CN116430390B - 一种面向资料同化的s波段双偏振雷达质量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，包括以下步骤：（1）按照雷达数据的标准格式读取S波段双偏振雷达体扫基数据；（2）基于模糊逻辑算法，将每一库具有最大聚合值的分类初步视为该库的水凝物分类识别结果，用水凝物阈值和热启动模式场信息进一步修正识别结果，根据最终的水凝物分类结果，剔除识别为地物回波和生物回波处的观测；（3）基于相关系数、信噪比、比差分相移进行阈值检查；（4）将对于某一径向库，以该点为中心取3×3范围的扇形区域，进行孤立观测点的剔除；（5）采用中值滤波方法过滤掉雷达观测的高频脉动；（6）气象雷达回波；本发明有效识别地物回波和生物回波，去除了雷达非气象回波。
Description
技术领域
本发明涉及大气科学类技术领域，尤其涉及一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法。
背景技术
相较于常规多普勒天气雷达的探测量包括反射率因子和径向风，双偏振天气雷达能够发射并接收水平和垂直两个方向的极化电磁波，因此提供了目标探测物的微物理信息如差分反射率、比差分相移、相关系数等，这些探测量是云和降水粒子类型、形状、大小、朝向的反映。因此，在数值模式中同化双偏振雷达资料以提高预报技巧有着广阔的应用前景。
目前应用于雷达资料的同化方法主要包括三维变分、四维变分、集合-变分、集合卡尔曼滤波等。无论采用哪种同化方法，均需依靠观测资料对模式第一猜想进行修正从而减小模式初始场的误差。虽然大多数同化系统都存在背景场检验的步骤以剔除部分的异常观测值，然而在计算观测资料的统计特征时，较大偏差的异常值会影响到样本平均值和标准差的计算，从而给异常观测的识别判定带来障碍，甚至错误地剔除正确的观测值。因此在同化前需要对雷达资料进行质量控制以确保进入同化系统的雷达资料尽可能真实地反映实际大气的状态。
近二十余年来，随着双偏振雷达硬件技术的发展、理论研究的加深、组网布局的完善，国内外专家学者们在双偏振雷达质量控制方面取得了一系列卓有成效的研究成果，然而服务于资料同化的双偏振雷达质量控制方案却很少。我国的灾害性天气（如台风、暴雨、强对流等）主要发生在东南沿海经济发达地区，由于这类地区雨滴谱半径较大，雷达波长多为S波段以抑制回波衰减，开发一套用于资料同化的S波段双偏振雷达质量控制系统进而提高灾害性天气数值预报水平是一项十分重要的工作。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法剔除S波段双偏振雷达非气象或质量不高的雷达回波，保留雷达气象回波，并与高分辨率数值模式相适应，使经过处理后的雷达资料能够直接用于同化。
技术方案：本发明所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，包括以下步骤：
（1）按照雷达数据的标准格式读取S波段双偏振雷达体扫基数据；
（2）基于模糊逻辑算法，将每一库具有最大聚合值的分类初步视为该库的水凝物分类识别结果，用水凝物阈值和热启动模式场信息进一步修正识别结果，根据最终的水凝物分类结果，剔除识别为地物回波和生物回波处的观测；
（3）基于相关系数、信噪比、比差分相移进行阈值检查；
（4）将对于某一径向库，以该点为中心取3×3范围的扇形区域，进行孤立观测点的剔除；
（5）采用中值滤波方法过滤掉雷达观测的高频脉动；
（6）气象雷达回波。
进一步的，所述步骤（1）包括：反射率因子、径向风RV、差分反射率、差分相位、比差分相移、相关系数、信噪比SNR。
进一步的，所述步骤（1）还包括读取由数值模式热启动至雷达观测时刻的模式场信息，包括：零度层高度和最低雪类水凝物高度。
进一步的，所述步骤（2）包括以下步骤：
（21）运用公式(1)至(5)计算比差分相位的对数/>、反射率因子的标准差、差分相位的标准差/>；在计算反射率因子的标准差/>和差分相位的标准差/>时分别用到1km 5个点和2km 9个点距离库内的观测值；
；
；
；
；
；
（22）计算每一类回波的聚合值，公式如下：
；
其中，表示权重；/>为梯形函数定义的成员函数，公式如下：
；
其中，、/>、/>和/>分别表示为梯形函数的四个端点；
（23）将每一库具有最大聚合值的类初步视为该库的水凝物分类识别结果，当变量超出阈值范围便取聚合值次高的分类；
（24）由热启动模式场读取的零度层高H0DEG和最低雪类水凝物高度HQS取算数平均计算中间高度HMID，即：
；
将雷达观测库的方位坐标投影到数值模式的网格坐标，投影后的高度记为ObsAlt；
Ⅰ. 若ObsAlt<HQS，剔除干雪DS、湿雪WS、不同取向的冰晶CR、霰GR；
Ⅱ. 若HQS<ObsAlt<HMID，剔除干雪DS、不同取向的冰晶CR、大雨HR；
Ⅲ. 若HMID<ObsAlt<H0DEG，剔除不同取向的冰晶CR、小到中雨RA、大雨HR；
Ⅳ. 若ObsAlt>H0DEG，剔除地物回波GC/AP、生物回波BS、湿雪WS、大滴BD、小到中雨RA、大雨HR；
（25）根据水凝物分类结果，剔除回波类型识别为地物回波GC/AP和生物回波BS库对应的观测量。
进一步的，所述步骤（21）1km5个点为：该库及其前后2个库的观测量，即(i-2,j)、(i-1,j)、(i,j)、(i+1,j)、(i+2,j)；2km9个点为：该库及其前后4个库的观测量，即(i-4,j)、(i-3,j) 、(i-2,j)、(i-1,j)、(i,j)、(i+1,j)、(i+2,j)、(i+3,j)、(i+4,j)。
进一步的，所述步骤（3）具体如下：
