顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法技术

本申请涉及一种顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法。该方法包括：获取雷达监测的降雨强度数据以及WRF模型的三维风场数据；确定各雨滴的直径和初始位置；根据各雨滴的直径、初始位置和三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的雨滴运动轨迹，获得在风漂移作用下各雨滴到达地面的最终实际位置；根据各雨滴到达地面的最终实际位置，获得雷达与雨量计之间的空间关系；根据该空间关系下雷达和雨量计对的降雨值，计算雷达偏差的校正系数对雷达降雨值进行校正，提高了雷达降雨估算的准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法


[0001]本申请涉及雷达
，特别是涉及一种顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法。

技术介绍

[0002]现代气象雷达产品由于具有面积覆盖大（如200km半径）、时空分辨率高（如1km，5min）的特点，因此广泛用于提供降雨信息，作为水文模型的输入或初始条件。目前雷达测雨方法已广泛应用于水文和气象学领域的研究中。
[0003]传统的原始雷达测雨方法需要在解决地杂波与异常传播、信号衰减、波束群等基本问题以后，将雷达测雨值与“地面实况”的雨量计测量值进行比较，以调整其在水文应用中的系统偏差。这是基于高空雷达观测到的降雨是垂直降落到地面的，与雷达波束采集的体积以下的地面降雨相对应的假设。然而，这个假设显然并非恒成立，因为其忽略了三维风场的风效应对于雨量测量的影响：风漂移效应导致雷达和雨量计之间产生不一致的空间相关性；风湍流效应下使得因围绕在雨量计周围的湍流气流造成雨量计捕获时错失部分雨量，从而使得雷达降雨估算的准确性低。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高雷达降雨估算的准确性的顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法。
[0005]一种顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法，所述方法包括：获取雷达监测的降雨强度数据以及WRF模型的三维风场数据；对所述降雨强度数据进行分析，确定各雨滴的直径和初始位置；根据各雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的各三维子空间内的质量加权雨滴运动轨迹，直至模拟到各所述雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各所述雨滴到达地面的最终实际位置；根据各所述雨滴到达地面的最终实际位置，获得雷达与雨量计之间的空间关系；根据所述空间关系下雷达和雨量计对的降雨值，计算雷达偏差的校正系数，对雷达降雨值进行校正。
[0006]在其中一个实施例中，所述对所述降雨强度数据进行分析，确定各雨滴的直径和初始位置的步骤，包括：按照WRF模型的水平分辨率将降雨强度数据划分成水平方网格，即若干个雷达像元；再根据WRF模型的垂直分辨率划分地面与雷达波之间的空间为若干个垂直层，最终地面与雷达波之间的空间体积被划分为若干三维子空间；根据降雨强度和雨滴直径的关系，得到各雷达像元相应雨滴的直径；以雷达像元的中心点为初始水平坐标（x，y），以该中心点对应的雷达波束高度为
初始高度（），设置雨滴的初始位置（ x，y，）；式中：H
c
为该中心点对应的雷达波束高度；R
d
为该中心点到雷达测站的距离，R为地球半径；REA指雷达仰角；IR为折射率。
[0007]在其中一个实施例中，所述根据各雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的各三维子空间内的质量加权雨滴运动轨迹，直至模拟到各所述雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各所述雨滴到达地面的最终实际位置的步骤，包括：根据雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，确定雨滴的位移关系，模拟地面与雷达波空间的每层雨滴的运动轨迹，所述运动轨迹通过雨滴的位移关系确定，雨滴的位移关系表达式为；式中，x、y和是三维风向的三个相互正交的方向；U、V和W分别是风场的x、y和分量；m为雨滴质量，g为重力加速度；Re为雷诺数；为空气密度；为水密度；为空气粘度；D为雨滴直径；C
d
为雨滴的阻力系数；在每个时间步长内进行轨迹模拟，在该时间步长的最后，得到雨滴的新位置和速度将用于下一个时间步长的轨迹模拟；将所有时间步长的x、y和方向的位移分别累加，反复迭代进行雨滴运动轨迹模拟，直到雨滴移出当前子空间，所述所有时间步长的x、y和方向的位移分别累加表示为：
式中：dx
i,k 、dy
i,k
和是第i网格的第k层所有时间步长在x、y和方向上的位移累加量；dx
i,k,t
、dy
i,k,t
以及分别为第i网格的第k层以及时间步长在x、y、方向上的位移；tn
k
指第k层的时间步长；将边界处的雨滴出口位置和速度作为下一子空间的输入；进入下一个子空间继续反复迭代进行雨滴运动轨迹模拟，直至模拟到所述雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各所述雨滴到达地面的最终实际位置的坐标（X
i,R
，Y
i,R
