CN108535731A - 短临降水预报方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短临降水预报方法与装置，涉及气象学天气预报技术领域，该短临降水预报方法包括：获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子坐标系中得到插值流场数据；根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据。本发明实施例提供的一种短临降水预报方法与装置，可以提高降水预测命中率，降低误报率。

Description

短临降水预报方法与装置

技术领域

本发明涉及气象学天气预报技术领域，尤其是涉及一种短临降水预报方法与装置。

背景技术

短临天气预报指0-3小时的天气预报，特别是0-3小时的降水预报。目前进行短临降水预报的客观方法有两种：

第一种是数值天气模式预报方法。虽然目前数值天气预报模式的分辨率和精度都已经很高，特别是数值天气预报模式预报的中短期流场和形势场的精度已经很高，但由于数值天气模式都存在spin-up问题，利用数值天气模式预报的短临降水误差很大。

第二种是天气雷达回波图外推法。天气雷达是监测强对流天气和估测降水的主要工具。根据天气雷达测量到的回波强度的格点数据，可以定量预测短时临近时间段内(3小时内)的降水天气。其中，主流的预测方法是将回波强度格点数据视为灰度图像，基于计算视觉领域中的光流法，计算雷达回波图的光流场并进行外推，然后将回波强度值转换为降水强度，最终得到临近时间段内的降水预测。传统的光流法基于亮度恒定的假设，适用于无遮挡且像素点进行连续小幅运动的场景。由于相邻时刻的雷达回波变换复杂，例如：回波运动为非刚性变形运动、存在突然出现或消散的回波等，观测回波问题造成传统光流法计算的流场误差较大。由于光流法固有的缺陷，传统光流法无法估计没有雷达回波的区域的流场，也不能估计预报时刻的流场。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种短临降水预报方法与装置，通过利用高分辨率数值天气预报的高精度流场，代替传统光流法中利用雷达图像计算的流场来预测短临降水，提高了降水预测命中率，降低了误报率。

第一方面，本发明实施例提供了一种短临降水预报方法，包括：获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据所在的坐标系中得到插值流场数据；根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该无辐散层流场数据为根据数值天气预报方法获得的流场数据；该组合反射率因子数据为根据天气雷达测量到的组合反射率因子数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述方法还包括：将该天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述将该天气雷达组合发射率因子数据转换为降水强度数据的公式为：式中，R为降水强度，dBZ为组合反射率，c1和c2为常量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据坐标系中得到插值流场数据的步骤，包括：采用双线性插值方式将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据的二维格点空间，得到插值流场数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，在上述根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T时刻起时间t内任意时刻的天气雷达反射率因子数据的步骤之前还包括：对该组合反射率因子数据进行滤波。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述对该组合反射率因子数据进行滤波的步骤，包括：采用二维滑动平均法对该组合反射率因子数据进行滤波。

第二方面，本发明实施例还提供了一种短临降水预报装置，包括：数据获取模块，用于获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；插值模块，用于将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据；外推模块，用于根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达组合反射率因子数据。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述装置还包括：转换模块，用于将该天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

第三方面，本发明实施例还提供了一种短临降水预报装置，该装置包括处理器，存储器，总线和通信接口，该处理器、通信接口和存储器通过该总线连接；该存储器用于存储程序；该处理器，用于通过该总线调用存储在该存储器中的程序，执行上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的任一短临降水预报方法。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的短临降水预报方法与装置，该短临降水预报方法包括获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据；根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据；通过利用高分辨率数值天气预报的高精度流场，代替传统光流法中利用雷达图像计算的流场来预测短临降水，缓解了传统光流法在无天气回波区域的流场缺失问题以及无法估计预测时刻的流场的问题，提高了降水预测命中率，降低了误报率。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种短临降水预报方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种短临降水预报方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种短临降水预报装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种短临降水预报装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种短临降水预报装置的结构示意图。

