CN104007428B - 一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，特点是该识别方法包括以下步骤：计算每个有效回波点的反射率水平平滑度及高度；将设定高度范围内的雷达体扫数据平分成多层垂直采样数据层，然后计算每层垂直采样数据层的反射率平均平滑度；获取反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线，并寻求水平动态阈值；计算每组垂直有效回波点组的反射率垂直递减率；获取一条反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线，并寻求垂直动态阈值；将雷达体扫数据中的所有有效回波点识别为气象回波点和汽车行驶导致的非气象回波点；优点是采用本发明方法能够对于汽车行驶导致的非气象回波进行较为快速有效地识别。

Description

一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法

技术领域

本发明涉及一种非气象回波的处理技术，尤其是一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法。

背景技术

多普勒天气雷达利用云雨目标物对电磁波的后向散射来发现气象目标物，并测定气象目标物的空间位置、强弱分布，从而了解降水的生消、演变和移向移速等。但多普勒天气雷达同样能探测到非气象目标物。当非气象目标物被处理进雷达基数据时就会造成杂波污染，非气象目标物即非气象回波，包括地物杂波和孤立点及斑点噪声杂波。地物杂波包括雷达波束正常传播时存在的普通地物杂波NP和雷达波束的异常传播导致的瞬变杂波AP，孤立点及斑点噪声杂波主要由移动的物体如船、飞机、鸟群和昆虫群等造成。由于导出产品及相应的算法都是建立在雷达基数据的基础上，这样非气象回波的存在就直接影响了导出产品的可用性，使得在单多普勒雷达或者雷达拼图上面的真实降水对应的区域画面受到干扰，进而影响到预报员对降水区域的分析预报能力。同时这些干扰对于雨量估计的准确性的影响也较大，这些都容易导致最终的临近预报结果出现偏差。另外，就模式同化而言，模式初始场的好坏对最后的预报结果也有着非常重要的影响。如果对进入同化的雷达初始数据不进行必要的质量控制，则有可能把错误的信息引入到模式预报的结果中。因此无论是在气象业务或者气象科研中，雷达质量控制都是一项非常重要的基础性的工作。

国外在雷达反射率质量控制方面已经做了大量的前沿工作。Steiner和Smith(2002)分析了雷达波束异常传播产生的条件，在已有的剔除地物杂波的方法之上提出了利用雷达反射率的三维结构进行雷达质量控制的算法。他们认为采用雷达回波的垂直伸展、反射率场的空间变率、反射率的垂直梯度这3个参数较为适用。该算法为了使数据量保持最小，没有采用多普勒径向速度和谱宽资料。Kessinger等(2003)基于Kosko等(1992)提出的模糊逻辑思想，提出了雷达回波分类技术(RadarEchoClassifer，缩写为REC)。REC实质上是一个专家系统，共有4种分类算法。根据REC算法的不同，需选取不同特征组合作为输入。如在进行降水检测算法时，选用速度标准方差、谱宽、反射率均值、反射率纹理特征、spin和sign等输入。Zhang等(2004)采用类似Steiner和Kessinger的方法，在计算垂直梯度时，将Steiner算法中的仰角改为高度计算，而水平变化参数则使用了Kessiner反射率纹理。以上这些方法都在美国实际的业务中取得了不错的效果。这些算法之所以可以良好运行于业务模式，除了原本算法设计的比较合理以外，最重要的原因在于，设计者在实际的业务化过程中，依据雷达的不同区域的非气象回波的特点都进行了大量的本地化的参数化的统计工作。

宁波地区参考国内外的一些相关研究工作，从2007年开始，通过统计研究多年的非气象回波特点于2009年研发了适合宁波地区的雷达反射率质量控制方案并投入业务使用至今。中国专利号为200910153740.8的发明公开了一种雷达回波中非气象杂波的处理方法，其中涉及的雷达反射率质量控制算法在最初几年都取得了较好的效果，但是在最近1～2年，雷达上出现了新类型的汽车行驶导致的非气象回波干扰。此类汽车行驶导致的非气象回波出现的范围和杭州湾大桥以及嘉兴北岸的高速沿线以及大洋山大桥等交通枢纽存在较好的地理位置相似特征，通常出现于高速路线的附近。同时这些高速沿线的汽车流量较大时间段内，此类非气象回波出现也较频繁。从雷达反射率图上来看，其通常出现在最低层的仰角层上，其雷达反射率数值的范围存在一定变化；从速度图来看，其通常对应的速度数据存在着一定的数值(即非零数值)，这个和一般的静止地物杂波的特点是有所差异的。此外，普宽数值通常是夹杂着很多相对大些的普宽数值。所以，此类新的杂波的速度和普宽的特点与一般性的超折射地物杂波的特点还是有所不同，原有的雷达反射率质量控制方法对此类汽车行驶导致的非气象回波的识别效果欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种过程快速且效果较好的在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，雷达回波的雷达体扫数据包括雷达反射率数值，定义具有雷达反射率数值的回波点为有效回波点，该识别方法包括以下步骤：