），该最终实际位置定义为雷达像元的地面映射点，其中，最终实际位置的坐标为：式中，（X
i,R
，Y
i,R
）为网格i的坐标；（X
i,O
，Y
i,O
）为雨滴的原始水平坐标；kn指层数。
[0008]在其中一个实施例中，根据各所述雨滴到达地面的最终实际位置，获得雷达与雨量计之间的空间关系的步骤，包括：针对每个雨量计，搜索每个雨量计周围的雷达像元的地面映射点，并从中选择空间最邻近该雨量计的一个映射点，该映射点对应的雷达像元与该雨量计被视为一对经过校正的雷达
‑
雨量计对，实现雷达
‑
雨量计对的空间匹配。
[0009]在其中一个实施例中，根据所述空间关系下雷达和雨量计对的降雨值，计算雷达偏差的校正系数，对雷达降雨值进行校正的步骤，包括：根据所述空间关系下的雨量计的降雨值和雷达像元的降雨值计算雷达偏差的校正系数；式中，f是雷达偏差校正系数；是获得正确空间匹配的雷达
‑
雨量计对的函数；G是雨量计的降雨值；R是雷达像元的降雨值；根据所述校正系数，校正雷达降雨值为：式中，是经过校正后的雷达降雨值；R是雷达像元的降雨值；f是雷达偏差校正系数。
[0010]在其中一个实施例中，所述雨量计的降雨值为校正后的雨量计雨量；获得所述校正后的雨量计雨量的方式为：根据雨滴运动轨迹的模拟和三维风场数据，计算雨滴和风速直径相应的风湍流误差；
式中，w为风速，D为雨滴直径；e
num
为风湍流误差；、和是仅和风速相关的系数；通过所述风湍流误差在雨滴谱上积分，计算由于风效应而漏失的降雨量；式中：表示由于风效应而漏失的总降雨量；D
m
为雨滴质量加权直径；v为雨滴的最终下落速度；N(D，D
m
)为雨滴谱；校正后的雨量计雨量为雨量计初始测量值与漏失的降雨量之和。上述顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法，通过获取雷达监测的降雨强度数据以及WRF模型的三维风场数据；对降雨强度数据进行分析，确定各雨滴的直径和初始位置；根据各雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的各三维子空间内的质量加权雨滴运动轨迹，直至模拟到各雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各雨滴到达地面的最终实际位置；根据各雨滴到达地面的最终实际位置，获得雷达与雨量计之间的空间关系；根据空间关系下雷达和雨量计对的降雨值，计算雷达偏差的校正系数，对雷达降雨值进行校本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法，其特征在于，所述方法包括：获取雷达监测的降雨强度数据以及WRF模型的三维风场数据；对所述降雨强度数据进行分析，确定各雨滴的直径和初始位置；根据各雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的各三维子空间内的质量加权雨滴运动轨迹，直至模拟到各所述雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各所述雨滴到达地面的最终实际位置；根据各所述雨滴到达地面的最终实际位置，获得雷达与雨量计之间的空间关系；根据所述空间关系下雷达和雨量计对的降雨值，计算雷达偏差的校正系数，对雷达降雨值进行校正。2.根据权利要求1所述的顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法，其特征在于，所述对所述降雨强度数据进行分析，确定各雨滴的直径和初始位置的步骤，包括：按照WRF模型的水平分辨率将降雨强度数据划分成水平方网格，即若干个雷达像元；再根据WRF模型的垂直分辨率划分地面与雷达波之间的空间为若干个垂直层，最终地面与雷达波之间的空间体积被划分为若干三维子空间；根据降雨强度和雨滴直径的关系，得到各雷达像元相应雨滴的直径；以雷达像元的中心点为初始水平坐标（x，y），以该中心点对应的雷达波束高度为初始高度（），设置雨滴的初始位置（ x，y，）；式中：H
c
为该中心点对应的雷达波束高度；R
d
为该中心点到雷达测站的距离，R为地球半径；REA指雷达仰角；IR为折射率。3.根据权利要求1所述的顾及三维风场影响的雷达降雨估算误差校正方法，其特征在于，所述根据各雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，基于地面与雷达波之间的空间划分的多个三维子空间，模拟地面与雷达波之间的各三维子空间内的质量加权雨滴运动轨迹，直至模拟到各所述雨滴到达地面，获得在风漂移作用下各所述雨滴到达地面的最终实际位置的步骤，包括：根据雨滴的直径、初始位置以及三维风场数据，确定雨滴的位移关系，模拟地面与雷达波空间的每层雨滴的运动轨迹，所述运动轨迹通过雨滴的位移关系确定，雨滴的位移关系表达式为；
式中，x、y和是三维风向的三个相互正交的方向；U、V和W分别是风场的x、y和分量；m为雨滴质量，g为重力加速度；Re为雷诺数；为空气密度；为水密度；为空气粘度；D为雨滴直径；C
d
为雨滴的阻力系数；在每个时间步长内进行轨迹模拟，在该时间步长的最后，得到雨滴的新位置和速度将用于下一个时间步长的轨迹模拟；将所有时间步长的x、y和方向的位移分别累加，反复迭代进行雨滴运动轨迹模拟，直到雨滴移出当前子空间，所述所有时间步长的x、y和方向的位移分别累加表示为：式中：dx
i,k
、dy
i,k
和是第i网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文慧，戴强，杨琪祺，吴薇，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：