基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法技术

本发明专利技术涉及一种基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，包括以下步骤：步骤1、基于相态分区的对流核格点识别；步骤2、采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度或雷达反射率在水平向和径向的梯度再次识别对流核格点；步骤3、基于三维区域增长法的对流核格点搜索，直至将所有格点搜索完毕；步骤4、所有格点集合确定为对流区；步骤5、持续监测对流核格点并叠加风场信息，确定降雨落区；步骤6、降雨临近预报；本发明专利技术提升了强对流区域的识别速度和准确性，提高了强降雨的临近预报精度，将为突发性暴雨洪涝灾害防御提供可靠的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法
本专利技术涉及一种基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，属于雷达临近预报领域，主要用于气象与水利部门开展暴雨洪水预报预警等工作。
技术介绍
强降水往往突发性强、降水历时短、降雨量大，主要由强对流天气形成，是一种危害较大的气象灾害。一般情况下1h累积降雨量超过20mm即为强降水。强降水可引发山洪、泥石流、滑坡等灾害，也可导致城市内涝，严重威胁人民生命财产安全。增强强降水的识别能力，提高强降水的临近预报精度，对于暴雨、洪水和地质灾害防御等有非常重要的作用和意义。天气雷达在降雨观测和预报方面具有以下优势：(1)更加关注中小尺度天气形势，时空分辨率高；(2)对云雨粒子的探测能力强，能够反映对流的三维特征；(3)不仅可以通过反射率反演降水量，而且可以获取风场信息。因此天气雷达被广泛应用于局地降雨的监测和预报。但实际应用已经表明，由于强降水识别困难，天气雷达对于强降水的监测能力弱于一般降水，而目前雷达临近预报以经验或统计外推的方法为主，如交叉相关算法，此类方法缺乏物理基础，计算关系的稳定性也不高，而形成强降水的天气形势变化多样，具有较强的不确定性，若强降水的监测识别不到位，临近预报的结果也不会理想。如何提升强降水识别的能力和强降水估测水平，并在此基础上提高临近预报的精度，还需要进一步深入研究。
技术实现思路
本专利技术提出了基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其解决的技术问题是充分利用天气雷达对云雨空间结构的探测能力，从反射率与径向风两个观测要素进行信息提取、反演、叠加，在准确识别强降水的基础上，利用雷达与数值大气模式相融合的方法开展降雨临近预报，提高测雨的精度。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用了以下方案：一种基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，包括以下步骤：步骤1、基于相态分区的对流核格点识别；步骤2、采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度或雷达反射率在水平向和径向的梯度再次识别对流核格点；步骤3、基于三维区域增长法的对流核格点搜索，直至将所有格点搜索完毕；步骤4、所有格点集合确定为对流区；步骤5、持续监测对流核格点并叠加风场信息，确定降雨落区；步骤6、降雨临近预报。进一步，步骤1中的对流核识别是在利用探空资料与数值大气模式相结合的方法检查以及确定零度层亮带的基础上，以相态分区进行对流核识别。探空资料能够较为准确的探测到单点的零度层高度(作为真值)，而数值大气模式能够获得三维空间连续的零度层(作为待修正值)，利用最优插值法将探空资料融合到数值大气模式中，即用“探测的零度层单点”修正“三维空间连续的零度层”，得到修正后的零度层，并与天气雷达探测的零度层进行对比：如果吻合，则雷达探测的零度层为真，进而根据雷达反射率垂直廓线变化梯度对其峰值进行订正，避免因零度层亮带的高反射率而误判为强对流；若不吻合，则雷达探测的零度层有误，按照数值大气模式修正后的零度层作为雷达探测的零度层，并根据雷达反射率垂直廓线峰值确定雷达探测的系统性误差，按照雷达探测的系统性误差修正雷达反射率。此外，如果雷达探测的零度层高度低于地面2km时，则直接判断为无对流发生。进一步，步骤1中的对流核识别将雷达探测区域划分为液态水区、混合相态区、固态水区，见附图2。每个天气雷达扫描的范围都有一个最低仰角0.5度，一个最高仰角19.5°。液态水区是以温度为-5℃层与最高仰角扫描线相交处的铅垂线，绕着雷达站为轴，形成的圆柱体。液态水区这一区间内雷达探测的水汽基本都是液态的。一般情况下，-5℃层高于发射机垂直高度向上1km，判断液态水区的对流核仅以1km以内的区域为准。固态水区是以-5℃层与最低仰角扫描线相交处的铅垂线，绕着雷达站为轴，形成的圆柱体以外的区域，这一区间内雷达探测的水汽基本都是固态的冰晶。混合相态区则是介于液态水区和固态水区之间的区域，雷达探测的水汽既有液态的、也有固态的。其中液态水区判断对流核格点时，利用雷达发射机垂直高度向上1km区域内的反射率作为判断依据，如果格点处反射率高于45dBZ，则认为是对流核；固态水区判断对流核时，利用-5℃层的反射率作为判断依据，如果格点处反射率高于35dBZ，则认为是对流核，这是根据全国的天气雷达探测数据采样分析后，得出-5℃高度的反射率少有超过35dBZ；混合相态区判断对流核时，则采用更为严格的判断方式，若垂直液态水含量大于6.5km/m2，则认为该格点处极可能是对流核，再通过格点垂直方向上，不同仰角的雷达反射率垂直结构的变化大小，进一步确定该格点是否为对流核，若反射率在垂直方向上变化达到5dBZ/km，则确定为对流核。进一步，步骤2中对液态水区、混合相态区、固态水区的对流核格点识别后，采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度、或雷达反射率在水平向和径向的梯度判断已识别的对流核格点是否正确，若该格点处水平梯度远小于垂向梯度(梯度比小于0.2)，或该格点处径向梯度远小于垂向梯度(梯度比小于0.3)，则认为格点被误认为对流核，若该格点处水平梯度与垂向梯度相近，或该格点处径向梯度与垂向梯度相近，则确认格点为对流核。进一步，步骤3中对三个区所有格点搜索，是在步骤1中对流核格点被识别出之后，采用垂向、水平向和径向三维区域增长法，寻找每一个对流核在三维方向与之相邻的格点，是搜索三个区所有的格点；若满足特定条件，则被认为是新的对流核格点，进而再以新对流核在三维方向寻找对流核格点，直至将所有格点搜索完毕，见附图3。所有对流核所在格点的集合，就是对流区。这里特点条件是指由组合反射率、反射率垂直梯度、反射率水平梯度三个物理量综合判断，具体判断方法为，如果格点组合反射率高于35dBZ且满足以下条件之一，则为新对流核：1)组合反射率大于45dBZ；2)反射率垂直梯度小于5dBZ/km；3)反射率水平梯度小于1dBZ/km。雷达是通过本专利技术设定的“特定条件”转化为计算机语言，实现自动搜索。雷达站建好以后，位置是不变的，其检测的空间范围、观测数据的分辨率等都是不变的，因此格点的空间位置也是不变的，可以对格点进行编号，每个格点按照本专利技术的对流核识别方法，进行对流的实时监测识别。对于符合特定条件识别的格点进行编号，参照附图4，编码可设置为[α,β,n]，其中α为雷达探测的仰角，β为雷达扫描的转角，n为扫描单元沿径向，距离雷达站的距离(单位为km)。雷达的分辨率是1km×1°，1km就是径向的单位距离，1°就是转角β，一般雷达径向探测的最大距离是250km，转角最大360°，仰角一共有9～11个。进一步，步骤4中对流区的识别，判断新对流核格点时，依据下面特定条件是由组合反射率、反射率垂直梯度、反射率水平梯度三个物理量综合判断，具体判断方法为，如果格点组合反射率高于35dBZ且满足以下条件之一，则为新对流核：1)组合反射率大于45dBZ；2)反射率垂直梯度小于4dBZ/km；3)反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，包括以下步骤：/n步骤1、基于相态分区的对流核格点识别；/n步骤2、采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度或雷达反射率在水平向和径向的梯度再次识别对流核格点；/n步骤3、基于三维区域增长法的对流核格点搜索，直至将所有格点搜索完毕；/n步骤4、所有格点集合确定为对流区；/n步骤5、持续监测对流核格点并叠加风场信息，确定降雨落区；/n步骤6、降雨临近预报。/n