①计算雷达体扫数据中每层仰角层中的每个有效回波点的反射率水平平滑度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的反射率水平平滑度记为S_h(g₀,a₀,i)， $S_h(g_0,a_0,i)=\frac{\underset{g=g_0-r}{\overset{g_0+r}{\Σ}}\underset{a=a_0-y}{\overset{a_0+y}{\Σ}}{\left(Z\right(g,a,i)-Z(g+1,a,i\left)\right)}^2}{(2r+1)\×(2r+1)},$ 其中，1≤i≤I，I表示雷达体扫数据中的仰角层的总层数，3≤r≤7，y＝r×1°，Z(g,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g,a)的有效回波点的雷达反射率数值，Z(g+1,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g+1,a)的有效回波点的雷达反射率数值；

②计算雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的高度记为H(g₀,i)，其中，ρ表示雷达径向探测精度，θ表示雷达体扫数据中第i层仰角层对应的仰角，R表示地球的平均半径；

③设定最大垂直采样高度位于海拔17km～20km的高度范围内，将从海平面所在高度开始至设定的最大垂直采样高度之间的雷达体扫数据沿垂直方向以1km为垂直采样间隔平均分成多层垂直采样数据层；然后根据雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，确定雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点所在的垂直采样数据层；再计算每层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，假设雷达体扫数据中第x层仰角层中极坐标为(g₁,a₁)的有效回波点所在的垂直采样数据层为第k层，则将第k层垂直采样数据层的反射率平均平滑度记为P_s(k)，其中，i_min≤x≤i_max，i_min表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最小层的层数，i_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最大层的层数，1≤k≤K，K表示垂直采样数据层的总层数，g_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的最大极距，a_max＝360°，M表示在第k层垂直采样数据层中的有效回波点的总个数；

④将由所有垂直采样数据层的反射率平均平滑度构成的集合定义为反射率水平平滑度垂直廓线，并记为P，P＝{P_s(1)，P_s(2)，...，P_s(k)，…，P_s(K-1)，P_s(K)}，其中，P_s(1)表示第一层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(2)表示第二层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K)表示第K层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K-1)表示第(K-1)层垂直采样数据层的反射率平均平滑度；

⑤对每层垂直采样数据层中的所有有效回波点的反射率水平平滑度进行频数采样统计，获得每层垂直采样数据层对应的一条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的Y方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值对应的出现次数；

⑥在每条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值,将在第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求得到的有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值记为T_sk，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的最高点为第一水平参考点A，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二水平参考点C，定义在第一水平参考点A与第二水平参考点C之间的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的所有点为水平目标点，在所有水平目标点中寻求水平近似拐点B，当由其中一个水平目标点和第一水平参考点A连成的线段与该水平目标点和第二水平参考点C连成的线段所形成的夹角最小时，该水平目标点即为所求的水平近似拐点B，定义该水平近似拐点B对应的反射率水平平滑度的值为所求的水平动态阈值T_sk；

⑦将反射率水平平滑度垂直廓线P中最大的反射率平均平滑度对应的垂直采样数据层的层顶的高度定义为等效基准反射率平滑度因子高度，并记为H₀，将由具有同一个极坐标的所有有效回波点组成一组垂直有效回波点组，计算从H₀开始的到每组垂直有效回波点组的回波顶所在高度的高度范围内的每组垂直有效回波点组的反射率垂直递减率，将由具有同一个极坐标(g₂,a₂)的所有有效回波点组成的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率记为S_v，S_v＝(Z'(g₂,a₂,j)-Z'(g₂,a₂,t))/(H'(g₂,t)-H'(g₂,j))，其中，j表示该组垂直有效回波点组中高度大于H₀且离H₀最近的一个有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，Z'(g₂,a₂,j)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,j)表示该有效回波点的高度；t表示该组具有相同的极坐标(g₂,a₂)的垂直有效回波点组中雷达反射率数值大于15dBZ且高度最大的有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，该有效回波点的高度即为该组垂直有效回波点组的回波顶所在的高度，Z'(g₂,a₂,t)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,t)表示该有效回波点的高度；

