基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其首先利用星载双频降水雷达和微波成像仪进行时空匹配，得到双频测雨雷达像素上的微波亮温信息；根据近地表雷达反射率因子对降水像素进行识别，将星载双频降水雷达扫描范围内的完整降水区识别为雨团；统计得到雨团物理特征参数；采用闪电定位系统观测的闪电为实况数据，进行闪电雨团物理特征参数最优阈值训练；根据雨团物理特征参数最优阈值，判别闪电雨团。该方法能够判识闪电，弥补我国闪电定位系统在西北、青藏高原等区域观测能力不足的问题，同时可为未来雷暴短时临近预报提供观测依据。时临近预报提供观测依据。时临近预报提供观测依据。

【技术实现步骤摘要】
基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法


[0001]本专利技术属于气象参数特征识别和预报技术，尤其涉及一种基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法。

技术介绍

[0002]闪电是雷暴活动的基本特征。除闪电外，雷暴活动常伴随大风、冰雹等灾害性天气、是一种伴随阵性降水的强对流系统。雷暴起电与云内的冰晶、软雹、过冷水等水成物粒子、以及动力条件等密切相关，因此，雷暴宏微观参数（如雷达反射率因子强度、回波顶高、液水和冰水路径等）特征在一定程度上影响着闪电的发生。目前地基闪电定位系统虽然可实现对我国东部的较高精度的监测，但是对于我国人烟稀少的西北、青藏高原等区域观测能力还不足。
[0003]现有技术多基于地基多普勒或双偏振雷达的观测，针对单个或少数个雷暴过程来建立闪电与雨团物理特征参数的关系，由于雷暴系统的复杂性和多样性，研究结果不具有代表性和说服力。此外，地基雷达由于探测的有效范围限制，加上雷达组网的定标误差，无法对全国雷暴活动实现均一的观测。虽然热带测雨卫星实现了对热带和副热带的均一观测，但由于观测角度限制，对我国高纬地区（北纬35度以北）无法进行有效观测。因此，在全国范围内获取闪电识别的最优雨团物理特征参数阈值是一个难点。

