[发明专利]一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法

摘要

本发明公开了一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法，利用气象雷达资料识别判断冰雹及冰雹强度的一种方法，将对气象部门针对冰雹天气及时预警和进行人工影响干预具有科学的指导作用。该算法通过对美国WSR‑88D多普勒天气雷达系统和我国当前SWAN气象雷达系统对冰雹探测算法的综合与改进，同时通过研究发生大冰雹云层中VIL密度的阈值，得出了适合本地化的冰雹探测算法阈值，提高了我们对冰雹天气的预警时间和准确度，为气象部门对灾害性天气短时临近预报提供了科学依据，使人工影响天气部门对冰雹灾害性天气及时实施影响成为可能。

主权项

1.一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法，其特征在于，基于风暴定位与追踪算法(SCIT)，根据SCIT算法得到每个风暴单体的二维分量的信息，然后利用垂直方向上风暴强度、高度和0℃层‑20℃层的高度的关系，得出冰雹发生的概率以及强冰雹发生的概率，并对冰雹的大小进行了估算，通过其中的反射率信息得到风暴定位的信息，所述风暴定位的包括以下步骤：(1)风暴单体段算法(STORM CELL SEGMENTS)风暴单体段是一个纯基于反射率因子数据的算法，沿着一个径向来搜索连续大于某个反射率因子阈值(记为REFLECTIVITY)的反射率因子库集合，这些库的集合的长度要大于某个规定阈值(记为SEGMENT LENGTH)，算法使用了多个反射率因子阈值(默认为7个)来重复求算风暴段，每个阈值都有对应的SEGMENT LENGTH，DROPOUT COUNT，DROPOUT REF DIFF参数。每个风暴段主要输出如下的属性：开始距离，结束距离，最大反射率因子，单位质量长度，单位质量面积，方位，反射率阈值。对于每一个仰角的数据，算法还输出仰角大小，每个径向的平均方位以及这个仰角每个反射率阈值的段的个数；(2)风暴单体质心算法(STORM CELL SEGMENTS)通过组合连续方位的风暴段来形成风暴二维分量(COMPONENT)，然后对每个仰角的二维分量进行垂直相关，得到三位风暴单体(STORM)，并且输出COMPONENT属性和STORM的属性，具体算法流程如下：当最后一个仰角扫描的段被处理完之后，在空间上相邻的风暴段被结合成一个COMPONENT，为了满足相邻的条件，段与段之间方位角方向离开不超过一定角度(记为AZIMUTHAL SEPARATION)，径向必须有一定距离(记为SEGMENT OVERLAP)的部分相叠加，COMPONENT至少要包含一定个数(记为NUMBER OF SEGMENTS)的风暴段，面积至少要达到一定大小(记为COMPONENT AREA)，每个仰角的COMPONENT形成以后，对不同阈值的COMPONENT进行合并，如果一个较高反射率因子阈值的COMPONENT的质心落在一个较低反射率阈值的COMPONENT之内，则低值的反射率因子分量被丢弃，每个COMPONENT输出如下的属性：开始距离，结束距离，开始方位，结束方位，最大反射率因子，质量，X，Y的位置，距离，方位和高度；当前体扫的每个仰角的COMPONENT都处理完之后，这些COMPONENT按照质量的大小从大到小排列，然后做垂直相关，按照质量从大到小排列是为了确保大的风暴中心首先被关联，每一个确定的STORM由两个或更多个在相继仰角上的COMPONENT构成，垂直相关的过程是一个迭代的过程，从最低的仰角开始，对相邻仰角的COMPONENT进行关联检验，定义了3个长度递增的搜索半径(记为SEARCH RADIUS#1，#2，#3)，如果两个COMPONENT中心的距离小于SEARCH RADIUS，则认为它们是关联的，如果关联多于一个，则用有最大质量的二个COMPONENT作关联，循环使用三个搜索半径对所有COMPONENT进行关联，当所有仰角的关联完成以后，所有的STORM就完成了，所有的风暴单体STORM输出如下属性：X，Y位置，风暴顶，风暴底，风暴厚度，风暴中心所在的方位，距离，高度，基于单体的VIL值，最大反射率所在的高度，包含二维分量的个数。每个风暴的COMPONENT详细信息也会被保留供后续算法使用，当几个单体非常靠近时，一个风暴单体实际上会被识别为2个STORM，每个位于大致相同的水平位置但垂直方向被一个空档隔开，或者两个风暴单体在水平方向上靠得很近，则需要对其进行整合；利用雷达资料得到的风暴信息，结合探空资料得到的数据，进行冰雹识别。(3)SWAN系统冰雹算法SWAN系统冰雹算法和单部雷达的算法类似，只是在二维分量寻找上拓展到每层的CAPPI上，然后对每层的CAPPI进行垂直相关，得出三维风暴的结构。所有的计算参数和方法基本未做大的改变，但由于基数据基于拼图资料，在重叠区能获得更加详细的风暴信息，有助于提高算法的准确性。(4)VIL密度算法计算VIL密度首先依赖于VIL的计算，项目将分别计算基于单部雷达的VIL和基于SWAN系统的VIL,然后除以回波顶高，得到VIL密度。VIL的计算比较简单，就是按照ZR关系将反射率折算成降水率，然后在垂直方向上进行累加，公式如下：VIL＝Σ3.44×10‑6[(Zt+Zt+1)/2]4/7Δh。