NRIET X 波段雷达协同组网分析方法技术

本发明专利技术公开了一种NRIET X波段雷达协同组网分析方法，包括：数据收集。数据质量控制。利用距离权重插值技术，采用三维cressman插值方法，对雷达回波，径向风以及各偏振量进行格点插值。三维数据组网。对于双多普勒雷达反演的三维风场，利用质量连续方程约束反演风场，通过反复迭代求解方程获取三维风场；垂直速度w由设定上边界向下积分分的质量连续方程求得，并采用微量边界条件调整垂直运动场。基于雷达产品反射率算法生成组合反射率拼图产品、回波顶高拼图产品；通过Z‑R关系，进行定量降水估计，得出雨强产品；使用纹理分类方法，识别降水层云对流区域；利用模糊逻辑算法，对降水过程中不同阶段，各个区域降水粒子相态识别。

【技术实现步骤摘要】
NRIETX波段雷达协同组网分析方法
本专利技术涉及一种雷达插值组网、风场反演以及天气识别方法，尤其涉及一种NRIETX波段雷达协同组网分析方法。
技术介绍
监测、预报和研究中尺度天气系统一直是天气预报的重要任务，也一直是大气科学的一大难题，主要困难是我们对空间尺度为几百公里乃至几十公里的强对流系统的三维结构、发生发展的机理，甚至在强对流中的微物理过程都了解甚少。在探测大气的各种手段中，天气雷达以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面极为有效的工具。天气雷达的运用，极大地加深了对下击暴流，龙卷超级单体、冰雹、飑线和中尺度对流系统等天气现象的理解和认识，提高了对灾害性天气的预警能力。我国自1998年以来开始不舍新一代天气雷达网，对突发暴雨、沿海台风和强降水等灾害性天气的短时预报准确率比原来提高了不少，时效提前了几十分钟到数小时，。但是，新一代雷达有其自身的局限性：由于扫描策略(雷达只能在0.5～19.5°仰角范围内以一定的间隔进行扫描)以及地球曲率等的影响，即使在雷达的有效探测半径内，也有很过区域不能被雷达观测到，例如，静锥区、最低扫描仰角以下的资料空白区、相邻仰角间隔之间的资料空白区、地形对雷达波束阻挡的区域的等。现阶段我国1km以雷达覆盖区仅达17％，这些缺陷阻碍了我们对灾害性天气系统完整细致的跟踪观测，从而降低了我们队这些天气系统的监测和预报能力；也阻碍了我们进一步揭示与这些天气系统相关的大气运动的各种规律以及各种尺度之间的相互作用，使得我们无法对这些系统的发生发展机理做出全面、客观、细致的研究。现有的组网插值算法主要有：双线性插值法、Barnes插值法和锥面后垂直内插的方法。但是双线性插值法受到缺测的影响较大，对于大范围缺测的情况，插值会有困难。而雷达观测过程中，距雷达较远的地方，两个观测点距离较大，但径向速度是一个矢量，间隔过大不适宜插值。Barnes插值法主要是加权平均的算法，计算简单，可以滤除部分噪音，但是插值结果和周围观测点的均匀程度和影响半径关系较大；先锥面后垂直内插的方法，在插值过程宏中，如果垂直内插时资料艰巨过大会不此案不连续的现象，产生误差较大。新一代天气雷达为S波段气象雷达，对于龙卷、雷暴、强降水等中小尺度强对流的观测，时空分辨率精度不够。然而，中小尺度强对流，包括短时强降水、雷电、冰雹、雷暴大风等，是我国主要气象灾害类型之一。强对流天气来临时，经常伴随着电闪雷鸣、风大雨急等恶劣天气，这种天气破坏力很强，是仅次于热带气旋、地震、洪涝之后第四位具有杀伤性的灾害性天气。同时，中小尺度强对流生命时较短，变化较快。目前，在气象观测业务上，监测中小尺度强对流主要依靠新一代多普勒天气雷达，结合地面观测、风廓线雷达、气象卫星等资料。然而，受制于观测时空分辨率较低、观测要素种类较为单一等原因，尚不能连续监测、追踪中小尺度强对流的发生、发展，对中小尺度强对流灾害性天气的内部结构、演变情况了解不清，这些都制约了中小尺度强对流的预报预警水平。我国现有的业务雷达组网只是用反射率的一个高度的CAPPI或低仰角的PPI产品或者组合反射率等雷达产品进行的二维拼图，并且国内的这些拼图对单站雷达资料的质量分析和控制很少，这些二维组网拼图产品只能对天气过程定性分析，不适合再分析应用。对于强对流天气系统的判断主要还是需要预报员的主观分析，大大降低了预报效率；同时雷达观测的径向风仅显示天气系统相对雷达的移动方向和风速没有三维风场产品，缺少对强降水过程的动力结构的认识。现阶段我国新一代天气雷达为单偏振雷达，主要产品为雷达反射率、径向速度以及谱宽，通过这些产品主要能够得到降水强弱，风速以及风场的辐合辐散，无法对降水的微物理结构，降水粒子相态分布进行分析，影响了对降水微物理过程的理解。模式对强降水的预报能力比较低，TS评分不到0.2.降水预报很大程度上依赖于微物理参数化方案，而目前的微物理参数化方案对我们区域强降水的预报，尤其是精细结构的预报能力都不足。以前的研究大多是基于雷达反射率因子来研究对流的特征，而对微物理特征的研究还比较少。
技术实现思路
