CN115047463B - 一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，属于气象雷达技术领域，所述协同扫描调度方法包括：S1、根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离；S2、计算所有可调度雷达范围内最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级；S3、判断所有可调度雷达范围内的最优垂直剖析雷达；S4、计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描。本发明通过算法判断雷达是否在降雨区域，结合雷达所在区域的降雨强度和可调度的X波段雷达综合判断分配执行协同扫描垂直剖析强对流天气的雷达。

Description

一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法

技术领域

本发明涉及气象雷达技术领域，尤其涉及一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法。

背景技术

气象雷达在强天气监测和预警方面发挥了不可替代的重要作用，为减少由于气象灾害导致的人员和财产损失方面起到了关键性作用，但是目前灾害性天气相关雷达回波资料的收集多是基于现有业务运行雷达的观测数据，扫描策略单一，同时，天气雷达受到地球曲率、电磁波折射、地形及观测模式等因素限制，对近地面天气过程的观测存在观测盲区，制约了低空区域危害性天气的监测与预警能力，特别是在复杂地形或者雷达站网稀疏区，观测盲区更为普遍；开展多部天气雷达组网协同观测，通过不同扫描策略，利用有限规模观测网获得降水系统垂直结构高分辨数据，对分析灾害型天气形成机理尤为重要，主要目的是识别与跟踪容易引发自然灾害的强对流天气过程，并获取强对流天气垂直剖面上的高时空分辨率气象结构，以反演强对流天气垂直剖面上粒子相态，从而能够更好的分析该天气过程的信息。

多部天气雷达组网协同观测，由于现有业务雷达扫描策略单一，X波段雷达可自由控制扫描进行协同控制，X波段雷达由于波长较短，衰减系数较大，在调度X波段雷达进行协同扫描垂直剖析强对流天气过程时，如果调度的X波段雷达所在区域为降雨区域，在进行协同扫描垂直剖析强对流天气由于衰减的影响，电磁波被完全吸收无法穿透降雨区域，导致无法探测到降雨区域以外的回波。因此，如何解决调度降雨区域X波段雷达进行协同扫描垂直剖析强对流天气时，无法获取强对流天气垂直剖面上的高时空分辨率气象结构信息是目前需要考虑的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，解决了现有调度降雨区域X波段雷达进行协同扫描垂直剖析强对流天气时，无法获取强对流天气垂直剖面上的高时空分辨率气象结构信息的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，所述协同扫描调度方法包括：

S1、根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离；

S2、计算所有可调度雷达范围内最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级；

S3、判断所有可调度雷达范围内的最优垂直剖析雷达；

S4、计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描。

所述计算所有可调度雷达范围内最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级包括：

S21、获取雷达拼图数据的最小经度、最大经度、最小纬度和最大纬度，并根据最小经度、最大经度、最小纬度和最大纬度确定组合反射率组网数据范围；

S22、在组合反射率组网数据范围内以每个可调度雷达站点为中心，以影响雷达观测的降雨范围的距离N为边长确定每个可调度雷达站点影响雷达观测的正方形区域；

S23、根据每个可调度雷达站点的经纬度计算正方形区域对象的经纬度范围，并确定正方形对应的组合反射率组网数据位置；

S24、计算每个可调度雷达站点正方形区域范围内反射率的最大值，并根据最大反射率值确定对应的降雨等级。

所述判断所有可调度雷达范围内的最优垂直剖析雷达包括：

S31、根据计算得到的所有可调度雷达与目标距离D_i，计算D_i与最佳观测距离的差值Dif_i，其中i＝1…n，n为可调度雷达总数；

S32、将所有可调度雷达对应的差值Dif_i进行排序，并判断各个雷达站点所在区域的降雨等级；

S33、如果当前可调度雷达站点所在区域的降雨等级小于预设等级，则确认当前可调度雷达站点为执行雷达，否则对下一个可调度雷达站点所在区域的降雨等级进行判断直到找到满足执行需求的可调度雷达或者所有雷达站点全部完成判断。

所述计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描包括：根据执行雷达与目标之间的地面距离和高度通过勾股定理计算得到目标与执行雷达的相对仰角a，将执行雷达扫描方式设置为垂直剖面扫描模式，并设置扫描仰角范围为最低仰角0.5°到a，发送扫描命令给执行雷达，执行雷达在扫描仰角范围内进行扫描。