技术实现思路

[0004]基于以上原因，本专利技术提出基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，以能够构建基于雨团特征物理参数的闪电识别最优阈值，为未来通过地基雷达进行雷暴短临预报提供观测基础。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术将提供如下的技术方案：基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，包括如下步骤：步骤一、获取像素级星载双频降水雷达、微波成像仪的观测数据获取像素级星载双频降水雷达的观测数据：三维雷达反射率因子；获取微波成像仪的观测数据：微波极化亮温数据；并对微波成像仪所观测到的微波极化亮温数据进行修正；步骤二、星载双频降水雷达、微波成像仪两者观测数据的时空匹配采用时空匹配方法，将修正后的微波极化亮温数据插值到星载双频降水雷达像素上；步骤三、雨团识别利用星载双频降水雷达提供的近地表雷达反射率因子对降水像素进行识别，将所述星载双频降水雷达扫描范围内探测的连续降水区识别为雨团；步骤四、统计雨团物理特征参数根据所述雨团的物理内涵，统计雨团物理特征参数；
步骤五、闪电雨团物理特征参数最优阈值训练采用闪电定位系统所观测到的闪电为实况数据，结合步骤四统计出的雨团物理特征参数，进行闪电雨团物理特征参数最优阈值训练；步骤六、闪电雨团判别根据步骤五得到的闪电雨团物理特征参数最优阈值，判别闪电雨团。
[0006]作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，所获取的微波成像仪的观测数据为37GHz和89GHz通道的垂直和水平极化亮温数据。
[0007]步骤一中，对微波成像仪所观测到的微波极化亮温数据进行修正，包括：对所获取到的微波成像仪的37GHz通道观测到的垂直和水平极化亮温数据进行修正，以对应得到修正后的极化亮温PCT
37
；对所获取到的微波成像仪的89GHz通道观测到的垂直和水平极化亮温数据进行修正，以对应得到修正后的极化亮温PCT
89
。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，修正后的极化亮温PCT
37
根据下式计算： PCT
37 =(2.20
ꢀ×ꢀ
T
37v
)
ꢀ–ꢀ
(1.20
ꢀ×
T
37h
)修正后的极化亮温PCT
89
根据下式计算：PCT
89 =(1.818
×ꢀ
T
89v
)
ꢀ–ꢀ
(0.818
ꢀ×
T
89h
)其中，T
37V
、T
37h
分别表示微波成像仪的37GHz通道的垂直极化亮温、水平极化亮温。T
89V
、T
89h
分别表示微波成像仪的89GHz通道的垂直极化亮温、水平极化亮温。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，步骤二中，采用时空匹配方法，将修正后的微波极化亮温数据插值到星载双频降水雷达像素上，具体过程为：根据微波成像仪观测像素的时间信息、空间位置信息，利用最近距离时空匹配法，将修正后的极化亮温PCT
37
和修正后的极化亮温PCT
89
匹配到星载双频降水雷达观测的雷达反射率因子像素上。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤三中，雨团识别的具体过程为：步骤3.1、在所述星载双频降水雷达扫描范围内，星载双频降水雷达在任意像素i位置观测到对应的近地表雷达反射率因子Zi；步骤3.2、通过比较近地表雷达反射率因子Zi与预设阈值Z0的大小，来判断这一对应的像素点i是否为降水像素：当Zi≥Z0时，像素点i被识别为降水像素，否则为非降水像素。i为正整数；步骤3.3、对降水像素i的周围像素进行遍历，若周围存在降水像素则继续遍历，直至周围相邻像素均为非降水像素，则一个完整的雨团识别结束，并对该识别的雨团进行编号，记为雨团j，j为正整数。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤四中的雨团物理特征参数包括：雨团的20dBZ回波顶最大高度、雨团的30dBZ回波顶最大高度、雨团的修正后的极化亮温PCT
37
最小值、雨团的修正后的极化亮温PCT
89
最小值、雨团的各垂直高度层雷达反射率因子超过40dBZ的面积、雨团的各垂直高度层的最大雷达反射率因子。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤五中的最优雨团物理特征参数阈值训练方法如下：所述雨团物理特征参数首先按照一定间隔设置多组测试阈值，接着一一通过测试阈值对闪电步骤三识别出的雨团是否为闪电雨团进行判识，然后结合实际闪电观测结果进行分类统计，最后一一计算出各测试阈值对应的Heidke技巧评分HSS并筛选出候选最优阈值。所述候选最优阈值为前述最高的Heidke技巧评分对应的测试阈值。