针对1km以下雷达观测覆盖率低，最低仰角以下的空白区，以及观测精度不够高的问题，采用NERITX波段雷达组网观测，对新一代天气雷达观测盲区进行补盲，同时提高了观测系统的空间分辨率，通过雷达协同组网观测提高时间分辨率。针对二维组网拼图产品只能对天气过程进行定性分析的问题，使用三维cressman插值，将雷达体扫数据插值到三维格点中，得到天气过程的三维场信息，并对多部雷达进行组网，得到大范围的三维数据，以显示整个天气过程中，各个高度层的降水信息。针对现阶段组网拼图缺少动力场信息，利用两部雷达使用笛卡尔坐标系下的双多普勒雷达风场反演方法，进行风场反演，得到三维风场(u、v、w)。针对雷达组网产品单一，只能定性判断的问题，使用双偏振雷达的偏振量结合雷达反射率、径向速度，识别出强对流降水、飑线、龙卷、雷暴以及冰雹等强天气过程。为强天气过程的预报预警提供支撑。针对现阶段对强讲述微物理特征的研究不足的问题，使用双偏振雷达观测，结合动力场结构，加强对降水微物理过程的理解。本专利技术通过对天气雷达观测盲区进行补盲，同时提高观测的时空分辨率。不同于现有的组网插值算法，本专利技术引入距离权重插值技术，采用三维cressman插值方法，对雷达回波，径向风以及各偏振量进行格点插值，组网；利用ODD方法，对两部雷达重合区径向风格点资料进行三维风场反演；使用纹理分类方法利用雷达反射率因子将降水回波分为对流性和层云性降水；利用雷达反射率因子强队推算降水强度与降水量，进行定量降水估计，定量的提供降水强度信息；采用模糊逻辑算法，结合双偏振雷达双偏振量将降水回波中降水粒子各种相态(雨、雪、冰雹、霰、冰晶等)识别出来。有利于对降水过程的直观认识，便于对强天气系统的观测预警。为了解决以上问题，本专利技术采用了如下技术方案：一种NRIETX波段雷达协同组网分析方法，包括以下内容：1、数据收集收集组网的X波段双偏振雷达观测数据以及周边新一代天气雷达资料，通过新一代天气雷达大范围观测大范围系统，X波段雷达根据天气雷达观测的系统，进行组网观测，得到时空分辨率较高雷达观测资料。2、数据质量控制根据X波段天气雷达的特点，质量控制模块包括二次回波去除、衰减订正、速度退模糊、地杂波以及超折射回波过滤等处理，而且雷达数据资料的质量很容易受到地形遮挡，因此需要对雷达资料做质量控制，使观测资料更加准确。对雷达观测资料分别通过基于雷达基数据的反射率资料质量控制方案和基于信号谱的质量控制方案进行质量控制处理得到准确、完整和适时的天气雷达数据。●区域雷达资料质量控制径向风、反射率针对国内雷达噪点多等问题，通过平滑、滤波、填补缺测算法来消除孤立点、填补缺测，使雷达数据保持连续；利用自适应参考切面反射率质量控制算法，使用自适应策略获得的TDBZ和VTDZ阈值，改退速度模糊算法，进而对速度退模糊处理。步骤3、三维网格插值在考虑地球曲率大气折射等影响的情况下，将观测资料的球坐标转为水平和垂直的垂直坐标系；利用距离权重插值技术，采用三维cressman插值方法，对雷达回波，径向风以及各偏振量进行格点插本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NRIET X波段雷达协同组网分析方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1、数据收集收集组X波段双偏振雷达观测数据以及周边新一代天气雷达资料，通过新一代天气雷达大范围观测大范围系统，X波段雷达根据天气雷达观测的系统，进行组网观测，得到时空分辨率较高雷达观测资料；步骤2、数据质量控制根据X波段天气雷达的特点，质量控制模块包括二次回波去除、衰减订正、速度退模糊、地杂波以及超折射回波过滤处理；对雷达观测资料分别通过基于雷达基数据的反射率资料质量控制方案和基于信号谱的质量控制方案进行质量控制处理；●区域雷达资料质量控制径向风、反射率针对国内雷达噪点多的问题，通过平滑、滤波、填补缺测算法来消除孤立点、填补缺测，使雷达数据保持连续；利用自适应参考切面反射率质量控制算法，使用自适应策略获得的TDBZ和VTDZ阈值，改退速度模糊算法，进而对速度退模糊处理。步骤3、三维网格插值在考虑地球曲率大气折射影响的情况下，将观测资料的球坐标转为水平和垂直的垂直坐标系；利用距离权重插值技术，采用三维cressman插值方法，对雷达回波，径向风以及各偏振量进行格点插值；步骤4、三维数据组网将各部雷达三维格点数据组到统一三维网格点中，对雷达观测重叠区域，某一个网格点上的多部雷达所探测到的玩格点数据，根据距离权重法，计算重叠区域反射率因子数值作为该网格点的数据；步骤5、组网产品识别、反演基于雷达产品反射率算法生成组合反射率拼图产品、回波顶高拼图产品；通过Z‑R关系，进行定量降水估计，得出雨强产品；使用纹理分类方法，识别降水层云对流区域；利用模糊逻辑算法，对降水过程中不同阶段，各个区域降水粒子相态识别出来；步骤6、组网区域双多普勒风场反演对于双多普勒雷达反演的三维风场，利用质量连续方程约束反演风场，通过反复迭代求解方程获取三维风场；其中，垂直速度w由设定上边界向下积分的质量连续方程求得，并采用微量边界条件调整垂直运动场。...