所述根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离包括：

S11、获取所有可调度雷达站点和目标的经纬度，并以0度经线为基准，对所有可调度雷达站点和目标的经纬度进行处理；

S12、根据处理后的经纬度位置和目标经纬度位置计算各个可调度雷达站点与目标之间的距离。

所述根据每个可调度雷达站点的经纬度计算正方形区域对象的经纬度范围包括：

A1、设可调度雷达站点为经纬度为(long1,lat1)，方位角为α，以水平平移距离d*sinα除以当前维度切面周长2π*arc，再乘以360°得到水平横向平移的度数，最后加上long1得到该可调度雷达站点正方形区域某一角的经度值long2，即

其中，d为两点之间的距离，ARC为地球平均半径，arc为对应纬度圈上的球半径；

A2、以垂直平移距离d*cosα除以地球纵向周长，再乘以360°得到纵向平移的度数，最后加上lat1得到该可调度雷达站点正方形区域某一角的纬度值lat2，即lat2＝lat1+d*cosα/[ARC*2π/360]；

A3、重复步骤A1和A2得到每个可调度雷达站点正方形区域四个角的经纬度值，进而确定每个可调度雷达站点正方形对应的经纬度范围。

所述确定正方形对应的组合反射率组网数据位置包括：

B1、根据得到的每个可调度雷达站点正方形对应的经纬度范围和组合反射率数据的边界，以正方形某一角为数据起点位置计算正方形对应的组合反射率的横向和纵向网格序号；

B2、然后将正方形区域划分为组合反射率等分辨率的网格，根据数据起点位置的起点序号遍历正方形区域内所有对应的组合反射率值。

本发明具有以下优点：一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，通过算法判断雷达是否在降雨区域，结合雷达所在区域的降雨强度和可调度的X波段雷达综合判断分配执行协同扫描垂直剖析强对流天气的雷达。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为正方形区域与组合反射组网数据的对应关系示意图；

图3为经纬度和距离计算示意图；

图4为地球简易图；

图5为正方形对应的组合反射率组网数据位置示意图；

图6为执行雷达与目标位置关系示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

X波段雷达由于波长较短，衰减系数较大，在调度X波段雷达进行协同扫描垂直剖析强对流天气过程时，如果调度的X波段雷达所在区域为降雨区域，在进行协同扫描垂直剖析强对流天气由于衰减的影响，电磁波被完全吸收无法穿透降雨区域，导致无法探测到降雨区域以外的回波。

因此，如图1所示，本发明涉及一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，通过算法判断雷达是否在降雨区域，结合雷达所在区域的降雨强度和可调度的X波段雷达综合判断分配执行协同扫描垂直剖析强对流天气的雷达，从而解决调度降雨区域X波段雷达进行协同扫描垂直剖析强对流天气时，无法获取强对流天气垂直剖面上的高时空分辨率气象结构；其具体包括以下内容：

S1、根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离；

进一步地，地球是一个近乎标准的椭球体，它的赤道半径为6378.140千米，极半径为6356.755千米，平均半径6371.004千米。如果我们假设地球是一个完美的球体，那么它的半径就是地球的平均半径，记为R。如果以0度经线为基准，那么根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离(这里忽略地球表面地形对计算带来的误差，仅仅是理论上的估算值)。设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，那么根据三角推导，可以得到计算两点距离的如下公式：

C＝sin(LatA)*sin(LatB)*cos(LonA-LonB)+cos(LatA)*cos(LatB)

Distance＝R*arccos(C)*3.1415926/180

因此，根据上面的公式根据雷达站点经纬度位置与目标经纬度位置计算各雷达与目标距离Distance。

S2、计算所有可调度雷达范围内最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级；

进一步地，组合反射率组网数据(雷达拼图数据)范围的最小经度为minLonPZ、最大经度为maxLonPZ、最小纬度为minLatPZ、最大纬度为maxLatPZ，可调度雷达站点(R1、R2、R3等)。可调度雷达以雷达为中心，获取边长为2km的正方形区域与组合反射率组网数据的对应关系如图2所示，其中雷达2km范围内降雨都会对X波段雷达观测有严重影响，故取2km范围内雷达回波数据最大值。

