基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报方法和系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报方法和系统，所述方法利用模式识别技术进行云团边界识别、拓扑处理，建立云团生命时序与族谱关系。本发明专利技术对已预处理的雷达数据进行边界识别；利用四分树匹配分析因子、重叠因子、面积因子、外接矩形因子、轮廓综合因子、局部相似判定因子等六个判断因子，分别识别出每个云团的时间序列，以及每个云团的运动方向、速度、面积、强中心等信息；对云团的移动方向、速度、面积、强度进行线性外推。初步结果显示本发明专利技术的系统和方法可较好地识别和外推预报雷暴云团。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气象业务部门短时临近预报预警方法和系统，尤其涉及在基于高时空 分辨率雷达资料的雷暴云团识别、追踪及预警技术的方法和系统。
技术介绍
基于高时空分辨率雷达资料的雷暴云团识别、追踪及预警技术是目前最重要的雷 暴云团的临近预报预警技术之一，主要方法有交叉相关(TREC)法、单体质心法等。交叉相 关法把整个数据区域分成若干个小区域，相邻时刻雷达回波图像之间计算相关系数，通过 最大相关系数确定相邻时刻图像中的区域，从而确定回波平均运动；该方法在国内得到广 泛的应用，其缺点就是无法准确划分云团物理边界，得不到单体风暴的特征。单体质心法首 先是识别单体，并计算质心位置、体积和投影面积等特征，然后对前后两个时刻的扫描数据 进行单体匹配追踪，将风暴单体分离出来，然后通过多个时刻的追踪结果进行外推预警；这 种方法的缺点就是注重雷暴单体，必须尽可能将相连的云团分离以提高预测的准确度，雷 暴活动过程中的分裂、合并没有充分考虑，忽视雷暴群体的活动特征。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是利用模式识别技术进行云团边界识别、拓扑处理，建 立生命周期与族谱关系，在自动识别雷暴云团的基础上对云团进行对象化处理，得出雷暴 云团从发生以来的时间序列，并进行外推预报。本专利技术采用如下技术方案解决上述技术问题设计一种基于边界识别追踪技术的 雷暴云团的临近预报方法，该临近预报方法包括如下步骤(1)以一定的时间间隔连续重复执行如下步骤a至步骤e，获得雷达探测区域内雷 暴云团探测数据的时空序列a.气象雷达接收来自观测对象的雷达反射回波信号并把该反射回波信号传输给 雷达资料处理系统；b.所述雷达资料处理系统对所述雷达反射回波信号进行预处理形成在探测区域 内的二维网格形式的数字化雷达回波数据；c.使用膨胀-侵蚀算法消除雷达扫描缺线对雷暴云团边界识别所造成的不良影 响；d.使用N-近邻跟踪遍历算法和边缘提取算法对探测区域范围内的雷暴云团的边 界进行识别，从而使探测区域内所有雷暴云团都具有清晰连续的边界线；e.用统计方法计算探测区域内各雷暴云团的平均强度；(2)、对探测区域相邻时间序列的雷暴云团的雷达回波数据采用四分树匹配分析 因子进行雷暴云团的相似性判定，从而获得每个雷暴云团的几何和拓扑特征，所述雷暴云 团的几何和拓扑特征包括雷暴云团的运动方向、速度、面积、强中心、增强或减弱、膨胀或 缩小的状态信息；然后再组合使用重叠因子、面积因子、外接矩形因子、轮廓综合因子和局6部相似判定因子对所述雷暴云团的几何和拓扑特征进行纠错；(3)、根据在指定时序或最新时序的雷暴云团的几何和拓扑特征，建立雷暴云团的 生命时序与族谱关系，并在此基础上对雷暴云团的运动向量进行线性外推从而获得雷暴云 团的临近预报。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案还包括设计一种基于边界识别追踪技术 的雷暴云团的临近预报系统，该临近预报系统包括用于探测雷暴云团的气象雷达以及雷达 资料处理系统，所述雷达资料处理系统包括雷达资料预处理模块，用于对雷达反射回波信号进行预处理形成在探测区域内的 二维网格形式的数字化雷达回波数据，以及对雷达回波数据进行二值化处理形成雷暴云团 边界识别所需的二值图像空间；雷暴云团边界处理模块，用于使用膨胀-侵蚀算法消除雷达扫描缺线对雷暴云团 边界识别的影响以及使用N-近邻跟踪遍历算法和边缘提取算法对探测区域范围内的雷暴 云团的边界进行识别，从而使探测区域内所有雷暴云团都具有清晰连续的边界线；雷暴云团识别模块，用于识别雷达探测区域内雷暴云团的边界信息、强度信息和 面积信息；雷暴云团拓扑关系建立模块，用于计算雷暴云团的的运动方向、速度、面积、强中 心、增强或减弱、膨胀或缩小的状态信息；雷暴云团族谱关系建立模块，通过相邻时次云团的相似性检查，识别出雷暴云团 发生发展消亡的运动轨迹，包括多个雷暴云团在发展过程中合并为一个新的雷暴云团以及 一个雷暴云团在发展过程中分裂成为多个新的雷暴云团；雷暴云团外推预报模块；用于根据雷暴云团的拓扑特征、生命时序与族谱关系，对 雷暴云团的运动向量进行线性外推作出雷暴云团的临近预报；所述雷达资料预处理模块、雷暴云团边界处理模块、雷暴云团识别模块、雷暴云团 族谱关系建立模块和雷暴云团外推预报模块单向顺序连接。