图标：

31-数据获取模块；32-插值模块；33-外推模块；41-转换模块；50-处理器；51-存储器；52-总线；53-通信接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，在短临天气预报方法中，数值天气模式预报方法存在spin-up的问题，这使数值天气模式预报方法的短临降水预报误差很大；另外，使用天气雷达回波图外推法进行预测时，因相邻时刻的雷达回波变换复杂，观测回波问题造成传统光流法计算的流场误差较大，并且由于光流法固有的缺陷，传统光流法无法估计没有雷达回波的区域的流场，也不能估计预报时刻的光流场，这都影响了天气雷达回波图外推法对短临降水的预报准确性。基于此，本发明实施例提供的一种短临降水预报方法与装置，可以缓解传统光流法在无天气回波区域的流场缺失问题以及无法估计预测时刻的流场的问题，提高了降水预测命中率，降低了误报率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种短临降水预报方法进行详细介绍。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例提供的一种短临降水预报方法的流程图，由图1可见，该短临降水预报方法的步骤包括：

步骤S101：获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据。

这里，可以根据天气雷达测量得到组合反射率因子(dBZ)数据，并根据数值天气预报方法获得无辐散层流场数据。其中，天气雷达是气象雷达的一种，是监测和预警强对流天气的主要工具，其工作原理是通过发射一系列脉冲电磁波，利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收，为探测降水的空间分布和铅直结构，并以此为警戒跟踪降水系统。而数值天气预报(numerical weather prediction)是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。

此外，dBZ是表示雷达回波强度的一个物理量，它可以用来估算降水和降雪强度及预测诸如冰雹、大风等灾害性天气出现的可能性。一般地说，它的值越大降水、降雪可能性越大，强度也越强。当它的值大于或等于40dBZ时，出现雷雨天气的可能性较大，当它的值在45dBZ或以上时，出现暴雨、冰雹、大风等强对流天气的可能性较大。当然，判断具体出现什么天气出现时，除了回波强度外，还要综合考虑回波高度、回波的面积、回波移动的速度、方向以及演变情况等因素。

另外，无辐散层是指大气中水平速度散度为零的一个位面，流场是指某一时刻气流运动的空间分布。通常，短临天气预报指0-3小时内的天气预报，故此，t的取值一般在0-3小时内。为了提高预报的精度，这里可以获取T+t小时内最短预报时效的数值天气模式预报的无辐散层流场数据，比如可以是每30分钟或每10分钟或者更短时间内的无辐散层流场数据。

步骤S102：将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据。

在实际操作中，可以采用双线性插值方式将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据的二维格点空间，得到插值流场数据。其中，双线性插值，又称为双线性内插，在数学上，双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。双线性插值作为数值分析中的一种插值算法，广泛应用在信号处理，数字图像和视频处理等方面。

步骤S103：根据该插值流场数据和上述组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据。

在其中一种或多种可能的实施方式中，可以先对该组合反射率因子数据进行滤波处理，以平滑该组合反射率因子数据并去除其中的杂波，作为天气雷达外推的初始条件。然后，将上述插值流场数据和经滤波处理后的组合反射率因子数据代入欧拉观点离散化的天气雷达回波平流方程，并进行积分，外推获得T时刻起至T+t时刻值内任意时刻的天气雷达反射率因子数据。这里，回波强度(echo intensity)是天气雷达反射率因子的一种，它是雷达回波动率的俗称，回波强度取决于某些雷达参数，降水体的散射特性，散射中至雷达的距离以及波束在传播路径中受大气介质的衰减。从天气目标的回波强度及其分布，可以推断天气系统的性质；此外，回波强度也是雷达测量降水量的基本数据。

为了获得更加直观的降水情况，通常会将获得的天气雷达反射率因子数据做进一步的处理。如图2所示，为本发明实施例提供的另一种短临降水预报方法的流程图，由图2可见，该方法的步骤包括：

步骤S201：获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据。

步骤S202：将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据所在的二维格点中得到插值流场数据。

步骤S203：根据该插值流场数据和上述组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的任意时刻天气雷达反射率因子数据。

步骤S204：将该天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

相比于图1，图2示出的实施方式在外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据之后，还将该天气雷达反射率因子数据转换成了降水强度数据。这里，将天气雷达反射率因子数据转换成降水强度数据的公式为：

