[发明专利]基于多普勒天气雷达的强对流系统动力场结构识别方法

说明书

本发明公开了一种基于多普勒天气雷达的强对流系统动力场结构识别方法，所述方法包括以下步骤：首先，将多普勒雷达基数据进行坐标系转换，在新坐标系A中先通过反射率图确定气流场检测范围并映射到径向速度图中，再插值得到70层等高的径向速度图，提取正速度区域和负速度区域的公共边界点；然后，设计两个检测模板，转换到坐标系A中后，分别遍历所有公共边界点计算气流场结构特征向量；比较每个公共边界点处两个模板计算得到的气流场结构特征向量确定对流强度与气流场结构类型；最后，将所有的对流强度和气流场结构类型信息通过投影整合到一张图上。本方法实现了强对流系统动力场结构的自动识别，促进了对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。

技术领域

本发明涉及气象学领域，特别涉及一种基于多普勒天气雷达的强对流系统动力场结构识别方法。

背景技术

γ中尺度系统的速度特征是在雷达探测有效范围内的小区域(2-20km，并近似认为这个小区域在同一高度上)内，根据最大入流和出流速度中心的方位关系定义的^[1]。对流系统中，同时存在着上升气流和下沉气流，两者交汇、旋转、分散，形成了复杂多变的气流场。通过分析沿雷达径向的速度分量的特征，可以确定局部区域内的气流辐合、气流辐散、气流旋转等结构特征。

在小区域内，当最大入流、出流速度中心距雷达的距离相等时，表示在该区域内有γ尺度的旋转存在，若最大入流速度中心位于左侧、最大出流速度中心位于右侧，则该处为气旋性旋转，反之则是反气旋性旋转；当最大入流、出流速度中心位于同一雷达径向方向，且最大入流速度中心位于靠近雷达一侧、最大出流速度中心位于远离雷达一侧时，该区域为径向辐散区，反之为径向辐合区^[2]。因此，入流、出流速度中心的方位关系是判断气流场结构的关键，可以将其转化为判断入流、出流速度交界点两侧一定范围内的入流、出流速度极值点的方位关系，为便于表述将这种方位关系定义为该交界点的属性。为限定速度极值点间的距离同时判断两者间的方位关系，可以利用模板进行分区域的速度匹配和计算。

强天气的产生、维持和消亡往往和位于中低层的辐合、辐散的结构配置有关。若中低层辐合而高层辐散，则有利于降水等的产生(或维持)；若中低层辐散而高层辐合(散)，则不利于降水的发展^[3-5]。通常，有经验的预报员根据多普勒天气雷达各仰角径向速度图中的辐合、辐散特征就可以定性地判断出各高度层的大气辐合、辐散状况，从而帮助做出短时天气预报。当前的研究工作多是对大气的辐合、辐散场的定性分析，且尚未实现有效的自动识别。

[参考文献]

[1]李柏，郑国光.天气雷达及其应用[M].北京：气象出版社，2011.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等，多普勒天气雷达原理与业务应用第一版[M].北京：气象出版社，2006.

[3]徐芬，夏文梅，吴蕾，等.多普勒天气雷达速度PPI图散度分布信息提取[J].气象，2007，33(11)：21～27.

[4]吴芳芳，俞小鼎，张志刚，等.对流风暴内中气旋特征与强烈天气[J].气象，2012，38(11)：1330～1338.

[5]陶岚，戴建华，孙敏.一次雷暴单体相互作用与中气旋的演变过程分析[J].气象，2016，42(1)：14～25.

发明内容

本发明提供了一种基于多普勒天气雷达的强对流系统动力场结构识别方法，本方法能自动检测出强对流系统内部动力场结构，同时绘制含有动力场中结构类型与对流强度的综合信息投影图，辅助对流系统的演变分析，促进对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于多普勒天气雷达的强对流系统动力场结构识别方法，包括以下步骤：

步骤一、以多普勒雷达基数据为数据来源进行坐标系转换，并在新坐标系A中各仰角的反射率图上提取高反射率区域，通过高度匹配确定气流场检测范围；步骤如下：