[发明专利]基于雷达回波图像扇区分量分析的风暴趋势预测方法

摘要

本发明提出一种基于雷达回波图像扇区分量分析的风暴趋势预测方法，该方法与当前行业广泛采用的TREC、TITAN等风暴识别追踪算法不同，本发明方法不依赖于对雷达强回波中心的识别，特别对于弱回波或没有明显风暴核的回波，也能够较好地分析出风暴过去若干时刻的位移矢量，进而为准确预测奠定了基础。本发明方法直接对极坐标形式的基本反射率数据进行计算，没有采用空间插值等高空间复杂度的算法进行平面直角坐标系的转换，减少了相关计算的运算量，进而提升了短临天气预报业务的实时性和效能。

主权项

1.一种基于雷达回波图像扇区分量分析的风暴趋势预测方法，包括以下步骤：步骤1：设时间T为进行风暴趋势预测的起报时刻，需要预测在未来T+ε时刻的风暴信息；读取某部雷达T时刻及之前最接近T时刻的N次雷达探测资料，设T时刻的雷达探测资料为RD(T)，则任一时刻的雷达资料可表示为RD(T‑t+1)，t∈[1,N]；N表示所读取的雷达资料的数量，N取值为3～10的整数；步骤2：对T时刻的雷达探测资料RD(T)，定义一个数据集存储这些基本反射率数据，其中，表示仰角，λ表示距离库长，λ∈[1,MaxDis]，MaxDis表示雷达探测的最大有效距离，ω表示方位角，ω∈[0,360)；步骤3：定义一个阈值α，α∈[1,10]的整数，用于将值域[1,MaxDis]按α为单位划分为若干份；定义一个阈值β，β∈[2,20]的整数，用于将值域面上，按α划分的距离库长和β划分的方位角划分成若干个扇区面；定义表示T时刻的雷达探测资料RD(T)在仰角面上的某一个扇区，该扇区中心位置的距离库长和方位角分别为λ和ω；定义一个阈值δ，δ∈[2,20]的整数，将雷达可探测到的基本反射率划分为若干个值域区间，即Thd＝{[0,δ),[δ,2δ),[2δ,3δ),…,[(m‑2)δ,MaxdBZ)}，其中，MaxdBZ表示多普勒天气雷达可能探测到的基本反射率值最大值，m的取值可由MaxdBZ和δ来确定；步骤4：定义一个包含若干组键值对的数据集其中，key为用于区分和标识Thd的阈值区间，value用于计数，初始值均为0；每个key对应一个value，每一组key和value构成一个键值对；对雷达探测资料RD(T)的任一个仰角面，根据步骤3扇区的划分，依次对每一个扇区做如下操作：第一，对于雷达探测资料RD(T)中任一扇区查找落入该扇区的所有探测点；对这些探测点逐一分析其基本反射率在域值Thd中的位置，即找到相应的key；再在相应key的键值对中，将value自增1；第二，将计数value转换为其占所在扇区value累加和的比例，计算方法为：其中，表示数据集中，键为key时的值，即key所对应的value；表示数据集中，所有key对应的value值的累加和；由此，计算出雷达探测资料RD(T)的各个仰角面每一个扇区中所有探测点的基本反射率在域值Thd中的分布情况；步骤5：对于雷达探测资料RD(T)中任一扇区依次做如下操作：第一，读取T时刻前一时刻的雷达探测资料RD(T‑1)，生成数据集对雷达探测资料RD(T‑1)划定一个与同一仰角面且位置和大小完全相同的扇区，即与步骤3中所述相同，此处的λ和ω分别表示该扇区中心位置的距离库长和方位角；第二，保持扇区的形状和大小不变，将扇区的中心位置由(λ,ω)平移到此时，扇区变为其中，L表示距离库长的偏移量，L∈[2,20]的整数，M表示方位角的偏移量，L∈[2,20]的整数；按照步骤4的方法，计算该扇区的DSC和DSP；第三，依次计算扇区的DSC和DSP；第四，定义表示扇区的DSP值，其中，x∈[‑L,L]，μ∈[‑M,M]；计算与的近似指数，计算公式如下：其中，x∈[‑L,L]且以1递增，μ∈[‑M,M]且以1°递增；k∈[0,m‑1]，m为Thd被划分的区间数量；表示key＝k时，键值对对应的pret值，同理，表示key＝k时，键值对对应的pret值；由此，计算出雷达资料RD(T‑1)中，扇区中心点从至范围内，每个扇区与RD(T)中扇区的基本反射率分布近似指数；从这些指数中找出数值最大的一个，记录下此扇区的位置，即中的x和μ；进一步地，得到雷达资料RD(T)在扇区处的偏移量为步骤6：上述步骤得到RD(T)相对于前一时刻RD(T‑1)雷达探测资料各仰角面上各个扇区的偏移量，记为采用同样方法，分别计算N次雷达探测资料中，各个时刻相对于前一时刻雷达探测资料各仰角面上各扇区的偏移量；步骤7：设定N次雷达探测资料划分后的任一扇区为定义Sec[1]、Sec[2]、…、Sec[8]为与为紧相邻的8个扇区；再定义(T‑t+1,d,e,f)为扇区中任一探测点，探测点(T‑t+1,d,e,f)与Sec[g]中心位置的距离为Dist(T‑t+1,d,e,f,g)，其中，g∈[1,2,…,8]；其中，d表示仰角，e表示距离库长，f表示方位角；求得Dist(T‑t+1,d,e,f,g)；步骤8：定义如下函数，用于预测风暴移动发展的趋势：其中，表示雷达探测资料RD(T)中任一探测点在未来T+ε时刻的位移矢量；假设T与T‑1时刻的时间步长为1，则ε是该时间步长的自然数倍或正小数倍；h(t)是一个权重函数，该函数的构造始终满足单调递减的原则，且表示与雷达资料RD(T‑t+1)中仰角λ距离库长ω方位角的风暴所在的扇区紧相邻的某一扇区，则表示扇区的风暴在T‑t+1与T‑t时刻的单位偏移量；指数p为正数，经验取值范围是[1.0,3.0]；由此完成雷达探测资料RD(T‑t+1)中任一探测点在未来T+ε时刻的位移矢量进一步完成该雷达N组雷达探测资料中所有探测点的移动发展趋势，即完成雷达探测基本反射率所表征的风暴体在T时刻移动趋势预测。