式中，R为降水强度，单位为mm/min；dBZ为组合反射率因子；c₁和c₂为常量。

在实际操作中，为了缩短计算时间，当dBZ取值小于0时，可令降水强度值为0；当dBZ取值大于等于0时，则用上述公式计算降水强度。这里，降水强度是指在某一历时内的平均降落量，它可以用单位时间内的降水深度表示，也可以用单位时间内的面积上的降水体积表示，例如：降水强度＝降水量/降水历时。降水强度是描述暴雨特征的重要指标，强度越大，雨愈猛烈。在一个实际应用例子中，使用本发明实施例提供的短临降水预报方法以及传统的光流法对全国汛期44个降水个例进行了短临降水预报，结果显示，相比于传统光流法，本发明实施例提供的短临降水预报方法预测的平均命中率提高了6％，误报率减少了5％。

本发明实施例提供的短临降水预报方法，通过利用高分辨率数值天气预报的高精度流场，代替传统光流法中利用雷达图像计算的流场来预测短临降水，提高了降水预测命中率，降低了误报率。

实施例二

本发明实施例还提供了一种短临降水预报装置，如图3所示，为本发明实施例提供的一种短临降水预报装置的结构示意图，由图3可见，该短临降水预报装置包括依次相连的数据获取模块31、插值模块32和外推模块33。其中，各个模块的功能如下：

数据获取模块31，用于获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据。

插值模块32，用于将该无辐散层流场数据插值到该组合反射率因子数据的二维格点中得到插值流场数据。

外推模块33，用于根据该插值流场数据和该组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据。

如图4所示，为本发明实施例提供的另一种短临降水预报装置的结构示意图，在图4示出的实施方式中，该短临降水预报装置还包括与外推模块33相连的转换模块41，该转换模块41用于将上述天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

实施例三

参见图5，本发明实施例还提供一种短临降水预报装置，包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，处理器50、通信接口53和存储器51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器51用于存储程序，处理器50在接收到执行指令后，执行程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。

处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本发明实施例提供的短临降水预报装置，与上述实施例提供的短临降水预报方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种短临降水预报方法，其特征在于，包括：

获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；

将所述无辐散层流场数据插值到所述组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据；

根据所述插值流场数据和所述组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达反射率因子数据。

2.根据权利要求1所述的短临降水预报方法，其特征在于，

所述无辐散层流场数据为根据数值天气预报方法获得的流场数据；

所述组合反射率因子数据为根据天气雷达测量到的组合反射率因子数据。

3.根据权利要求1所述的短临降水预报方法，其特征在于，还包括：

将所述天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

4.根据权利要求3所述的短临降水预报方法，其特征在于，所述将所述天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据的公式为：

式中，R为降水强度，dBZ为组合反射率因子，c1和c2为常量。

5.根据权利要求1所述的短临降水预报方法，其特征在于，所述将所述无辐散层流场数据插值到所述组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据的步骤，包括：

采用双线性插值方式将所述无辐散层流场数据插值到所述组合反射率因子数据的二维格点空间，得到插值流场数据。

6.根据权利要求1所述的短临降水预报方法，其特征在于，在所述根据所述插值流场数据和所述组合反射率因子数据外推获得T时刻起时间t内任意时刻的天气雷达反射率因子数据的步骤之前还包括：

对所述组合反射率因子数据进行滤波。

7.根据权利要求6所述的短临降水预报方法，其特征在于，所述对所述组合反射率因子数据进行滤波的步骤，包括：

采用二维滑动平均法对所述组合反射率因子数据进行滤波。

8.一种短临降水预报装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取T时刻的组合反射率因子数据以及T+t时间内的无辐散层流场数据；

插值模块，用于将所述无辐散层流场数据插值到所述组合反射率因子所在坐标系中得到插值流场数据；

外推模块，用于根据所述插值流场数据和所述组合反射率因子数据外推获得T+t时间内的天气雷达组合反射率因子数据。

9.根据权利要求8所述的短临降水预报装置，其特征在于，还包括：

转换模块，用于将所述天气雷达反射率因子数据转换为降水强度数据。

10.一种短临降水预报装置，其特征在于，所述装置包括处理器，存储器，总线和通信接口，所述处理器、通信接口和存储器通过所述总线连接；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器，用于通过所述总线调用存储在所述存储器中的程序，执行所述权利要求1-7任一所述方法。