CN105759274A - 一种台风关注区雷达降水估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台风关注区雷达降水估测方法，该方法采用交叉相关追踪算法进行估测；其中，交叉相关追踪算法中的区域划分值采用以下方法进行动态配置：（1）计算f(x)，，其中，x为雷达仰角；（2）对f(x)进行四舍五入取整，即得所述区域划分值。本发明通过对雷达仰角、区域划分值进行动态配置，从而可以根据台风关注区的具体情况适当改动相关参数，精确推算回波的移动，从而估测台风关注区的降水。

Description

一种台风关注区雷达降水估测方法

技术领域

本发明属于雷达估测降水应用研究领域，具体涉及一种台风关注区雷达降水估测方法。

背景技术

交叉相关追踪算法是用来追踪雷达回波移动的一种比较成熟的算法。利用求最大相关系数的方法，可以建立追踪区域间的最佳拟合关系。通过计算雷达扫描时刻的追踪区域和前一扫描时刻的与其最匹配的区域之间位置的变化，来确定回波的移动。利用这个移动矢量去预测回波在下一时刻的位置。

但目前我国新一代天气雷达的交叉相关追踪算法采用的固定不变的仰角配置和CAPPI等高面高度，以及反射率因子矩阵中区域划分值也是固定不变的。中国地域广阔，各地区地形差异很大，而且随季节变化，固定参数是否适用于各地环境还值得商榷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种进行雷达仰角、区域划分值动态配置的降水估测方法，精确推算回波的移动，从而估测台风关注区的降水。

为了达到上述目的，本发明提供了一种台风关注区雷达降水估测方法，该方法采用交叉相关追踪算法进行估测；其中，交叉相关追踪算法中的区域划分值采用以下方法进行动态配置：

（1）计算f(x)，，其中，x为雷达仰角；

（2）对f(x)进行四舍五入取整，即得所述区域划分值。

交叉相关追踪算法中的雷达仰角根据雷达所在位置进行三级仰角配置。以雷达所在位置为圆心，若j公里以内有山形障碍，则使用3.4°仰角；j公里以外、k公里以内有山形障碍，则使用2.4°仰角；k公里以外有山形障碍，则使用1.5°仰角。其中，j取值为15-25，k取值为40-50。

交叉相关追踪算法中的CAPPI等高面高度设置为3-3.6km之间。具体设置由用户根据某一天气***的引导气流的高度，自行指定对应该高度层的CAPPI等高面高度。大多数降水***的引导层为700hPa，这一高度对应3-3.6km。

本发明台风关注区雷达降水估测方法，具体步骤如下：

（1）读取前后两个时次的雷达数据，并将雷达的极坐标数据处理成笛卡尔直角坐标数据；

（2）依据台风关注区地形的特点，配置上述雷达仰角；

（3）读取CAPPI等高面高度；

（4）根据雷达仰角，动态配置区域划分值；

（5）将雷达扫描的反射率因子场按上述区域划分值进行划分，分成若干个大小相当的“区域”，这些“区域”具有相同的水平尺度；“区域”内的反射率因子为Z₁（i），下一时刻t₂(t₂=t₁+Δt)“区域”内的反射率因子变为Z₂（i），然后将这些在t₁时刻的“区域”分别与下一时刻t₂的搜索半径各个“区域”作交叉相关，即求Z₁与Z₂的交叉相关系数R，表示为：

式中，Z₁和Z₂分别为某一“区域”内t₁和t₂时刻反射率因子矩阵，n为矩阵的数据点数；通过上式可以求出间隔Δt时间的两个矩阵的相关系数，重复这个过程，直到找到最大的相关系数，此时，从T时刻矩形区域的中心位置指向T+Δt时刻矩形区域的中心位置即为CTREC矢量(回波的运动矢量)；

（6）平滑处理及外推：先是对风场进行平滑处理，使得明显失真的点用其周围风场平均值代替；然后对外推风场加以水平无辐散限制，使其满足连续方程；并外推到整个回波场；

（7）根据外推的回波场，通过根据雷达反射率因子和降水强度之间的关系式估测降水：

设所有雨量计观测的1小时降雨量记录总数为N，雨量计观测值用G_n表示，n=1,2,3,...n，对第n个雨量值G_n来说，有M个与之时空相对应的雷达回波强度Z_dBnm，m=1,2,3...M，根据雷达反射率因子和降水强度之间的关系，将Z_dBnm转化为降水强度I_nm，即

（2）

其中，雷达反射率因子和降水强度之间关系的参数A和b是使得雷达估测值最逼近实测值的最优参数。A和b的取法为不断调整公式（2）中的参数A和b的值，直到判别函数C_TF达到最小值为止。其中，最佳判别函数C_TF为

