CN109444892B - 雷达定量测量降水的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种雷达定量测量降水的校准方法，包括：雨量计测得的降水量为第一降水量，天气雷达在多个位置点处测量的降水量为第二降水量；将多个位置点的坐标转化为二维直角坐标并组成有限点集；对有限点集进行三角剖分，从而得到多个三角形；判断天气雷达极坐标观测区域网格上的某一个位置点处于某一三角形上；如果是，通过三维空间直角坐标系中的三个点进行平面插值，以得到当前位置点所对应的降水量校准因子估计值；根据降水量校准因子估计值和天气雷达在相应位置处的降水量观测值，得到每个位置点上经过校准后的降水量值。本发明可以得到更加精确的校准值。

Description

雷达定量测量降水的校准方法

技术领域

本发明涉及气象观测领域，尤其涉及一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法。

背景技术

降水是重要的气候要素，对降水的定量测量不仅是广大科研、预报、水文工作人员关注的一项科学研究，而且对社会和国民经济有着重要、深远的影响和效益。

目前，定量测量降水最直接的手段是使用雨量计，其具有测量精度高的特点，但由于降水的时空不连续性，使用雨量计只相当于“点”测量，对面状的雨定量测量存在估计误差。

对降水的其它观测手段包括卫星和雷达，其中卫星测量降水的时间尺度和和精度相比雷达低；雷达覆盖范围大，扫描周期短，可实现全天观测，但同时也具有局限性。这是因为天气雷达通常是通过发射电磁波，然后接受气象目标的后向散射回波，根据回波的强度来间接获取降水信息。电磁波穿过大气和降水粒子，并与之产生相互作用，这个过程中很多因素直接或间接影响了雷达定量测量降水的精度。

目前，国内外普遍采用经验关系式Z-I，理论上由雷达测量的散射率因子Z估计出目标区域的降雨强度和降水I分布情况。但是，单独使用雷达并通过关系来确定降水强度，会受到雷达参数、Z-I关系的不确定以及暴雨时衰减增大等影响，导致降水估测精度降低。因此，通常，采用多个精度较高的雨量计的测量值来校准雷达定量测量降水的测量值。

现有技术中的一种常见校准方法是在观测区域内布置多个雨量计，计算出整个区域内或子区域内的平均校准因子，用来校准对应区域内各点的雷达测量的降水量值，但这种方法得到的校准因子对于区域内降水分布变化较大的情况仍然不够准确。

发明内容

有鉴于上述技术问题，本发明提供了一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法。

本发明中的雷达定量测量降水的校准方法，包括：

步骤1，在天气雷达的极坐标观测区域内挑选多个位置点，并在这些位置点处分别布置雨量计，其中，所述雨量计测得的降水量为第一降水量，天气雷达在所述多个位置点处测量的降水量为第二降水量；

步骤2，根据第一降水量和第二降水量计算出每个所述位置点处的降水量校准因子；

步骤3，将所述多个位置点的坐标转化为二维直角坐标并组成有限点集；

步骤4，对所述有限点集进行三角剖分，从而得到多个三角形；

步骤5，判断天气雷达极坐标观测区域网格上的某一个位置点处于某一所述三角形上，如果是，执行步骤6，否则执行步骤7；

步骤6，根据天气雷达在三角形的三个点上的降水量校准因子及其直角坐标构建三维空间直角坐标系，通过所述三维空间直角坐标系中的所述三个点进行平面插值，以得到当前位置点所对应的降水量校准因子估计值，然后执行步骤8；这样，在判断了天气雷达极坐标观测区域网格上的某一个位置点及其所处于的三角形后，每个三角形顶点的二维平面坐标及这个顶点上的降水量校准因子值组成了一个三维坐标，那么三个顶点有三个这样的三维坐标，并且三点共面，这样通过空间平面插值得到所关心的位置点处的降水量校准因子值。

