；识图题包括雷达基础识图和雷达预警指标特征识图；调用资料分析题型需要在“检索显示”模块调用资料，查看相应个例资料进行分析后在答题面板进行作答；

39、错题集部分可让预报员在该界面看到曾经或正在进行的考卷和过往的错题。

40、本发明还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法的步骤。

41、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法的步骤。

42、本发明还提供了一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析系统。

43、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

44、第一、针对上述现有技术存在的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

45、1.基于新一代天气雷达产品制定新的强对流天气标准，提升强对流天气实况时空分辨率

46、基于新一代天气雷达产品中的基本反射率因子、组合反射率因子，回波顶高、0℃等温层高度，结合地面观测资料和高空探测资料，对短时强降水、冰雹、雷暴大风等强对流天气进行了描述：

47、(1)短时强降水天气：当1个国家级地面气象观测站的小时降雨量≥20mm，认为该站点该小时内出现短时强降水天气。

48、(2)雷暴大风天气：当1个国家级地面气象观测站逐小时观测记录中出现≥17.2m/s的大风，且该地面观测站5km范围内相关雷达组合反射率≥40dbz，回波顶高≥6km，认为该站点该小时内出现雷暴大风天气。

49、(3)大冰雹天气：当1个国家级地面气象观测站逐3小时特殊天气报中记录有直径≥20mm的冰雹，取该站点5km范围内相关雷达最高组合反射率因子所在小时为冰雹出现的小时，认为该站点该小时内出现大冰雹天气。或者，某个国家级地面气象观测站没有冰雹记录，但在以该站点为圆心，半径5km圆形区域内某个小时内出现强冰雹的雷达回波特征，就判定该站点该小时有强冰雹，这些特征包括：55dbz回波扩展到20℃等温线高度以上；出现65dbz以上强回波，无论位于什么高度；出现三体散射。

50、(4)龙卷天气现象

51、当1个国家级地面气象观测站30km范围内有龙卷灾情被确认，认为该站点该小时内出现龙卷天气现象。

52、经过标准的重新制定，强对流天气实况判定的时间分辨率由之前的3小时提高到1小时，空间分辨率由原来的30km提高到1km，极大地提升了强对流实况的精细程度。

53、2.研发气象数据获取与特征信息提取技术，储备强对流个例数据资源

54、(1)基于天擎·气象大数据云平台，国家气象信息中心micaps数据资料资源池，依据基于新一代天气雷达产品的强对流天气判定标准，利用编程语言每日提取指定行政区域的国家级地面气象观测站小时降雨量，当小时雨量达到短时强降水标准时，则将强降水的发生时间、发生台站、降水量等信息进行记录，写入ftp空间强对流识记表格中。

55、(2)逐日提取国家级地面气象观测站风向风速，并依据特殊天气报和雷达产品，当达到雷暴大风标准时，则将雷暴大风的发生时间、发生台站、风向风速等信息进行记录，写入ftp空间强对流识记表格中。

56、(3)逐日提取特殊天气报告编发的天气现象电码信息，得到时间分辨率为3小时的冰雹实况资料，当冰雹直径达到大冰雹标准时，采用地面观测实况与雷达产品资料时空分辨率匹配重建与同步资料叠加分析方法，提升冰雹观测时间分辨率，并将大冰雹发生时间、发生台站、冰雹直径等信息进行记录，写入ftp空间强对流识记表格中。

57、3.研发强对流天气实况自动识别，为自动复盘分析提供基础条件

58、根据高分辨率的强对流天气实况判定标准，基于地理信息技术，研发新一代天气雷达产品、地面观测资料、高空探测资料等多源观测数据时空分辨率重建技术，构建强对流天气典型雷达回波图像反射率因子模板与形态模板，采用js散度和svm机器学习方法结合建模，利用python编程语言，对短时强降水、冰雹和雷暴大风等三类强对流天气实现自动识别。

59、4.研究复盘分析策略，实现强对流天气复盘分析全流程自动化

60、引入并改进经典复盘模型grai模型，从“设定目标”、“结果比对”，“原因分析”和“规律总结”4大方面，研发从强对流天气潜势预报到临近监测预警的全过程学习与复盘分析策略，包括复盘策略执行过程中的4条准则和6个基本步骤。4条准则指数据资料的延续性，流程的固定性，方法的复现性和规律的逻辑性；6个基本步骤是指目标设定，结果比对，过程叙述，深刻剖析，设问讨论和总结规律。将识别过程中的阶段性信息和最终结果按照强对流天气个例复盘策略中的流程自动反馈给预报员，由以往人工花费2小时复盘1个强对流天气个例的情景变为10分钟完成复盘，极大地提升了强对流天气个例复盘效率，有利于预报员对最新发生的强对流天气过程进行及时总结。