（3）

式中I_i为雷达估计的各个样本的雨强值，R_i为自动雨量站测量的雨强值。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过对雷达仰角、区域划分值进行动态配置，从而可以根据台风关注区的具体情况适当改动相关参数，精确推算回波的移动，并结合雷达估测降水技术对CTREC的外推结果进行外推估测，得到的估测结果更加精准。采用本发明估测方法对风场反演方法的灵活性是一个很好的补充，它在指导中小尺度预报方面都能起到作用。

附图说明

图1为本发明台风关注区雷达降水估测方法的流程图；

图2为实施例中的估测结果与实况对照图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

对台风关注区的某市2011年8月1日的资料进行雷达降水估测，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：读取6分钟前后的两个时次的雷达数据。

步骤2：进行坐标转换，输出两个时次的矩阵数据。

步骤3：依据某市地形的特点，其20km以内有地物回波，不宜使用低层仰角；45km以外检测不到地物回波。因此，根据雷达仰角配置规律（20km以内使用3.4°仰角，20-45km使用2.4°仰角，45km以外使用1.5°仰角）采用3.4°仰角。

步骤4：经过对该关注区地形以及夏季引导气流的高度的考虑，设置CAPPI等高面高度为3.3km。

步骤5：根据雷达仰角配置区域划分值。

（1）计算f(x)，，其中，x为雷达仰角；

（2）对f(x)进行四舍五入取整，即得区域划分值。

步骤6：由区域划分值，根据式（1）对两个时次的数据进行相关运算，输出运动矢量并外推到整个回波场。

步骤7：根据外推的回波场，通过根据雷达反射率因子和降水强度之间的关系式估测降水。

采用上述方法外推的结果与实况对比，如图2所示，从图中可以看出，外推效果基本符合。

Claims (4)

1.一种台风关注区雷达降水估测方法，该方法采用交叉相关追踪算法进行估测；其特征在于，所述交叉相关追踪算法中的区域划分值采用以下方法进行动态配置：

（1）计算f(x)，，其中，x为雷达仰角；

（2）对f(x)进行四舍五入取整，即得所述区域划分值。

2.根据权利要求1所述台风关注区雷达降水估测方法，其特征在于，所述交叉相关追踪算法中的雷达仰角采用以下方法进行动态配置：根据雷达所在位置进行三级仰角配置，以雷达所在位置为圆心，若j公里以内有山形障碍，则使用3.4°仰角；j公里以外、k公里以内有山形障碍，则使用2.4°仰角；k公里以外有山形障碍，则使用1.5°仰角；其中，j取值为15-25，k取值为40-50。

3.根据权利要求2所述台风关注区雷达降水估测方法，其特征在于，所述交叉相关追踪算法中的CAPPI等高面高度设置为3-3.6km之间。

4.根据权利要求3所述台风关注区雷达降水估测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）读取前后两个时次的雷达数据，并将雷达的极坐标数据处理成笛卡尔直角坐标数据；

（2）依据台风关注区地形的特点，配置所述雷达仰角；

（3）读取所述CAPPI等高面高度；

（4）根据所述雷达仰角，动态配置所述区域划分值；

（5）将雷达扫描的反射率因子场按所述区域划分值进行划分，分成若干个大小相当的“区域”，这些“区域”具有相同的水平尺度；“区域”内的反射率因子为Z₁（i），下一时刻t₂(t₂=t₁+Δt)“区域”内的反射率因子变为Z₂（i），然后将这些在t₁时刻的“区域”分别与下一时刻t₂的搜索半径各个“区域”作交叉相关，即求Z₁与Z₂的交叉相关系数R，表示为：

式中，Z₁和Z₂分别为某一“区域”内t₁和t₂时刻反射率因子矩阵，n为矩阵的数据点数；通过上式可以求出间隔Δt时间的两个矩阵的相关系数，重复这个过程，直到找到最大的相关系数，此时，从T时刻矩形区域的中心位置指向T+Δt时刻矩形区域的中心位置即为CTREC矢量；

（6）平滑处理及外推：先是对风场进行平滑处理，使得明显失真的点用其周围风场平均值代替；然后对外推风场加以水平无辐散限制，使其满足连续方程；并外推到整个回波场；

（7）根据外推的回波场，通过根据雷达反射率因子和降水强度之间的关系式估测降水：

设所有雨量计观测的1小时降雨量记录总数为N，雨量计观测值用G_n表示，n=1,2,3,...n，对第n个雨量值G_n来说，有M个与之时空相对应的雷达回波强度Z_dBnm，m=1,2,3...M，根据雷达反射率因子和降水强度之间的关系，将Z_dBnm转化为降水强度I_nm，即

（2）

其中，雷达反射率因子和降水强度之间关系的参数A和b是使得雷达估测值最逼近实测值的最优参数；A和b的取法为不断调整公式（2）中的参数A和b的值，直到判别函数C_TF达到最小值为止；其中，最佳判别函数C_TF为

（3）

式中I_i为雷达估计的各个样本的雨强值，R_i为自动雨量站测量的雨强值。