[发明专利]一种基于星载双频雷达的降水中水凝物种类识别方法

说明书

本发明公开了一种基于星载双频雷达的降水中水凝物种类识别方法：将地基双偏振天气雷达数据与星载Ku/Ka双频雷达数据进行时空匹配，建立星地雷达匹配数据集；利用双偏振天气雷达数据反演得到水凝物种类，将星载双频雷达三维观测物理量聚类得到相应的几何质心；根据零度层的相对位置预分出纯降水类型廓线；在逐库反演时，将星载双频雷达三维观测物理量分别与每类水凝物对应的几何质心计算欧式距离；确定欧氏距离最小的相应水凝物种类为该距离库的最优反演结果。最后基于邻域相关性对各个距离库的反演结果进行优化处理，得到整条廓线反演结果。本发明利用星载双频雷达直接观测物理量快速有效识别水凝物种类，反演结果精细可靠。

技术领域

本发明属于大气探测与遥感技术领域，特别是一种基于星载双频雷达的降水中水凝物种类识别方法。

背景技术

降水中水凝物种类的准确识别对雷达定量降水估计、云降水物理机制研究以及人工影响天气作业、灾害天气监测预警等方面具有重要的科学意义和应用价值。对降水中水凝物种类的识别探测手段主要分为直接探测和遥感反演两种。直接探测方式主要是通过飞机搭载仪器直接探测降水中水凝物种类；遥感反演手段是通过使用双偏振天气雷达、微波辐射计等仪器测量结果反演得到降水中水凝物种类。其中，机载探测结果最为准确，但是实施作业程序多、成本高，且时空分辨率低。由于偏振技术对于探测降水粒子形态的优势，双偏振天气雷达探测除了能连续获得高时空分辨率的测量数据，还可以基于模糊逻辑算法等方法准确反演得到降水中水凝物种类。目前，最常用的地基探测手段就是利用S波段双偏振天气雷达基于模糊逻辑算法对降水中水凝物种类进行反演。

相比地基探测而言，卫星观测覆盖面广泛，可以覆盖沙漠、海洋等无站点偏远地区，有效助力对全球和地区气候态研究。目前，可以有效探测降水中水凝物种类的在轨运行星载气象雷达仅有美国日本联合研究发射的GPM星载双频降水测量雷达，工作波段为Ka(35GHz)和Ku(13.6 GHz)，无偏振功能。并且GPM官方产品中目前没有降水中水凝物种类产品，相关算法研究亟待填补空白。因此，开发一种基于星载双频雷达的降水中水凝物种类识别方法具有迫切的实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反演结果精细可靠的基于星载双频雷达的降水中水凝物种类识别方法。包括以下步骤：

步骤1、将经过质控的地基双偏振天气雷达数据与星载Ku/Ka双频雷达数据进行时空匹配，建立星地雷达时空匹配数据集；

步骤2、利用匹配数据集中的双偏振天气雷达数据反演得到水凝物种类；

步骤3、将每类水凝物对应的星载双频雷达三维观测物理量分别聚类得到相应的粒子簇分布空间，并计算各自的几何质心；

步骤4、在开始反演时，根据零度层的相对位置预分出纯降水类型廓线；在逐库反演时，将星载双频雷达三维观测物理量分别与每类水凝物对应的几何质心计算欧式距离；

步骤5、确定欧氏距离最小的对应水凝物种类为该距离库的最优反演结果。最后基于邻域相关性对各个距离库的反演结果进行优化处理，得到整条降水廓线的水凝物种类反演结果；

进一步地，步骤1中所述的将经过质控的地基双偏振天气雷达数据与星载双频雷达数据进行时空匹配，其中星载双频雷达是指星载Ku/Ka双频雷达，质控是指对地基双偏振天气雷达数据进地物杂波订正以及基于长期观测规律对Zdr观测量进行校正，时空匹配是首先将质控后的双偏振天气雷达数据栅格化插值处理成1km*1km*0.5km的三维数据，然后限制时间不超过5分钟与过境的星载双频雷达数据进行时间匹配，最后基于反距离权重插值算法将通过时间匹配的两类雷达数据进行数据融合建立星地时空匹配数据集。

进一步地，步骤2所述的利用匹配数据集中的双偏振天气雷达数据反演得到水凝物种类，是指使用隶属度函数，通过模糊逻辑算法反演得到水凝物种类，所述模糊逻辑算法包括模糊化、模糊规则、去模糊三部分；其中选择不对称T函数作为隶属度函数进行模糊化，公式如下：

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