一种基于卫星的强对流监测方法及其应用技术

本发明专利技术属于天气监测领域，公开了一种基于卫星的强对流监测方法及其应用，利用日间对流风暴识别算法生成日渐对流风暴产品并建立不同降雨类型匹配关系统计；利用近海雷达回波反演算法对日间对流风暴识别产品进行反演；通过日间对流风暴识别产品、不同降雨类型匹配关系的统计、以及反演雷达回波进行监测。本发明专利技术提供的基于卫星的强对流监测方法成为日间对强对流的监测的很好的补充，由于对于海上、地形遮挡区域等雷达组网监测盲区，基于卫星反演的雷达回波可以基本完整的显示这些区域的对流监测的估测回波信息，因此，其对于进一步提升强对流天气的业务监测能力，具有十分重要的意义。

A Satellite-based Method for Monitoring Strong Convection and Its Application

The invention belongs to the field of weather monitoring, and discloses a satellite-based strong convective storm monitoring method and its application. It uses the daytime Convective Storm Identification Algorithm to generate products of increasingly convective storms and establish statistics of matching relationships among different rainfall types; uses the offshore radar echo inversion algorithm to invert products of daytime convective storm identification; and uses daytime convective storm identification products and different rainfall types. Rain type matching statistics and radar echo inversion for monitoring. The satellite-based strong convection monitoring method provided by the invention is a good supplement to the day-time monitoring of strong convection. As for the blind areas of radar networking monitoring such as sea and terrain occlusion areas, the radar echoes based on satellite inversion can basically display the estimated echoes of convection monitoring in these areas, therefore, its operational monitoring for further enhancing the strong convection weather is carried out. Measuring ability is of great significance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星的强对流监测方法及其应用
本专利技术属于天气监测领域，尤其涉及一种基于卫星的强对流监测方法及其应用
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：针对强对流天气的短临监测、预报和预警业务需求，浙江省气象台的短临创新团队经过数年的努力构建了浙江省短临天气监测、预报和预警平台，该平台为全省短临监测、预报和预警服务工作提供一个高效、稳定、便捷的平台环境，为强天气监测预警提供支撑，提高强对流天气监测和预报，满足中小尺度天气精细化预报预警和气象防灾减灾服务的需求，为决策提供更有力的保障。然后，现有针对强天气的雷达组网监测、预警业务中仍然存在一些问题：雷达组网中近海以及地形遮挡区域监测信息不完整；此外，雷达组网区域内个别雷达的质量问题(太阳射线，超折射等异常回波或者数据滞后造成数据缺测)都会影响组网拼图的产品质量。