⑧对所有垂直有效回波点组的反射率垂直递减率进行频数采样统计，获得一条反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的Y方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值对应的出现次数；

⑨在反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向上寻求垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的垂直动态阈值，并记为T_v,定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的最高点为第一垂直参考点A1，定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二垂直参考点C1，定义在第一垂直参考点A1与第二垂直参考点C1之间的反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的所有点为垂直目标点，在所有垂直目标点中寻求垂直近似拐点B1，当由其中一个垂直目标点和第一垂直参考点A1连成的线段与该垂直目标点和第二垂直参考点C1连成的线段所形成的夹角最小时，该垂直目标点即为所求的垂直近似拐点B1，定义该垂直近似拐点B1对应的反射率垂直递减率的值为所求的垂直动态阈值T_v；

⑩将雷达体扫数据中的所有有效回波点识别为气象回波点和汽车行驶导致的非气象回波点，将满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率小于5dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为气象回波点，将满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于8dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将其余高度大于H₀的有效回波点中反射率水平平滑度大于对应的水平动态阈值且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于垂直动态阈值的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将所有剩余未判定的有效回波点都判定为气象回波点。

所述的雷达回波的雷达体扫数据由SA多普勒天气雷达采用VCP21体扫模式扫描获得。

所述的步骤①中取I＝9，r＝5。

所述的步骤②中取ρ＝1km，R＝6371km。

所述的步骤③中取K＝17，g_max＝460km，设定的最大垂直采样高度为17km。通常汽车行驶所导致的非气象回波都分布在较低层，所以本发明中设定的最大垂直采样高度为17km，即选择高度为17km以下的回波进行雷达反射率质量控制。

所述的步骤③中取i_max＝9。

所述的步骤⑥中每两个相邻的所述的水平目标点对应的反射率水平平滑度的值间隔1dBZ²。

所述的步骤⑨中每两个相邻的垂直目标点对应的反射率垂直递减率的值间隔1dBZ。

与现有技术相比，本发明的优点在于将每个有效回波点根据设定的反射率水平平滑度及反射率垂直递减率的范围识别为气象回波点或非气象回波点，采用本发明方法能够对于汽车行驶导致的非气象回波进行较为快速有效地识别，从而在最大限度保护气象回波的基础上，对识别出的汽车行驶导致的非气象回波进行过滤和去除等质量控制处理，经实验证明，对采用本发明方法识别出的汽车行驶导致的非气象回波进行质量控制后，由雷达反射率数值至少大于15dBZ的有效回波点组成的汽车行驶导致的非气象回波的分布比例大幅减少。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为对在0.5度仰角面上的第一分析区域内，对采用本发明方法识别出汽车行驶导致的非气象回波进行质量控制前和进行质量控制后，雷达回波中雷达反射率数值的百分比分布比较图；

图3为对在0.5度仰角面上的第二分析区域内，对采用本发明方法识别出汽车行驶导致的非气象回波进行质量控制前和进行质量控制后，雷达回波中雷达反射率数值的百分比分布比较图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，由SA多普勒天气雷达采用VCP21体扫模式扫描获得的雷达回波的雷达体扫数据，包括雷达反射率数值，定义具有雷达反射率数值的回波点为有效回波点，该识别方法包括以下步骤：

①计算雷达体扫数据中每层仰角层中的每个有效回波点的反射率水平平滑度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的反射率水平平滑度记为S_h(g₀,a₀,i)， $S_h(g_0,a_0,i)=\frac{\underset{g=g_0-r}{\overset{g_0+r}{\Σ}}\underset{a=a_0-y}{\overset{a_0+y}{\Σ}}{\left(Z\right(g,a,i)-Z(g+1,a,i\left)\right)}^2}{(2r+1)\×(2r+1)},$ 其中，1≤i≤I，I表示雷达体扫数据中的仰角层的总层数，I＝9，r＝5，y＝5°，Z(g,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g,a)的有效回波点的雷达反射率数值，Z(g+1,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g+1,a)的有效回波点的雷达反射率数值。

