本发明专利技术公开了一种双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法，包括以下步骤：输入双偏振雷达原始数据，通过中值滤波及数学方法进行数据质量控制；根据偏振参量筛选降雨回波，确定其空间三维坐标；综合考虑降雨粒子初速度、回波高度及气象因素微物理过程，通过投影转换计算降雨粒子降落地表的二维坐标，根据二维格网像元尺寸反映不同空间尺度水文单元；构建降雨时空立方体，其沿时间轴的变化反映了降雨空间分布随时间的演变过程，得到指定时间段内双偏振雷达降雨回波映射至多尺度水文模拟单元的降雨分布格网和降雨强度。本发明专利技术有效减少了双偏振雷达降雨反演的空间映射偏差，提升了测雨数据的时空分辨率，提高了基于降雨的水文模拟和预测精度。水文模拟和预测精度。水文模拟和预测精度。
【技术实现步骤摘要】
一种双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法
[0001]本专利技术属于地理信息系统技术、多普勒雷达技术的应用以及水文气象耦合领域，具体涉及一种双偏振雷达格网与水文模拟单元多尺度映射方法。
技术介绍
[0002]雷达定量降雨估测是天气雷达最主要的应用之一，天气雷达能够快速准确地获取其探测能力范围内的回波信息，可以对降雨强度及其空间分布进行较准确地计算。自20世纪中期以来，天气雷达设备由常规雷达发展为新一代多普勒雷达，如今在全球范围内，双线偏振多普勒天气雷达成为主流，我国也已开始逐步实施新一代多普勒天气雷达的双偏振升级工作。
[0003]当前，双偏振雷达格网与水文模拟单元的高效耦合与空间映射是提高水文模拟精度与灾害预报有效预见期的关键。水文模拟单元越精细，耗费的计算资源越多，而实时模拟和灾害预报要求水文模型尽可能较快地做出响应。这要求必须根据降雨因子实时动态地对水文模拟单元精细化程度及时做出调整，如降雨强度较小时，可对地表进行一定的概化处理，使用较大尺度的水文模拟单元；而降雨时空变化较剧烈时，为了更准确地定位到淹没区域，则可使用较精细的水文模拟单元。然而，目前双偏振雷达降雨反演普遍存在空间映射偏差问题，雷达观测的是空中近地面的三维降雨，而水文模拟需要输入的是地表二维降雨，雨滴在近地面复杂的微物理过程使得传统简单的垂直映射方法存在显著误差，同时雷达测雨数据的综合管理和集成建模还有待进一步探索。
[0004]因此需要研发一种既高效又准确的双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法。
专利技术内容
[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种双偏振雷达格网与水文模拟单元多尺度映射方法，充分顾及水文模拟单元划分时双偏振雷达格网降雨数据的时空变化、雨强、雨量等特征，并将双偏振雷达测雨数据作为水文模拟单元的动态属性，旨在解决当前双偏振雷达反演降雨普遍存在的空间映射偏差问题；对降雨粒子进行水文单元多尺度格网映射并构建降雨时空立方体，有效提升了雷达反演结果的空间分辨率和准确度，能够更为准确地预测、模拟降雨对水文单元的影响。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种双偏振雷达格网与水文模拟单元多尺度映射方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1：对降雨区域双偏振雷达原始资料进行数据质量控制、降雨回波筛选、雨强估算、投影转换并构建降雨时空立方体，实现双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射；
[0009]步骤S2：对双偏振雷达原始资料进行数据质量控制，包括差分传播相移参量Φ
DP
去噪、差分传播相位常数K
DP
估算、双偏振雷达探测参量Z
H
与Z
DR
衰减订正；
[0010]步骤S3：将双偏振雷达各偏振参量成员函数的区间边界值作为筛选降雨回波的阈值区间，从而对暴雨天气中的降雨回波进行筛选；
[0011]步骤S4：根据Z
H
参量所反映降雨情况考虑不同降雨强度下雨滴形变对定量降雨估测的影响，联合使用Z
H
和K
DP
对降雨强度进行计算；
[0012]步骤S5：根据双偏振雷达原始数据极坐标存储形式计算得到降雨回波空间三维坐标，结合降雨反演区域的风场和气温情况计算降雨粒子降落到地面的坐标，根据地表水文单元像元大小构建二维格网；
[0013]步骤S6：建立双偏振雷达测雨数据库，对完成降雨估算和投影转换的雷达数据处理结果进行数据入库；
[0014]步骤S7：根据模拟降雨时间轴长度以及时间尺度分割时间片段，结合存储在数据库中的双偏振雷达测雨数据计算片段内的降雨量分布，将多个片段合并为降雨时空立方体。
[0015]进一步地，由于受探测环境以及设备自身的影响，双偏振雷达资料易存在信号噪声和测量误差，因此使用双偏振雷达资料进行定性和定量应用之前，需要对各物理参量进行质量控制，具体流程包括Φ
DP
去噪、K
DP
估算、Z
H
与Z
DR
衰减订正。
[0016]因此，所述步骤S2包括以下步骤：
[0017]步骤S21：选取径向库作为平滑窗口，使用中值滤波对差分传播相移参量Φ
DP
进行去噪；