【技术特征摘要】
1.一种NRIETX波段雷达协同组网分析方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1、数据收集收集组X波段双偏振雷达观测数据以及周边新一代天气雷达资料，通过新一代天气雷达大范围观测大范围系统，X波段雷达根据天气雷达观测的系统，进行组网观测，得到时空分辨率较高雷达观测资料；步骤2、数据质量控制根据X波段天气雷达的特点，质量控制模块包括二次回波去除、衰减订正、速度退模糊、地杂波以及超折射回波过滤处理；对雷达观测资料分别通过基于雷达基数据的反射率资料质量控制方案和基于信号谱的质量控制方案进行质量控制处理；●区域雷达资料质量控制径向风、反射率针对国内雷达噪点多的问题，通过平滑、滤波、填补缺测算法来消除孤立点、填补缺测，使雷达数据保持连续；利用自适应参考切面反射率质量控制算法，使用自适应策略获得的TDBZ和VTDZ阈值，改退速度模糊算法，进而对速度退模糊处理。步骤3、三维网格插值在考虑地球曲率大气折射影响的情况下，将观测资料的球坐标转为水平和垂直的垂直坐标系；利用距离权重插值技术，采用三维cressman插值方法，对雷达回波，径向风以及各偏振量进行格点插值；步骤4、三维数据组网将各部雷达三维格点数据组到统一三维网格点中，对雷达观测重叠区域，某一个网格点上的多部雷达所探测到的玩格点数据，根据距离权重法，计算重叠区域反射率因子数值作为该网格点的数据；步骤5、组网产品识别、反演基于雷达产品反射率算法生成组合反射率拼图产品、回波顶高拼图产品；通过Z-R关系，进行定量降水估计，得出雨强产品；使用纹理分类方法，识别降水层云对流区域；利用模糊逻辑算法，对降水过程中不同阶段，各个区域降水粒子相态识别出来；步骤6、组网区域双多普勒风场反演对于双多普勒雷达反演的三维风场，利用质量连续方程约束反演风场，通过反复迭代求解方程获取三维风场；其中，垂直速度w由设定上边界向下积分的质量连续方程求得，并采用微量边界条件调整垂直运动场。2.根据权利要求1所述的NRIETX波段雷达协同组网分析方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括以下内容：雷达为立体观测，在规定的仰角做锥面扫面，原始雷达观测资料用球坐标系来存储；在组网过程中，考虑地球曲率大气折射的影响，将观测资料的球坐标转为水平和垂直的垂直坐标(xj,yj,zj；设定影响半径R，再计算观测点j距设定好的三维网格点x,y,z距离的权重系数W(Dj)：Dj＝[(x-xj)2+(y-yj)2+(z-zj)2]1/2对每个网格点上影响半径内的所有观测点fj的观测值进行加权平均：雷达组网的三维网格点中，多雷达观测重合区域观测值通过衰减订正质量控制之后，根据网格点上各雷达观测值距雷达的距离进行加权运算得到每个网格点各变量数值；从而得到组网区域内雷达反射率、径向风以及差分反射率和相关系数的双偏振量的三维格点数据；同时基于雷达产品反射率算法生成组合反射率拼图产品、回波顶高拼图产品。3.根据权利要求1所述的NRIETX波段雷达协同组网分析方法，其特征在于，所述的步骤5具体包括以下内容：●定量分析由雷达气象方程可知，雷达反射率因子的强度与采样体积内的降水粒子谱有关，而降水强度同样由降水粒子谱得到，因此可以利用雷达反射率因子和降水强度之间的关系，建立经验公式：Z-R关系来估测降水；不同降水类型的微物理结构不同，Z-R经验公式也有差别，针对不同降水类型使用不同的Z-R关系进行定量降水估计，得到更准确的降水信息；其中，对流降水：Z＝230.85R1.34,层云降水：Z＝193.73R1.54，对流和层云总降水Z＝231.44R1.34；●层云对流分类使用纹理分类方法，利用雷达观测到的反射率因子将降水回波分为对流性和层云性降水分类；通...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立理，
申请(专利权)人：南京恩瑞特实业有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32