②计算雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的高度记为H(g₀,i)，其中，ρ表示雷达径向探测精度，ρ＝1km，θ表示雷达体扫数据中第i层仰角层对应的仰角，R表示地球的平均半径,R＝6371km。

③设定最大垂直采样高度位于海拔17km～20km的高度范围内，将从海平面所在高度开始至设定的最大垂直采样高度17km之间的雷达体扫数据沿垂直方向以1km为垂直采样间隔平均分成多层垂直采样数据层；然后根据雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，确定雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点所在的垂直采样数据层；再计算每层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，假设雷达体扫数据中第x层仰角层中极坐标为(g₁,a₁)的有效回波点所在的垂直采样数据层为第k层，则将第k层垂直采样数据层的反射率平均平滑度记为P_s(k)，其中，i_min≤x≤i_max，i_min表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最小层的层数，i_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最大层的层数，i_max＝9，1≤k≤K，K表示垂直采样数据层的总层数，K＝17，g_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的最大极距，g_max＝460km，a_max＝360°，M表示在第k层垂直采样数据层中的有效回波点的总个数。

④将由所有垂直采样数据层的反射率平均平滑度构成的集合定义为反射率水平平滑度垂直廓线，并记为P，P＝{P_s(1)，P_s(2)，...，P_s(k)，…，P_s(K-1)，P_s(K)}，其中，P_s(1)表示第一层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(2)表示第二层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K)表示第K层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K-1)表示第(K-1)层垂直采样数据层的反射率平均平滑度。

⑤对每层垂直采样数据层中的所有有效回波点的反射率水平平滑度进行频数采样统计，获得每层垂直采样数据层对应的一条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的Y方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值对应的出现次数。

⑥在每条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值,将在第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求得到的有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值记为T_sk，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的最高点为第一水平参考点A，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二水平参考点C，定义在第一水平参考点A与第二水平参考点C之间的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的所有点为水平目标点，在所有水平目标点中寻求水平近似拐点B，每两个相邻的水平目标点对应的反射率水平平滑度的值间隔1dBZ²，当由其中一个水平目标点和第一水平参考点A连成的线段与该水平目标点和第二水平参考点C连成的线段所形成的夹角最小时，该水平目标点即为所求的水平近似拐点B，定义该水平近似拐点B对应的反射率水平平滑度的值为所求的水平动态阈值T_sk。

⑦将反射率水平平滑度垂直廓线P中最大的反射率平均平滑度对应的垂直采样数据层的层顶的高度定义为等效基准反射率平滑度因子高度，并记为H₀，将由具有同一个极坐标的所有有效回波点组成一组垂直有效回波点组，计算从H₀开始的到每组垂直有效回波点组的回波顶所在高度的高度范围内的每组垂直有效回波点组的反射率垂直递减率，将由具有同一个极坐标(g₂,a₂)的所有有效回波点组成的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率记为S_v，S_v＝(Z'(g₂,a₂,j)-Z'(g₂,a₂,t))/(H'(g₂,t)-H'(g₂,j))，其中，j表示该组垂直有效回波点组中高度大于H₀且离H₀最近的一个有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，Z'(g₂,a₂,j)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,j)表示该有效回波点的高度；t表示该组具有相同的极坐标(g₂,a₂)的垂直有效回波点组中雷达反射率数值大于15dBZ且高度最大的有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，该有效回波点的高度即为该组垂直有效回波点组的回波顶所在的高度，Z'(g₂,a₂,t)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,t)表示该有效回波点的高度。

⑧对所有垂直有效回波点组的反射率垂直递减率进行频数采样统计，获得一条反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的Y方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值对应的出现次数。

⑨在反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向上寻求垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的垂直动态阈值，并记为T_v,定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的最高点为第一垂直参考点A1，定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二垂直参考点C1，定义在第一垂直参考点A1与第二垂直参考点C1之间的反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的所有点为垂直目标点，在所有垂直目标点中寻求垂直近似拐点B1，每两个相邻的垂直目标点对应的反射率垂直递减率的值间隔1dBZ，当由其中一个垂直目标点和第一垂直参考点A1连成的线段与该垂直目标点和第二垂直参考点C1连成的线段所形成的夹角最小时，该垂直目标点即为所求的垂直近似拐点B1，定义该垂直近似拐点B1对应的反射率垂直递减率的值为所求的垂直动态阈值T_v。