步骤7，将步骤2中的所有位置点处的降水量校准因子的平均值作为当前位置点所对应的降水量校准因子估计值，然后执行步骤8；

步骤8，根据所述降水量校准因子估计值和天气雷达在相应位置处的降水量观测值，得到每个位置点上经过校准后的降水量值。

优选地，所述步骤1在挑选位置点时，尽可能大地且均匀地覆盖到整个天气雷达的观测区域。

优选地，所述步骤4中，采用Delaunay三角剖分方法对有限点集进行三角剖分。

优选地，所述步骤6中，通过所述三维空间直角坐标系中的所述三个点进行平面插值，以得到当前位置点所对应的降水量校准因子估计值包括：

其中，

其中，V_i,j计算当前位置点(x′,y′)所对应的降水量校准因子估计值；

为三维空间直角坐标系中的所述三个点的坐标。

从上述技术方案可以看出，本发明一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法具有以下有益效果：

(1)本发明技术方案利用多个雨量计对雷达定量测量降水进行校准采用对观测区域进行三角剖分和校准值空间平面插值的方法，得到的校准值更精确；

(2)本发明技术方案中的插值和校准值计算针对独立的观测区域网格采样点进行，后续易于实现并行化加速，提升校准计算的效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提出了一种利用多个雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法，对于区域内要计算校准因子的均匀地理网格采样点，利用其所在的一小块三角形子区域上三个顶点处的雨量计的校准因子进行空间插值得到这一点的校准因子，而由空间分布的雨量计离散位置对整个区域进行三角剖分采用Delaunay三角剖分方法。

图1是根据本发明实施例的一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法的流程图。请参考图1，在本发明的一个实施例中，提供了一种利用雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法，该方法可以包括：

步骤S1：对于某天气雷达,设其极坐标观测区域为Ω＝{(r_i,θ_j)|r_i∈[R₀,R₁],θ_j∈[Θ₀,Θ₁]；i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1},其中(r_i,θ_j)表示其极坐标观测网格上的一个采样点的距离坐标和方位角坐标,共M个距离坐标和N个方位角坐标组成包含M×N个采样点的极坐标网格，其中雷达观测区域的距离向范围从R₀至R₁，方位角范围从Θ₀至Θ₁；在区域Ω的极坐标网格内挑选K个网格位置点布置K个雨量计，其位置的极坐标分别为

其中

并测得这K个雨量计的降水量值G₀,G₁,...,G_k,...,G_K-1，同时记录天气雷达在这K个位置点反演出的降水量值为I₀,I₁,...,I_k,...,I_K-1；

所述步骤S1中在区域极坐标网格内挑选K个网格位置点布置K个雨量计，此K个位置点的选取原则是尽可能大地且均匀地覆盖到整个天气雷达的观测区域。

步骤S2：将步骤S1中K个雨量计的位置点作为参考位置点，利用得到的K个参考位置点上雨量计的降水量值G₀,G₁,...,G_k,...,G_K-1和天气雷达在这K个参考位置点反演出的降水量值I₀,I₁,...,I_k,...,I_K-1，计算出所有参考位置点处的降水量校准因子，其中第k个参考位置处的校准因子计算方法为V_k＝G_k/I_k，k＝0,1,...,K-1；

步骤S3:将K个参考位置点坐标

转化成二维直角坐标系下的坐标(x₀,y₀)，(x₁,y₁)，...，(x_k,y_k),...,(x_K-1,y_K-1)，并组成有限点集，其中第k个参考位置点的直角坐标计算方法为

其中，x_k表示第k个参考位置点横向坐标，y_k表示其径向坐标；

步骤S4:将步骤S3中直角坐标系下的K个参考位置点组成的有限点集进行三角剖分，共剖分成P个小三角形；优选地，所述步骤S4中所述的将直角坐标系下的K个参考位置点组成的有限点集进行三角剖分，所采用的是Delaunay三角剖分方法。

步骤S5:对于所述的天气雷达极坐标观测区域网格，遍历所有M×N个网格位置采样点，对每个极坐标网格点(r_i,θ_j)均重复执行步骤S6～S8计算得到这一点上的降水量校准因子V_i,j，直至得到所有M×N个网格位置采样点对应的降水量校准因子，其中i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1；

步骤S6:对于天气雷达极坐标观测区域网格上的某一个位置点(r_i，θ_j)，将其转换为直角坐标(x′，y′)，并检测其处于所述步骤S4中部分成的P个小三角形的第几个上，若处于第l个小三角形上，其中l∈[1，P]，且l是整数，则执行步骤S7，否则若不处于P个小三角形的任何一个上，则执行步骤S8；