进一步地，以雷达站点为中心，获取边长为2km的正方形区域内的最强反射率值获取方法如下：

1、根据雷达站点经纬度和正方形边长，获取正方形对应的经纬度范围；

如图3和图4所示，假设方位角是α，那从点1(long1,lat1)到点2(long2,lat2)的平移距离分别如下所示d*sinα，d*cosα，这里正北为0度，其中点1经纬度(long1,lat1)和距离d是已知的，求点2的经纬度(long2,lat2)。但是考虑地球是个椭球体，这里取地球平均半径ARC＝6371km，arc为对应纬度圈上的球半径。

(1)、计算第二点的经度，就是水平平移的距度(d*sinα)除以当前纬度切面周长(2π*arc)，再乘以360度，就知道了水平横向平移了多少度，再加上long1，就是long2的值了，即

(2)、计算第二点的纬度，比较简单，就是垂直平移的距离d*cosα除以地球纵向周长，再乘上360度，就知道纵向平移了多少度，再加上lat1，就知道lat2的值了，lat2＝lat1+d*cosα/[ARC*2π/360]

采用上述已知一点的经纬度(long1，lat1)，两点之间的距离d和方位角α，计算另一点的经纬度(long2，lat2)的方法，根据雷达站点经纬度度，及正方形边长信息，获取正方形对应的经纬度范围。

2、确定正方形对应的组合反射率组网数据位置；

如图5所示，图中R为示例雷达站点，A、B、C、D为以雷达站点为中心，边长为2km的正方形网格点，A1、B1、C1、D1为正方形映射到组合反射率组网网格位置。

根据上面计算得到的正方形的边界经纬度和组合反射率数据的边界，以左上角为数据起点，计算正方形对应的组合反射率的横向和纵向网格序号，然后将正方形区域划分成组合反射率等分辨率的网格，根据左上角的起点序号，可遍历所有正方形区域对应的组合反射率值。

3、计算可调度雷达站点2km范围内反射率的最大值MAX；

遍历雷达站点2km正方形范围内的多个组合反射率格点数据，取出其中的最大值(文件中存储的为加权值M)，并转换为真值(dBZ)；加权解析方法如下：

dBZ＝M*0.5-33

4、确定可调度雷达站点对应的降雨等级；

根据历史天气过程统计显示，降雨等级与反射率值的大小存在以下对应关系：

将可调度雷达站点2km范围内反射率的最大值MAX与上面进行判断，得到对应的降雨等级。

S3、判断所有可调度雷达范围内的最优垂直剖析雷达；

进一步地，协同垂直剖析目标最佳观测距离为20km，所以根据距离的绝对值对雷达进行排序处理。

可调度雷达与目标距离D_i(i＝1…n)，n为可调度雷达总数，求D_i与最佳观测距离的差值Dif_i：

Dif_i＝|D_i-20|

将所有可调度雷达对应的差值Dif_i进行升序排列；针对升序排列后的雷达，依次进行雷达站点所在区域的降雨等级的判断，若当前雷达站点所在区域的降雨等级小于大雨等级(即MAX值大于25DBZ)，则确认当前可调度雷达为可执行雷达，进行垂直剖析起始和结束仰角等参量计算；否则，进行下一个可调度雷达的降雨等级判断，直到找到满足可执行需求的雷达或者所有可执行雷达全部判断完成。

S4、计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描。

进一步地，计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描包括：根据执行雷达与目标之间的地面距离和高度通过勾股定理计算得到目标与执行雷达的相对仰角a，将执行雷达扫描方式设置为垂直剖面扫描模式，并设置扫描仰角范围为最低仰角0.5°到a，发送扫描命令给执行雷达，执行雷达在扫描仰角范围内进行扫描。

具体为，如图6所示，已知执行雷达与目标A之间的地面距离，和目标A的高度，示意图如下，根据勾股定理可获取目标与执行雷达的相对仰角a，tan(a)＝h/m。

设C＝tan(a)，则a＝tan^-1C，将执行雷达扫描方式修改为RHI(垂直剖析)扫描模式，并设置扫描仰角从0.5°到a°，发送扫描命令给执行雷达。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述协同扫描调度方法包括：