相对于气象短时临近业务的软件建设发展逐年稳步提升，气象观测硬件的基础建设发展速度更快。经过10多年的建设，浙江地区已经构建了相对较为完善的地基观测网络，全省自动气象站点空间密度平均已经低于7公里，重点区域加密到3-5公里，观测资料采集传输频次加密到5分钟。全省闪电定位监测网络可以实时的监测记录浙江区域内的雷电发生时的强度等实况监测。此外，浙江陆地区域内已经建成8部S波段多普勒天气雷达，以及杭州地区的一部C波段的双偏振雷达，提供逐6分钟的监测区域内的天气监测。以上这些地基观测网络的建设为进一步针对强对流天气进行监测识别和预警等提供了较好的硬件基础。此外，随着新一代静止卫星(葵花8/风云4)在近几年投入业务应用，其高时空分辨率多通道的卫星数据(时间分辨率葵花8为10分钟，风云4为15分钟；空间最大分辨率都达到了0.5km)为气象组网的空基上的对流云的高时空分辨率的识别和追踪提供了一种新型的技术支撑。因此，如何更好的融合地基和空基观测资料进一步提升强对流天气的识别和追踪的精度以及强对流天气提前预警能力，是当前所面临的一个新的挑战。基于多元资料的融合分析的对流系统的识别和监测问题，国内外一些机构和学者都开展了研究。在对流系统的识别研究领域，较早的研究大都基于单雷达的三维格点资料进行对流系统识别(Dixonetal,1993；Johnsonetal,1998；韩雷等，2007，2008)。最近几年，随着地基遥感的雷达组网建设进一步完善，基于雷达组网拼图数据进行对流系统的识别获得不少研究进展(杨吉等，2012，2015)；通过拟合椭圆长轴设计动态模板和得分函数，可以实现雷达拼图资料上的线状MCSs自动识别(杨吉等，2014)；此外，相关的研究工作表明(李国翠等，2013)，基于雷达组网和加密自动站的多元资料融合分析，可以用于对流性地面大风的自动识别。总体而言，基于组网拼图数据可以展现了整个对流系统发展、演变的全貌,为全面识别、跟踪灾害性天气影响的时间和地点以及短时、临近预警提供有利依据，因此，组网拼图数据可以在一定程度上弥补地基遥感的单雷达观测的局限性(监测范围有限，地形遮挡，径锥区以及远距离低层探测距离过高等问题：王红艳等，2014,2015)导致无法监测完整的中尺度对流云系。然后，对流识别的精度和稳定性和拼图数据质量密切相关。业务而言，拼图数据的质量仍会收到很多因素影响：参与拼图的各个单雷达数据质量；组网监测范围有限，缺乏海上的完整监测；多雷达资料传输稳定性问题，时效性等等问题，如何解决这些问题仍然是个挑战。相对于地基遥感，空基遥感探测范围更大，更为稳定，近几年随着高时空分辨率的新一代静止卫星投入业务应用，基于新一代静止卫星的对流识别技术逐渐发展起来。美国林肯实验室的Veillette等(2016)构建了OPC系统，该系统利用机器学习方法依据新一代静止卫星、闪电定位，数值模式等多元要素将对流和层云进行了分类。国内也有一些研究者利用机器学习方法(孙学金等,2009；耿晓庆等，2014；金炜等，2016；胡凯等，2017)进行了强天气识别和云分类的实验。基于新一代静止卫星的对流初生识别的研究(Leeetal,2017；Jewettetal,2013)也是当下一个新热点；一些研究者(Walkeretal，2012；Merketal,2013；Mecikalskietal,2015)利用基于静止卫星的对流初生识别技术并进行追踪，较好的提升0-1小时的短临预报中对流新生的预报、预警能力。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)雷达组网中近海以及地形遮挡区域监测信息不完整；此外，雷达组网区域内个别雷达的质量问题(太阳射线，超折射等异常回波或者数据滞后造成数据缺测)都会影响组网拼图的产品质量；(2)区域内雷达组网监测范围有限，因此，区域组网拼图数据可能存在无法监测完整的中尺度对流云系的问题；(3)对流识别的精度和稳定性和拼图数据质量密切相关；拼图数据的质量仍会受到很多因素影响，如参与拼图的各个单雷达数据质量；(4)从业务角度而言，雷达组网数据的业务稳定性取决于区域内所有雷达的实时监测数据是否能准时达到，因此对于各个地区的雷达硬件运维要求都较高。现有技术中，组网监测范围有限，尤其缺乏对海上的天气系统的完整监测；多雷达资料传输稳定性教差，时效性差。解决上述技术问题的难度：如何更好的融合地基和空基观测资料进一步提升强对流天气的识别和追踪的精度以及强对流天气提前预警能力，是当前所面临的一个新的挑战。针对新一代静止卫星的高时、空分辨率以及多通道的特性，如何能够建立更好的数字化模型来进行强对流监测是本技术研究中的一个难点。