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基于模糊逻辑的冰雹天气雷达识别算法

张秉祥 李国翠 刘黎平 李哲 王丛梅 王丽萍

张秉祥, 李国翠, 刘黎平, 等. 基于模糊逻辑的冰雹天气雷达识别算法. 应用气象学报, 2014, 25(4): 415-426..
引用本文: 张秉祥, 李国翠, 刘黎平, 等. 基于模糊逻辑的冰雹天气雷达识别算法. 应用气象学报, 2014, 25(4): 415-426.
Zhang Bingxiang, Li Guocui, Liu Liping, et al. Identification method of hail weather based on fuzzy-logical principle. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(4): 415-426.
Citation: Zhang Bingxiang, Li Guocui, Liu Liping, et al. Identification method of hail weather based on fuzzy-logical principle. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(4): 415-426.

基于模糊逻辑的冰雹天气雷达识别算法

资助项目: 

中国气象局“新一代天气雷达建设业务软件系统开发项目”,河北省气象局科研项目 13ky24

详细信息
    通信作者:

    李国翠, email: liguocui@sina.com

Identification Method of Hail Weather Based on Fuzzy-logical Principle

  • 摘要: 该文确定了冰雹天气的5个雷达识别指标和不同季节识别指标对应的隶属函数,采用等权重系数法建立了基于模糊逻辑原理的冰雹天气识别算法。应用雷达回波拼图数据、冰雹灾害报告和常规探空资料,对2008—2012年华北地区103个冰雹样本进行了识别效果检验,给出了识别评分结果、识别提前量和冰雹位置等。结果表明:华北区域性冰雹的识别命中率、虚警率和临界成功指数分别为73.9%,36.4%和51.9%,其中石家庄地区的零散冰雹能够被完全识别,最大直径超过30 mm冰雹对应风暴单体综合识别判据在0.85以上;在空间分布上,被识别到可能出现冰雹的风暴单体区域和实况有冰雹的测站空间分布基本一致,冰雹出现位置一般位于强风暴单体的周边区域;相对单要素识别,综合识别算法识别准确率有所提高,识别范围得到改善,自动化程度也较高;冰雹被识别到的最早时间普遍早于冰雹出现时间,平均提前量为30 min。
  • 图  1  华北区域冰雹测站分布

    Fig. 1  Distribution of hail stations in North China

    图  2  不同时段冰雹天气雷达识别指标对应的隶属函数

    Fig. 2  Membership functions of each identification index in different months for hail

    图  3  2008年6月23日13:00—18:00识别风暴单体与实况有冰雹的测站分布

    Fig. 3  The identified thunderstorms and stations of hail from 1300 BT to 1800 BT on 23 June 2008

    图  4  雷达CR产品、被识别风暴单体和实况有冰雹的测站

    (a)2008年6月23日16:00,(b)2008年5月17日12:30,(c)2011年7月26日20:48

    Fig. 4  The radar CR, identified thunderstorm and stations of hail

    (a)1600 BT 23 June 2008, (b)1230 BT 17 May 2008, (c)2048 BT 26 July 2011

    图  5  冰雹最大直径与RM, MVIL, TE, P散点图

    Fig. 5  Scatter diagram between maximum diameter of hail and RM, MVIL, TE, P

    图  6  雷达CR产品和被识别冰雹位置 (▲表示被识别冰雹)

    (a)2008年6月23日16:00, (b)2008年5月17日12:30, (c)2011年7月26日20:48

    Fig. 6  The radar CR and identified hail (▲ denotos identified hail)

    (a)1600 BT 23 June 2008, (b)1230 BT 17 May 2008, (c)2048 BT 26 July 2011

    表  1  2008—2012年5—9月河北邢台探空站0℃层和-20℃层平均高度

    Table  1  Average height of 0℃ and-20℃ at Xingtai Sounding Station from May to September during 2008-2012

    月份H0℃/kmH-20℃/km
    53.96.8
    64.27.3
    74.88.1
    84.78.0
    94.07.0
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    表  2  5—9月雷达识别指标阈值

    Table  2  Standard values of identified indices from May to September

    雷达识别指标5月与9月6—8月
    阈值下限阈值上限阈值下限阈值上限
    RM/dBZ45555060
    MVIL/(kg·m-2)10203555
    TE/km681012
    DVIL/(g·m-3)3.24.03.24.0
    HMH0℃H-20℃H0℃H-20℃
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    表  3  华北区域性冰雹天气过程

    Table  3  The regional hail weather processes in North China

    出现时间冰雹站数命中率/%虚警率/%临界成功指数/%冰雹影响区域
    2008-05-11T18:00—21:00850.033.340.0石家庄、邢台、保定、张家口、承德
    2008-06-23T13:00—18:001291.731.364.7北京、石家庄、廊坊、承德、保定
    2009-07-23T14:00—19:00785.733.360.0北京、石家庄、廊坊、张家口、承德
    2009-08-27T16:00—18:00810038.561.5石家庄、邢台
    2008-05-03T09:00—16:00610060.040.0北京、天津、邯郸、保定、沧州
    2008-06-25T14:00—20:00988.938.557.1天津、邯郸、张家口、承德
    2010-06-17T11:00—21:001040.033.333.3天津、廊坊、沧州、唐山、承德
    2011-06-11T10:00—18:001758.816.752.6北京、保定、廊坊、沧州、张家口、承德
    2011-06-23T13:00—18:00785.725.066.7北京、保定、张家口、承德
    2012-09-27T11:00—18:00862.544.441.7保定、衡水、张家口、秦皇岛
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    表  4  零散性冰雹和对应雷达识别指标

    Table  4  The scattered hail and identified indices of thunderstorm

    冰雹出现时间站名冰雹直
    径/mm
    风暴单体识别提前
    量/min
    PRM/dBZMVIL/(kg·m-2)DVIL/(g·m-3)TE/kmHM/km
    2008-05-17T12:04灵寿20.6058.8213.472.716
    2008-05-17T12:31正定60.8063.8374.493.543
    2008-05-17T14:01新河60.8060.4303.8104.160
    2011-07-26T20:52石家庄150.8859.0565.6125.852
    2012-05-25T15:22新乐50.8058.4333.4103.716
    2012-06-01T16:28涉县50.7055.0284.0127.84
    2012-06-01T18:05平山60.4060.8325.273.160
    2012-06-21T16:03栾城60.6256.6443.3146.215
    2012-06-21T16:06曲阳40.5061.2353.1124.136
    2012-06-21T17:43怀安60.4959.4304.3105.27
    2012-07-03T20:06赞皇80.5355.8363.6125.430
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-07-16
  • 修回日期:  2014-04-08
  • 刊出日期:  2014-07-31

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