S1、根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离；

S2、计算每个可调度雷达站点影响雷达观测的降雨范围内的最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级；

S3、判断选出所有可调度雷达中的最优垂直剖析雷达；

判断选出所有可调度雷达范围内的最优垂直剖析雷达包括：

S31、根据计算得到的所有可调度雷达与目标的距离D_i，计算D_i与最佳观测距离的差值Dif_i，其中i=1…n，n为可调度雷达总数；

S32、将所有可调度雷达对应的差值Dif_i进行排序，并判断各个雷达站点所在区域的降雨等级；

S33、如果当前可调度雷达站点所在区域的降雨等级小于预设等级，则确认当前可调度雷达站点为最优垂直剖析雷达，即执行雷达，否则对下一个可调度雷达站点所在区域的降雨等级进行判断直到找到满足执行需求的可调度雷达或者所有雷达站点全部完成判断；

S4、计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描。

2.根据权利要求1所述的一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述计算每个可调度雷达站点影响雷达观测的降雨范围内的最大反射率值，并根据最大反射率值确定所在区域降雨等级包括：

S21、获取雷达拼图数据的最小经度、最大经度、最小纬度和最大纬度，并根据最小经度、最大经度、最小纬度和最大纬度确定组合反射率组网数据范围；

S22、在组合反射率组网数据范围内以每个可调度雷达站点为中心，以影响雷达观测的降雨范围的距离N为边长确定每个可调度雷达站点影响雷达观测的正方形区域；

S23、根据每个可调度雷达站点的经纬度计算正方形区域对象的经纬度范围，并确定正方形对应的组合反射率组网数据位置；

S24、计算每个可调度雷达对应正方形区域范围内组合反射率的最大值，并根据最大反射率值确定对应的降雨等级。

3.根据权利要求1所述的一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述计算执行雷达扫描仰角，并调度执行雷达以垂直剖析扫描模式在扫描仰角范围内进行扫描包括：根据执行雷达与目标之间的地面距离和高度通过勾股定理计算得到目标与执行雷达的相对仰角a，将执行雷达扫描方式设置为垂直剖面扫描模式，并设置扫描仰角范围为最低仰角0.5°到a，发送扫描命令给执行雷达，执行雷达在扫描仰角范围内进行扫描。

4.根据权利要求1所述的一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述根据协同扫描垂直剖析目标经纬度和高度计算所有可调度雷达与目标之间的距离包括：

S11、获取所有可调度雷达站点和目标的经纬度，并以0度经线为基准，对所有可调度雷达站点和目标的经纬度进行处理；

S12、根据处理后的可调度雷达站点经纬度位置和目标经纬度位置计算各个可调度雷达站点与目标之间的距离。

5.根据权利要求2所述的一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述根据每个可调度雷达站点的经纬度计算正方形区域对象的经纬度范围包括：

A1、设可调度雷达站点为经纬度为（long1, lat1），方位角为α，以水平平移距离d*sinα除以当前纬度切面周长，再乘以360°得到水平横向平移的度数，最后加上long1得到该可调度雷达站点正方形区域某一角的经度值long2，即

，其中，d为两点之间的距离，ARC为地球平均半径；

A2、以垂直平移距离d*cosα除以地球纵向周长，再乘以360°得到纵向平移的度数，最后加上lat1得到该可调度雷达站点正方形区域某一角的纬度值lat2，即

；

A3、重复步骤A1和A2得到每个可调度雷达站点正方形区域四个角的经纬度值，进而确定每个可调度雷达站点正方形对应的经纬度范围。

6.根据权利要求5所述的一种考虑降雨区域雷达回波衰减协同扫描调度方法，其特征在于：所述确定正方形对应的组合反射率组网数据位置包括：

B1、根据得到的每个可调度雷达站点正方形对应的经纬度范围和组合反射率数据的边界，以正方形某一角为数据起点位置计算正方形对应的组合反射率的横向和纵向网格序号；

B2、然后将正方形区域划分为组合反射率等分辨率的网格，根据数据起点位置的起点序号遍历正方形区域内所有对应的组合反射率值。

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