与现有技术相比较，本专利技术基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报方法和 系统具有如下优点，有效地解决了雷暴云团的对象化识别和跟踪问题，对雷暴云团的外 推需要根据雷暴云团的范围、强度和生命史长短，采取不同的时间尺度和DBZ阈值进行识 别和外推，有效地提高了雷暴云团外推预报的准确率。附图说明图1是本专利技术基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报系统的原理框图；图2是本专利技术使用“膨胀_侵蚀”的算法消除缺线过程的效果示意图；其中A为带 有缺线的雷达回波原图；B为膨胀算法执行后效果；C为侵蚀算法执行后效果；D为不使用 “膨胀_侵蚀”的算法的追踪结果；E为使用“膨胀-侵蚀”的算法的追踪结果；图3是“8-近邻”位置关系示意图；图4是边界缓冲区与回波叠加图示意图；其中A为雷暴云团边界，B为边界缓冲区 与回波叠加的结果；图5是雷暴云团轮廓线拓扑关系图；图6是雷暴云团序列相似演进示意图7是雷暴云团序列相似度检查示意图；图8是局部相似度检查示意图；图9是等价体示意图；图10是本专利技术基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报方法的流程图。 具体实施例方式以下结合附图及附图所示之实施例对本专利技术方法和系统作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报系统包括用于 探测雷暴云团的气象雷达以及雷达资料处理系统。观测雷暴云团一般需要使用两部或两部 以上分布在不同地方的气象雷达组合在一起以形成较大的探测区域。所述雷达资料处理系 统包括雷达资料预处理模块，用于对雷达反射回波信号进行预处理形成在探测区域内的 二维网格形式的数字化雷达回波数据，以及对雷达回波数据进行二值化处理形成雷暴云团 边界识别所需的二值图像空间；雷暴云团边界处理模块，用于使用膨胀-侵蚀算法消除雷达扫描缺线对雷暴云团 边界识别的影响以及使用N-近邻跟踪遍历算法和边缘提取算法对探测区域范围内的雷暴 云团的边界进行识别，从而使探测区域内所有雷暴云团都具有清晰连续的边界线；雷暴云团识别模块，用于识别雷达探测区域内雷暴云团的边界信息、强度信息和 面积信息；雷暴云团拓扑关系建立模块，用于计算雷暴云团的的运动方向、速度、面积、强中 心、增强或减弱、膨胀或缩小的状态信息；雷暴云团族谱关系建立模块，通过相邻时次云团的相似性检查，识别出雷暴云团 发生发展消亡的运动轨迹，包括多个雷暴云团在发展过程中合并为一个新的雷暴云团以及 一个雷暴云团在发展过程中分裂成为多个新的雷暴云团；雷暴云团外推预报模块；用于根据雷暴云团的拓扑特征、生命时序与族谱关系，对 雷暴云团的运动向量进行线性外推作出雷暴云团的临近预报；所述雷达资料预处理模块、雷暴云团边界处理模块、雷暴云团识别模块、雷暴云团 族谱关系建立模块和雷暴云团外推预报模块单向顺序连接。基于上述雷暴云团的临近预报系统，本专利技术的雷暴云团的临近预报方法包括如下 步骤(1)以一定的时间间隔(一般为6分钟)连续重复执行如下步骤a至步骤e，获得 雷达探测区域内雷暴云团探本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于边界识别追踪技术的雷暴云团的临近预报方法，该方法以高时空分辨率气象雷达资料处理系统为硬件基础，其特征在于该临近预报方法包括如下步骤：（１）以一定的时间间隔连续重复执行如下步骤ａ至步骤ｅ，获得雷达探测区域内雷暴云团探测数据的时空序列：ａ．气象雷达接收来自观测对象的雷达反射回波信号并把该反射回波信号传输给雷达资料处理系统；ｂ．所述雷达资料处理系统对所述雷达反射回波信号进行预处理形成在探测区域内的二维网格形式的数字化雷达回波数据；ｃ．使用膨胀－侵蚀算法消除雷达扫描缺线对雷暴云团边界识别所造成的不良影响；ｄ．使用Ｎ－近邻跟踪遍历算法和边缘提取算法对探测区域范围内的雷暴云团的边界进行识别，从而使探测区域内所有雷暴云团都具有清晰连续的边界线；ｅ．用统计方法计算探测区域内各雷暴云团的平均强度；（２）、对探测区域相邻时间序列的雷暴云团的雷达回波数据采用四分树匹配分析因子进行雷暴云团的相似性判定，从而获得每个雷暴云团的几何和拓扑特征，所述雷暴云团的几何和拓扑特征包括：雷暴云团的运动方向、速度、面积、强中心、增强或减弱、膨胀或缩小的状态信息；然后再组合使用重叠因子、面积因子、外接矩形因子、轮廓综合因子和局部相似判定因子对所述雷暴云团的几何和拓扑特征进行纠错；（３）、根据在指定时序或最新时序的雷暴云团的几何和拓扑特征，建立雷暴云团的生命时序与族谱关系，并在此基础上对雷暴云团的运动向量进行线性外推从而获得雷暴云团的临近预报。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红平，孙向明，梁碧玲，毛辉，张文海，
申请(专利权)人：深圳市气象局，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]