61、5.建设基于新一代天气雷达产品的强对流天气复盘演练系统

62、基于强对流天气复盘个例数据库，结合优秀预报员预报预警经验和学习需求，将强对流天气复盘分析全流程和关键节点所需相关知识固化为功能模块。

63、基于新一代天气雷达产品的强对流天气复盘演练系统研发技术包含2部分内容：强对流天气个例资料自动调取技术和强对流天气个例复盘分析技术。在总体设计上以预报员简便操作为根本出发点，考虑以预报业务平台micaps(气象信息综合分析处理系统)底层框架的开放性，选择在micaps4.8基础上，采用c/s结构进行二次开发。

64、具体而言，系统数据层，设计强对流天气复盘个例数据库与资料存储，整理并保存个例的基本信息以及个例相关的数据资料，形成个例及其资料统一的存储引用标准，提供个例检索与资料应用的数据环境；系统基础层，设计为基于micaps4.8的二次开发，通过micaps4.8客户端的二次开发框架与接口进行系统集成；系统应用层，作为预报员的操作终端，设计并研发4个功能模块：知识储备模块、数据处理模块、个例检索模块、复盘分析模块和挑战答题模块。

65、第二，本发明实施例提供的基于新一代天气雷达产品的强对流天气复盘分析方法及系统在多个方面展现了显著的技术进步，具体体现在以下几个方面：

66、(1)提升了强对流天气复盘个例资源建设的规范性

67、强对流天气个例的质量是复盘分析工作的重中之重。在强对流天气现象传统的定义基础上，加入了高时空分辨率的新一代天气雷达产品指标，专门设立了基于新一代天气雷达产品的强对流天气标准，该标准的设置使得强对流天气发生时间、地点、特征、影响范围明晰，各类观测数据齐备，资料调取与使用符合业务规范与预报员习惯，最大程度保证了强对流天气复盘个例的质量，为全国气象部门培训工作中个例的选取提供了有价值的参考，为相关系统的建设打下了坚实的基础。

68、(2)提高了强对流天气个例入库效率

69、强对流天气个例入库速度快、效率高是强对流天气个例库建设的基础性工作。相比于人工判定强对流天气实况的发生发展，采用强对流天气实况自动识别和提取技术，可以从每日海量的天气观测和预报技术中更快更优地识别出强对流天气，及时筛选数据资料进行入库，有利于预报员对新发生的强对流天气及时进行复盘分析。

70、(3)强化了强对流天气复盘分析策略的科学性

71、复盘分析策略是复盘分析流程实现的最重要的依据。复盘分析策略研究过程中避免了个人主观思维的局限性，而是以实际数据资料情况和科技文献为基础，采用数据分析法、文献分析法，归纳出强对流天气的发生发展演变特征和强对流复盘类型、时效和分析方法，在此基础上给出的强对流天气复盘策略科学严谨。

72、(4)提升了强对流天气复盘功能模块的实用性

73、强对流天气复盘功能模块以强对流天气个例库为数据基础，依据科学的复盘策略进行设计，充分考虑了全国范围内大多数气象部门做好强对流天气监测预警的流程。系统是基于预报业务平台micaps进行的二次开发，完全符合预报员日常业务工作习惯，容易上手，实用性强。

74、综上所述，本发明实施例提供的基于新一代天气雷达产品的强对流天气自动复盘分析方法及系统在强对流天气个例资源建设的规范性、个例入库高效性、复盘分析的科学性、系统功能模块的实用性等方面展现了显著的技术进步，这些进步有助于提高强对流天气复盘的效率和准确性，为气象服务水平的提升做出积极贡献。

75、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：对强对流天气个例作复盘分析是目前天气预报业务工作中的重要内容之一，但是在本发明的技术方案出台之前，强对流天气个例资料获取复杂，复盘效率低，没有统一细致的流程提供给预报员进行参考，并且一直没有固定的平台供预报员训练，也。本发明的技术方案填补了国内强对流天气个例复盘分析自动化技术领域的空白。

76、(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明的技术方案一是建立了基于新一代天气雷达产品的强对流天气标准，通过研发自动识别和自动复盘分析技术，解决了长久以来强对流个例依靠人工识别和分析而导致速度慢、效率低、容易出错的问题；二是提供了规范的复盘个例资料、科学的复盘策略和可操作性强的功能模块，解决了预报员们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题：复盘分析的框架结构、数据使用、个例规范、复盘流程等方面不一致，影响了个例复盘的完整性和可对比性。