步骤S7:设当前网格位置点(x′,y′)所处于的第l个小三角形的三个顶点是所述步骤S2中所述的K个参考位置点中的第k₁个、第k₂个和第k₃个，即其三个顶点的直角坐标系坐标分别为

和

天气雷达在这三个点上相应的降水量校准因子分别为

和

则构建某个三维空间直角坐标系O-X-Y-V，其内有三个空间点坐标分别为

和

通过这三个空间点进行平面插值，得到当前网格位置点(x′,y′)所对应的降水量校准因子估计值V_i,j；

所述步骤S7中所述的通过三个空间点

和

进行平面插值，计算当前网格位置点(x′,y′)所对应的降水量校准因子估计值V_i,j，可表示为：

其中，

步骤S8：当前网格位置点(x′,y′)若不处于P个小三角形的任何一个上时，利用所述步骤S2中所述的所有K个参考位置点处的降水量校准因子V_k，计算出平均值作为当前网格位置点所对应的降水量校准因子估计值

步骤S9：在得到天气雷达极坐标观测区域网格上所有M×N个网格位置采样点对应的降水量校准因子V_i,j后，与天气雷达在对应位置的降水量观测值I_i,j相乘，得到每个网格位置点上校准后的降雨量值G′_i,j＝V_i,j×I_i,j，完成雷达定量测量降水校准，其中i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1。

此外，上述实施例中所述步骤8中当网格位置点若不处于所有剖分出的小三角形的任何一个上时，并不局限使用所有参考位置点处的降水量校准因子的平均值作为当前网格位置点所对应的降水量校准因子估计值，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如，使用所有参考位置点处的降水量校准因子的中值作为当前网格位置点所对应的降水量校准因子估计值。

综上，本发明提供了一种利用多个雨量计对雷达定量测量降水进行校准的方法，对于区域内要计算校准因子的均匀地理网格采样点，利用其所在的一小块三角形子区域上三个顶点处的雨量计的校准因子进行空间插值得到这一点的校准因子，而由空间分布的雨量计离散位置对整个区域进行三角剖分采用Delaunay三角剖分方法。本发明技术方案相比传统校准方案可得到的更精确的校准值。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种雷达定量测量降水的校准方法，其特征在于，包括：

步骤1，在天气雷达的极坐标观测区域内挑选多个位置点，并在这些位置点处分别布置雨量计，其中，所述雨量计测得的降水量为第一降水量，天气雷达在所述多个位置点处测量的降水量为第二降水量；

步骤2，根据第一降水量和第二降水量计算出每个所述位置点处的降水量校准因子；

步骤3，将所述多个位置点的坐标转化为二维直角坐标并组成有限点集；

步骤4，对所述有限点集进行三角剖分，从而得到多个三角形；

步骤5，判断天气雷达极坐标观测区域网格上的某一个位置点处于某一所述三角形上，如果是，执行步骤6，否则执行步骤7；

步骤6，根据天气雷达在三角形的三个点上的降水量校准因子及其直角坐标构建三维空间直角坐标系，通过所述三维空间直角坐标系中的所述三个点进行平面插值，以得到当前位置点所对应的降水量校准因子估计值，然后执行步骤8；

步骤7，将步骤2中的所有位置点处的降水量校准因子的平均值作为当前位置点所对应的降水量校准因子估计值，然后执行步骤8；

步骤8，根据所述降水量校准因子估计值和天气雷达在相应位置处的降水量观测值，得到每个位置点上经过校准后的降水量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1在挑选位置点时，尽可能大地且均匀地覆盖到整个天气雷达的观测区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，采用Delaunay三角剖分方法对有限点集进行三角剖分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，通过所述三维空间直角坐标系中的所述三个点进行平面插值，以得到当前位置点所对应的降水量校准因子估计值包括：

其中，

其中，V_i,j计算当前位置点(x′,y′)所对应的降水量校准因子估计值；

为三维空间直角坐标系中的所述三个点的坐标。

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