[0018]步骤S22：基于经过中值滤波处理后的Φ
DP
，使用最小二乘法对差分传播相位常数K
DP
进行估算。首先在一个径向上选取2n+1个径向库的Φ
DP
，用最小二乘法拟合Φ
DP
的斜率，作为第n+1个径向库位置的K
DP
值，计算公式：
[0019][0020]公式中，r
i
表示第i个径向库到雷达天线处的距离，为估算窗口中心位置到雷达天线的距离，为2n+1个径向库差分传播相移的平均值。
[0021]步骤S23：基于经过中值滤波处理后的Φ
DP
及初始差分相位对Z
H
和Z
DR
参量进行线性订正。雷达发射的电磁波在传播过程中受气体、降雨等粒子的吸收和散射作用发生能量衰减，导致Z
H
和Z
DR
参量偏小，而差分传播相移参量Φ
DP
不受电磁波衰减的影响。计算差分偏移量，通过订正参数对Z
H
和Z
DR
参量进行增补修正，计算公式：
[0022][0023][0024]公式中，Z
H
和Z
DR
分别为双偏振雷达探测得到的水平反射率因子和差分反射率因子，Z
H
'与Z
DR
'为衰减订正后的水平反射率因子和差分反射率因子；a1与a2为线性订正参数，对于C波段双偏振雷达，a1取0.08dBZ/
°
，a2取0.02dB/
°
；Φ
DP
为回波位置经过中值滤波处理的差分传播相移参量，Φ
DP0
为初始差分相位，每个雷达扫描径向上初始相位的数值不同。
[0025]进一步地，偏振雷达接收到的散射回波由多种目标物产生，如雨滴、冰雹、雪花、生物、地物等，因此在利用雷达回波资料计算降雨强度时，首先需要筛选出降雨回波。由于不
同物体或粒子在形状、尺寸、密度以及空间取向等方面存在区别，使其对雷达电磁波的散射特性不同，因此各类目标物的偏振参量在数值上存在差异，综合利用这些偏振参量可以对暴雨天气下的降雨回波进行筛选。
[0026]因此，所述步骤S3包括以下步骤：
[0027]步骤S31：通过模糊逻辑法确定双偏振雷达目标物各偏振参量成员函数的区间边界值；
[0028]步骤S32：将确定的边界值作为筛选降雨回波的阈值区间，对暴雨天气中的降雨回波进行筛选。
[0029]进一步地，利用双偏振雷达资料进行降雨强度计算时存在多种数学关系，其中，利用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：对降雨区域双偏振雷达原始资料进行数据质量控制、降雨回波筛选、雨强估算、投影转换并构建降雨时空立方体，实现双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射；步骤S2：对双偏振雷达原始资料进行数据质量控制，包括双偏振雷达差分传播相移参量Φ
DP
去噪、差分传播相位常数K
DP
估算、探测参量Z
H
与Z
DR
衰减订正；步骤S3：将双偏振雷达各偏振参量成员函数的区间边界值作为筛选降雨回波的阈值区间，从而对暴雨天气中的降雨回波进行筛选；步骤S4：根据Z
H
参量所反映降雨情况考虑不同降雨强度下雨滴形变对定量降雨估测的影响，联合使用Z
H
和K
DP
对降雨强度进行计算；步骤S5：根据双偏振雷达原始数据极坐标存储形式计算得到降雨回波空间三维坐标，结合降雨反演区域的风场和气温情况计算降雨粒子降落到地面的坐标，根据地表水文单元像元大小构建二维格网；步骤S6：建立双偏振雷达测雨数据库，对完成降雨估算和投影转换的雷达数据处理结果进行数据入库；步骤S7：根据模拟降雨时间轴长度以及时间尺度分割时间片段，结合存储在数据库中的双偏振雷达测雨数据计算片段内的降雨量分布，将多个片段合并为降雨时空立方体。2.根据权利要求1所述的双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：步骤S21：选取径向库作为平滑窗口，使用中值滤波对差分传播相移参量Φ
DP
进行去噪；步骤S22：基于经过中值滤波处理后的Φ
DP
，使用最小二乘法对差分传播相位常数K
DP
进行估算，计算公式：公式中，r
i
表示第i个径向库到雷达天线处的距离，为估算窗口中心位置到雷达天线的距离，为2n+1个径向库差分传播相移的平均值；步骤S23：基于经过中值滤波处理后的Φ
DP
及初始差分相位对Z
H
和Z
DR
参量进行线性订正，计算公式：正，计算公式：公式中，Z
H
和Z
DR
分别为双偏振雷达探测得到的水平反射率因子和差分反射率因子，Z
H
′
与Z
DR
′
为衰减订正后的水平反射率因子和差分反射率因子；a1与a2为线性订正参数，对于C波段双偏振雷达，a1取0.08dBZ/
°
，a2取0.02dB/
°
；Φ
DP
为回波位置经过中值滤波处理的差分传播相移参量，为初始差分相位，每个雷达扫描径向上初始相位的数值不同。3.根据权利要求1所述的双偏振雷达格网与水文模拟单元的多尺度映射方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：步骤S31：通过模糊逻...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇，马铮，杨祺琪，张书亮，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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