[发明专利]一种用于气象学中寻找三体散射的方法

说明书

技术领域

本发明涉及气象学领域，特别涉及一种用于气象学中寻找三体散射的方法。

背景技术

天气雷达是对强对流天气进行监测和预警的主要工具之一。天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁波遇到降水物质（雪花、雨滴和冰雹等），大部分能量继续前进，而有一小部分能量被降水物质向四面八方散射，向后散射的能量被雷达接收。1987年Zrnic发现三体散射的气象现象，并命名为“三体散射”（TBSS），根据Zrnic的理论，1）雷达发出的波被强冰雹类降水物质强烈的向下散射到地面；2）散射到地面的波又被地面散射向原来的降水物质；3）最后，波又返回雷达。

设雷达发射的电磁波在A点遇到强冰雹，如图1所示，此后，电磁波的大部分能量继续向前传输，剩余部分向周围散射，其中，散射波的一小部分返回雷达，以示探测到目标A，另有一部分散射向地面，再形成返回波反射回冰雹A，返回波的部分能量被A吸收，另有一部分向雷达继续行进。容易看出，当冰雹A的强度很大时，源于冰雹A的散射波到达地面的路径越长，回到冰雹A的波的能量就越弱，设只有落到图1中以BC（或BD）为半径的圆形区域内的返回波剩余能量才能够支撑该波行进至雷达，这时，雷达会将这部分途径地面的返回波信号误读为在沿电磁波发出方向且远离冰雹一定距离连续存在着弱的回波E、F、G，而该距离理论上大于等于A到地面距离，即AF=h,AG=AC=AD>AF,h=R×sinα，从而在FG范围内出现窄带弱回波图像。

廖玉芳，俞小鼎[1]对中国11个强对流事件中出现的23个强风暴产生的三体散射现象进行了统计，发现每一个强风暴都产生了直径在2cm以上的强冰雹，其中有4个强风暴产生了直径为10cm以上的冰雹。也就是说，如果S波段新一代天气雷达产生三体散射现象，则强冰雹的可能性几乎是100%，同时大多伴随地面灾害性大风。在湖南北部的统计表明，80%左右的2cm以上直径冰雹都出现了三体散射。又由于TBSS的持续时间多为30-60min之间，并且地面降雹的时间滞后于三体散射出现的时间，所以三体散射可作为强有力的冰雹预警指标，不仅如此，D.S.ZRNIC[2]证明了三体散射还与冰雹大小有关系，这样，三体散射对于短时冰雹预警起到至关重要的作用。然而美国和我国新一代天气雷达强冰雹算法是检验50dBz的强反射率因子有没有扩展到-20℃层所在高度以上，命中率仅为70%，虚报率为49%。对湖南北部数据进行统计，在2002年到2005年间共19个雹暴中，有16次三体散射，占84%，

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

国内外目前还没有自动检测三体散射的方法，又由于三体散射可能出现在各个仰角中，人为观测费时费力，会影响到预报的时效性；且不能对冰雹灾害进行及时预警，造成经济损失和人员伤亡。

发明内容

本发明提供了一种用于气象学中寻找三体散射的方法，本方法能自动检测出三体散射，对灾害进行及时的预警，减少经济损失和人员伤亡，详见下文描述：

一种用于气象学中寻找三体散射的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）从雷达反射率图中寻找反射率值大于等于60dBZ的图像区域，并根据所述图像区域寻找目标区域；

（2）对所述目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图；

（3）对所述标记图进行短三体散射识别；

（4）对所述标记图进行长三体散射识别。

所述根据所述图像区域寻找目标区域的步骤具体为：

将所述雷达反射率图的中心作为探测中心，将所述探测中心到所述图像区域的几何中心的射线为角平分线，做张开30°角的两条射线，定义所述探测中心到所述图像区域的几何中心的距离为半径r，几何中心到地面的距离为h，h=r×sinα，以r+h作为第一距离，第一距离加20为第二距离，α为所述雷达反射率图的仰角；以所述探测中心为中心，分别以所述第一距离和所述第二距离为半径画圆，将两条射线与两圆相交的扇形区域作为所述目标区域。

所述对所述目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图的步骤具体为：

1）做所述目标区域的外接矩形，对所述外接矩形进行图像预处理；

2）以所述雷达反射率图的正东方向为角平分线，以所述探测中心为顶点，做45夹角，将夹角所在区域作为第0等分区域，以所述第0等分区域为基准沿逆时针方向将雷达反射率图8等分，依次标记为第1至第7等分区域，记录所述目标区域所在等分区域的编号。

所述对所述外接矩形进行图像预处理的步骤具体为：