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤五中的最优雨团物理特征参数阈值训练方法具体包括如下步骤：步骤5.1、闪电雨团观测标记根据闪电定位系统观测到的闪电发生位置和闪电发生时间数据，将5公里范围内，观测时间差在前后5分钟内的闪电数据匹配到星载双频降水雷达观测的像素上；然后，对雨团内发生至少一次的闪电标记为闪电雨团，否则标记为非闪电雨团；步骤5.2、设置测试阈值所述雨团物理特征参数按照一定间隔设置多组测试阈值；步骤5.3、闪电雨团反演标记通过步骤5.2所设置的测试阈值一一对步骤三识别出的雨团是否为闪电雨团进行判识，如果判识结果表明为闪电雨团，则标记为闪电雨团，反之则为非闪电雨团；步骤5.4、雨团分类统计将步骤三识别出的雨团根据步骤5.1所获得的闪电雨团观测标记、步骤5.3所获得的闪电雨团反演标记结合起来进行分类统计；步骤5.5、计算Heidke技巧评分根据步骤5.4获得的雨团分类统计结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、获取像素级星载双频降水雷达、微波成像仪的观测数据获取像素级星载双频降水雷达的观测数据：三维雷达反射率因子；获取微波成像仪的观测数据：微波极化亮温数据；并对微波成像仪所观测到的微波极化亮温数据进行修正；步骤二、星载双频降水雷达、微波成像仪两者观测数据的时空匹配采用时空匹配方法，将修正后的微波极化亮温数据插值到星载双频降水雷达像素上；步骤三、雨团识别利用星载双频降水雷达提供的近地表雷达反射率因子对降水像素进行识别，将所述星载双频降水雷达扫描范围内探测的连续降水区识别为雨团；步骤四、统计雨团物理特征参数根据所述雨团的物理内涵，统计雨团物理特征参数；步骤五、闪电雨团物理特征参数最优阈值训练采用闪电定位系统所观测到的闪电为实况数据，结合步骤四统计出的雨团物理特征参数，进行闪电雨团物理特征参数最优阈值训练；步骤六、闪电雨团判别根据步骤五得到的闪电雨团物理特征参数最优阈值，判别闪电雨团。2.如权利要求1所述的基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，步骤一中，所获取的微波成像仪的观测数据为37GHz和89GHz通道的垂直和水平极化亮温数据；步骤一中，对微波成像仪所观测到的微波极化亮温数据进行修正，包括：对所获取到的微波成像仪的37GHz通道观测到的垂直和水平极化亮温数据进行修正，以对应得到修正后的极化亮温PCT
37
；对所获取到的微波成像仪的89GHz通道观测到的垂直和水平极化亮温数据进行修正，以对应得到修正后的极化亮温PCT
89
。3.如权利要求2所述的基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，修正后的极化亮温PCT
37
根据下式计算： PCT
37 =(2.20
ꢀ×ꢀ
T
37v
)
ꢀ–ꢀ
(1.20
ꢀ×
T
37h
)修正后的极化亮温PCT
89
根据下式计算：PCT
89 =(1.818
×ꢀ
T
89v
)
ꢀ–ꢀ
(0.818
ꢀ×
T
89h
)其中，T
37V
、T
37h
分别表示微波成像仪的37GHz通道的垂直极化亮温、水平极化亮温；T
89V
、T
89h
分别表示微波成像仪的89GHz通道的垂直极化亮温、水平极化亮温。4.如权利要求1所述的基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，步骤二中，采用时空匹配方法，将修正后的微波极化亮温数据插值到星载双频降水雷达像素上，具体过程为：根据微波成像仪观测像素的时间信息、空间位置信息，利用最近距离时空匹配法，将修正后的极化亮温PCT
37
和修正后的极化亮温PCT
89
匹配到星载双频降水雷达观测的雷达反射率因子像素上。5.如权利要求1所述的基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，所述步骤三中，雨团识别的具体过程为：
步骤3.1、在所述星载双频降水雷达扫描范围内，星载双频降水雷达在任意像素i位置观测到对应的近地表雷达反射率因子Zi；步骤3.2、通过比较近地表雷达反射率因子Zi与预设阈值Z0的大小，来判断这一对应的像素点i是否为降水像素：当Zi≥Z0时，像素点i被识别为降水像素，否则为非降水像素；i为正整数；步骤3.3、对降水像素i的周围像素进行遍历，若周围存在降水像素则继续遍历，直至周围相邻像素均为非降水像素，则一个完整的雨团识别结束，并对该识别的雨团进行编号，记为雨团j，j为正整数。6.如权利要求1所述的基于星载双频降水雷达和微波成像仪的闪电识别方法，其特征在于，所述步骤四中的雨团物理特征参数包括：雨团的20dBZ回波顶最大高度、雨团的30dBZ回波顶最大高度、雨团的修正后的极化亮温PCT
37
最小值、雨团的修正后的极化亮温PCT
89
最小值、雨团的各垂直高度层雷达反射率因子超过40dBZ的面积、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凤娇，诸葛小勇，宇路，王瑞，阚琬琳，姚彬，唐飞，
申请(专利权)人：南京气象科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：