如何构建空基数据(新一代静止卫星数据)和地基数据(多普勒天气雷达)的非线性的数字化转换关系统计业务模型，是本技术研究中所需要解决的关键技术问题。解决上述技术问题的意义：本专利技术提出了基于卫星的强对流监测的新方法(日间对流风暴识别算法和近海雷达回波反演算法)。和雷达组网拼图的回波比较表明，新方法可以成为日间对强对流的监测的很好的补充，由于对于海上、地形遮挡区域、以及组网区域的边缘(在单雷达扫描探测较远的距离位置，其探测高度较高，缺乏对底层强对流的监测，如果回波发展高度较低，则会造成雷达监测信息偏弱，甚至监测信息不全等问题)等雷达组网监测盲区，基于卫星是针对对流云顶的情况的监测，因此，反演的雷达回波可以基本完整的显示这些区域的对流监测的估测回波信息。最后，由于卫星资料相比雷达资料更为稳定，因此，在雷达存在杂波(比如信号干扰杂波)区域，卫星反演的雷达回波的数据质量要明显高于雷达观测数据的组网监测结果。因此，本专利技术对于进一步提升强对流天气的业务监测能力，具有十分重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于卫星的强对流监测方法及其应用。本专利技术是这样实现的，一种基于卫星的强对流监测方法，所述基于卫星的强对流监测方法包括：步骤一，对静止卫星数据进行预处理(投影转换，数据裁剪以及太阳、卫星等几何参数计算)，处理成多通道投影后的格点数据；步骤二，利用日间对流风暴识别算法生成日渐对流风暴产品并建立不同降雨类型匹配关系统计；利用近海雷达回波反演算法对日间对流风暴识别产品进行反演；步骤三，对日间对流风暴识别产品、不同降雨类型匹配关系的统计以及反演雷达回波进行监测。进一步，步骤二中，所述日间对流风暴识别算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，所述基于卫星的强对流监测方法包括：步骤一，对静止卫星数据进行质控、视差修正、投影转换，处理成多通道数据；步骤二，利用日间对流风暴识别算法生成日渐对流风暴产品并建立不同降雨类型匹配关系统计；利用近海雷达回波反演算法对日间对流风暴识别产品进行反演；步骤三，对日间对流风暴识别产品、不同降雨类型匹配关系的统计以及反演雷达回波进行监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，所述基于卫星的强对流监测方法包括：步骤一，对静止卫星数据进行质控、视差修正、投影转换，处理成多通道数据；步骤二，利用日间对流风暴识别算法生成日渐对流风暴产品并建立不同降雨类型匹配关系统计；利用近海雷达回波反演算法对日间对流风暴识别产品进行反演；步骤三，对日间对流风暴识别产品、不同降雨类型匹配关系的统计以及反演雷达回波进行监测。2.如权利要求1所述的基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，步骤二中，所述日间对流风暴识别算法包括：采用多通道合成R,G,B合成技术生成可见的日间对流风暴产品；并将日间对流风暴产品处理成为兰伯特投影后的1x1km格点数据并建立不同降雨类型匹配关系统计。3.如权利要求2所述的基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，所述R,G,B合成技术包括：合成日间对流风暴产品的R,G,B配色的计算方式：R:WV6.2-WV7.3数值范围:-35-5[k]，采用Gamma:1.0曲线拉伸；G:IR3.9-IR10.8数值范围:-5-60[k]，采用Gamma:0.5曲线拉伸；B:NIR1.6-VIS0.6数值范围:-75-25[％]，采用Gamma:1.0曲线拉伸。4.如权利要求2所述的基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，步骤二建立不同降雨类型匹配关系统计方法包括：1)依据回波强度分5类，为：>42dBZ，>35dBZ，>25dBZ，<25dBZ，无回波数据；2)统计不同的分类区间内对应的R,G,B颜色数值出现的概率分布曲线；3)生成不同分类等级下的不同降雨类型下的日间对流风暴的R、G、B颜色匹配关系统计。5.如权利要求1所述的基于卫星的强对流监测方法，其特征在于，所述近海雷达回波反演算法包括：(1)构建分回波强度等级卫星通道概率数据集；(2)采用并行计算快速处理出各个回波等级的日间对流风暴产品的R,G,B特...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄旋旋，赵放，罗玲，孔照林，李文娟，徐月飞，姜舒婕，施金海，
申请(专利权)人：浙江省气象台，
类型：发明
国别省市：浙江,33