⑩将雷达体扫数据中的所有有效回波点识别为气象回波点和汽车行驶导致的非气象回波点，将满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率小于5dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为气象回波点，将满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于8dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将其余高度大于H₀的有效回波点中反射率水平平滑度大于对应的水平动态阈值且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于垂直动态阈值的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将所有剩余未判定的有效回波点都判定为气象回波点。

图2给出了在0.5度仰角面上的第一分析区域内，对采用本发明方法识别出汽车行驶导致的非气象回波进行质量控制前和进行质量控制后，雷达回波中雷达反射率数值的百分比分布比较图，图3给出了在0.5度仰角面上的第二分析区域内，对采用本发明方法识别出汽车行驶导致的非气象回波进行质量控制前和进行质量控制后，雷达回波中雷达反射率数值的百分比分布比较图。从图2和图3中可以看出，采用本发明方法能够对于汽车行驶导致的非气象回波进行较为有效地识别，从而在最大限度保护气象回波的基础上，对识别出的结果进行过滤和去除等质量控制处理，经过质量控制后，由雷达反射率数值至少大于15dBZ的有效回波点组成的汽车行驶导致的非气象回波的分布比例大幅减少，上述第一分析区域及第二分析区域均为由观测分析得到的雷达回波中由汽车行驶导致的非气象回波分布较多的区域。

Claims (8)

1.一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，雷达回波的雷达体扫数据包括雷达反射率数值，定义具有雷达反射率数值的回波点为有效回波点，其特征在于该识别方法包括以下步骤：

①计算雷达体扫数据中每层仰角层中的每个有效回波点的反射率水平平滑度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的反射率水平平滑度记为S_h(g₀,a₀,i)， $S_h(g_0,a_0,i)=\frac{\underset{g=g_0-r}{\overset{g_0+r}{\mathrm{\Σ}}}\underset{a=a_0-y}{\overset{a_0+y}{\mathrm{\Σ}}}{(Z(g,a,i)-Z(g+1,a,i))}^2}{(2r+1)\×(2r+1)},$ 其中，1≤i≤I，I表示雷达体扫数据中的仰角层的总层数，3≤r≤7，y＝r×1°，Z(g,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g,a)的有效回波点的雷达反射率数值，Z(g+1,a,i)表示雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g+1,a)的有效回波点的雷达反射率数值；

②计算雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，将雷达体扫数据中第i层仰角层中极坐标为(g₀,a₀)的有效回波点的高度记为H(g₀,i)，其中，ρ表示雷达径向探测精度，θ表示雷达体扫数据中第i层仰角层对应的仰角，R表示地球的平均半径；

③设定最大垂直采样高度位于海拔17km～20km的高度范围内，将从海平面所在高度开始至设定的最大垂直采样高度之间的雷达体扫数据沿垂直方向以1km为垂直采样间隔平均分成多层垂直采样数据层；然后根据雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点的高度，确定雷达体扫数据中每个仰角层中的每个有效回波点所在的垂直采样数据层；再计算每层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，假设雷达体扫数据中第x层仰角层中极坐标为(g₁,a₁)的有效回波点所在的垂直采样数据层为第k层，则将第k层垂直采样数据层的反射率平均平滑度记为P_s(k)，其中，i_min≤x≤i_max，i_min表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最小层的层数，i_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的仰角层的最大层的层数，1≤k≤K，K表示垂直采样数据层的总层数，g_max表示在第k层垂直采样数据层中的所有有效回波点的最大极距，a_max＝360°，M表示在第k层垂直采样数据层中的有效回波点的总个数；

④将由所有垂直采样数据层的反射率平均平滑度构成的集合定义为反射率水平平滑度垂直廓线，并记为P，P＝{P_s(1)，P_s(2)，...，P_s(k)，…，P_s(K-1)，P_s(K)}，其中，P_s(1)表示第一层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(2)表示第二层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K)表示第K层垂直采样数据层的反射率平均平滑度，P_s(K-1)表示第(K-1)层垂直采样数据层的反射率平均平滑度；

⑤对每层垂直采样数据层中的所有有效回波点的反射率水平平滑度进行频数采样统计，获得每层垂直采样数据层对应的一条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值，该反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的Y方向为有效回波点的反射率水平平滑度的数值对应的出现次数；