【技术特征摘要】
1.基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，包括以下步骤：
步骤1、基于相态分区的对流核格点识别；
步骤2、采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度或雷达反射率在水平向和径向的梯度再次识别对流核格点；
步骤3、基于三维区域增长法的对流核格点搜索，直至将所有格点搜索完毕；
步骤4、所有格点集合确定为对流区；
步骤5、持续监测对流核格点并叠加风场信息，确定降雨落区；
步骤6、降雨临近预报。


2.根据权利要求1所述基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其特征在于：步骤1中的对流核格点识别，是先采用探空资料与数值大气模式融合的方法检验零度层亮带的准确性，并对零度层亮带的反射率进行修正后，再根据修正后的反射率进行对流核识别。


3.根据权利要求2所述的基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其特征在于：步骤1中的对流核格点识别，是基于雷达探测能力将探测区域划分为液态水区、混合相态区、固态水区三个区间。


4.根据权利要求3所述的基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其特征在于：步骤1中每个区间采用不同的判断依据识别对流核格点，液态水区以高于45dBZ作为判断依据，固态水区以-5℃层反射率高于35dBZ为判断依据，混合相态区以垂直液态水含量大于6.5km/m2且反射率垂直变化超过5dBZ/km作为判断依据。


5.根据权利要求1所述基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其特征在于：步骤2采用雷达反射率在水平向和垂向的梯度或雷达反射率在水平向和径向的梯度判断已识别的对流核格点是否正确，若该格点处水平梯度远小于垂向梯度(梯度比小于0.2)或该格点处径向梯度远小于垂向梯度(梯度比小于0.3)，则认为格点被误认为对流核，若该格点处水平梯度与垂向梯度相近或该格点处径向梯度与垂向梯度相近，则确认格点为对流核。


6.根据权利要求1所述的基于强降水识别与数值大气模式驱动的雷达临近预报方法，其特征在于：步骤3中对流核格点被识别出之后，采用垂向、水平向和径向三维区域增长法，寻找每一个对流核在三维方向与之相邻的格点，是搜索三个区所有的格点；若满足特定条件，则被认为是新的对流核格点，进而再以新对流核格点在三维方向寻找对流核格点，直至将所有格...

【专利技术属性】
技术研发人员：田济扬，刘荣华，郭良，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11