⑥在每条反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值,将在第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线的X方向上寻求得到的有效回波点的反射率水平平滑度的水平动态阈值记为T_sk，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的最高点为第一水平参考点A，定义第k层垂直采样数据层对应的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二水平参考点C，定义在第一水平参考点A与第二水平参考点C之间的反射率区间离散水平平滑度频率分布曲线上的所有点为水平目标点，在所有水平目标点中寻求水平近似拐点B，当由其中一个水平目标点和第一水平参考点A连成的线段与该水平目标点和第二水平参考点C连成的线段所形成的夹角最小时，该水平目标点即为所求的水平近似拐点B，定义该水平近似拐点B对应的反射率水平平滑度的值为所求的水平动态阈值T_sk；

⑦将反射率水平平滑度垂直廓线P中最大的反射率平均平滑度对应的垂直采样数据层的层顶的高度定义为等效基准反射率平滑度因子高度，并记为H₀，将由具有同一个极坐标的所有有效回波点组成一组垂直有效回波点组，计算从H₀开始的到每组垂直有效回波点组的回波顶所在高度的高度范围内的每组垂直有效回波点组的反射率垂直递减率，将由具有同一个极坐标(g₂,a₂)的所有有效回波点组成的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率记为S_v，S_v＝(Z'(g₂,a₂,j)-Z'(g₂,a₂,t))/(H'(g₂,t)-H'(g₂,j))，其中，j表示该组垂直有效回波点组中高度大于H₀且离H₀最近的一个有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，Z'(g₂,a₂,j)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,j)表示该有效回波点的高度；t表示该组具有相同的极坐标(g₂,a₂)的垂直有效回波点组中雷达反射率数值大于15dBZ且高度最大的有效回波点所在的垂直采样数据层的层数，该有效回波点的高度即为该组垂直有效回波点组的回波顶所在的高度，Z'(g₂,a₂,t)表示该有效回波点的雷达反射率数值，H'(g₂,t)表示该有效回波点的高度；

⑧对所有垂直有效回波点组的反射率垂直递减率进行频数采样统计，获得一条反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值，该反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的Y方向为垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的数值对应的出现次数；

⑨在反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线的X方向上寻求垂直有效回波点组的反射率垂直递减率的垂直动态阈值，并记为T_v,定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的最高点为第一垂直参考点A1，定义反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上与其X方向上的最大值所对应的点为第二垂直参考点C1，定义在第一垂直参考点A1与第二垂直参考点C1之间的反射率区间离散垂直递减率频率分布曲线上的所有点为垂直目标点，在所有垂直目标点中寻求垂直近似拐点B1，当由其中一个垂直目标点和第一垂直参考点A1连成的线段与该垂直目标点和第二垂直参考点C1连成的线段所形成的夹角最小时，该垂直目标点即为所求的垂直近似拐点B1，定义该垂直近似拐点B1对应的反射率垂直递减率的值为所求的垂直动态阈值T_v；

⑩将雷达体扫数据中的所有有效回波点识别为气象回波点和汽车行驶导致的非气象回波点，将满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率小于5dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度小于25dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为气象回波点，将满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于8dBZ的高度大于H₀的有效回波点或满足反射率水平平滑度大于64dBZ²且高度小于H₀的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将其余高度大于H₀的有效回波点中反射率水平平滑度大于对应的水平动态阈值且所在的垂直有效回波点组的反射率垂直递减率大于垂直动态阈值的有效回波点判定为汽车行驶导致的非气象回波点，将所有剩余未判定的有效回波点都判定为气象回波点。

2.根据权利要求1所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的雷达回波的雷达体扫数据由SA多普勒天气雷达采用VCP21体扫模式扫描获得。

3.根据权利要求2所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤①中取I＝9，r＝5。

4.根据权利要求3所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤②中取ρ＝1km，R＝6371km。

5.根据权利要求4所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤③中取K＝17，g_max＝460km，设定的最大垂直采样高度为17km。

6.根据权利要求5所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤③中取i_max＝9。

7.根据权利要求6所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤⑥中每两个相邻的所述的水平目标点对应的反射率水平平滑度的值间隔1dBZ²。

8.根据权利要求7所述的一种在雷达回波中识别汽车行驶导致的非气象回波的方法，其特征在于所述的步骤⑨中每两个相邻的所述的垂直目标点对应的反射率垂直递减率的值间隔1dBZ。