当某库相关系数时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库信噪比SNR<10 dB时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库比差分相移<0.01°km-1时，剔除该库的比差分相移。
进一步的，所述步骤（4）具体如下：设取某一径向库（i，j）为中心的3×3范围扇形区域，若区域内有效观测数量小于3，则剔除该点的观测量。需要通过孤立点剔除的观测量包括反射率因子、径向风RV、差分反射率、比差分相移、相关系数。
进一步的，所述步骤（5）具体如下：设对于某径向上第i个距离库，取滤波窗口长度为N，同时取该库前后距离的观测，组成一组观测序列，将这N个数按大小排列，取排列后的中位数作为该距离库的观测，即
；
其中，N为奇数；需要经过中值滤波的量有反射率因子、差分反射率、比差分相移；取反射率因子和比差分相移的窗口长度为5，差分反射率的窗口长度为9。
本发明所述的一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
本发明所述的一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：相较于传统的雷达资料质量控制方法，本发明引入了水凝物识别算法对雷达观测进行初步的水凝物分类，再结合热启动数值模式场信息对水凝物分类结果进行进一步的订正，并加入了阈值检验，能够有效识别地物回波和生物回波，较干净地去除了雷达非气象回波。同时考虑到雷达观测和数值模式分辨率不匹配的问题，对雷达资料进行中值滤波的处理，过滤掉雷达气象回波径向的高频脉动。经过处理后的S波段雷达观测已能用于双偏振雷达的资料同化。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明3×3范围扇形区域取值法。
实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，包括以下步骤：
（1）按照雷达数据的标准格式读取S波段双偏振雷达体扫基数据；包括：包括反射率因子、径向风、差分反射率、差分相位、比差分相移、相关系数、信噪比；读取由数值模式热启动至雷达观测时刻的模式场信息，包括：零度层高度和最低雪类水凝物高度。
（2）基于模糊逻辑算法，将每一库具有最大聚合值的分类初步视为该库的水凝物分类识别结果，用水凝物阈值和热启动模式场信息进一步修正识别结果，根据最终的水凝物分类结果，剔除识别为地物回波和生物回波处的观测；包括以下步骤：
（21）运用公式(1)至(5)计算比差分相位的对数/>、反射率因子的标准差/>、差分相位的标准差/>；在计算反射率因子的标准差/>和差分相位的标准差/>时分别用到1km 5个点和2km 9个点距离库内的观测值；
；
；
；
；
；
（22）计算每一类回波的聚合值，公式如下：
；
其中，表示权重，如表1所示；/>为梯形函数定义的成员函数，公式如下：
；
其中，、/>、/>和/>分别表示为梯形函数的四个端点；如表2所示。
表1
表2
表格中的变量、/>、/>、/>、/>由以下公式给出：
；
；
；
；
；
（23）将每一库具有最大聚合值的类初步视为该库的水凝物分类识别结果，基于初步识别的结果加上表3所设定的阈值检查；当变量超出阈值范围便取聚合值次高的分类；
表3
其中，
；
（24）由热启动模式场读取的零度层高H0DEG和最低雪类水凝物高度HQS取算数平均计算中间高度HMID，即：
；
将雷达观测库的方位坐标投影到数值模式的网格坐标，投影后的高度记为ObsAlt；
Ⅰ. 若ObsAlt<HQS，剔除干雪DS、湿雪WS、不同取向的冰晶CR、霰GR；
Ⅱ. 若HQS<ObsAlt<HMID，剔除干雪DS、不同取向的冰晶CR、大雨HR；
Ⅲ. 若HMID<ObsAlt<H0DEG，剔除不同取向的冰晶CR、小到中雨RA、大雨HR；
Ⅳ. 若ObsAlt>H0DEG，剔除地物回波GC/AP、生物回波BS、湿雪WS、大滴BD、小到中雨RA、大雨HR；
（25）根据水凝物分类结果，剔除回波类型识别为地物回波GC/AP和生物回波BS库对应的观测量。
（3）基于相关系数、信噪比、比差分相移进行阈值检查；具体如下：
当某库相关系数时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库信噪比SNR<10 dB时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库比差分相移<0.01°km-1时，剔除该库的比差分相移。
（4）将对于某一径向库，以该点为中心取3×3范围的扇形区域，进行孤立观测点的剔除；具体如下：设取某一径向库（i，j）为中心的3×3范围扇形区域，若区域内有效观测数量小于3，则剔除该点的观测量。需要通过孤立点剔除的观测量包括反射率因子、径向风RV、差分反射率、比差分相移、相关系数。
（5）采用中值滤波方法过滤掉雷达观测的高频脉动；具体如下：设对于某径向上第i个距离库，取滤波窗口长度为N，同时取该库前后距离的观测，组成一组观测序列，将这N个数按大小排列，取排列后的中位数作为该距离库的观测，即
；
其中，N为奇数；需要经过中值滤波的量有反射率因子、差分反射率、比差分相移；取反射率因子和比差分相移的窗口长度为5，差分反射率的窗口长度为9。
（6）气象雷达回波。
本发明实施例还提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
Claims (9)
1.一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照雷达数据的标准格式读取S波段双偏振雷达体扫基数据；
（2）基于模糊逻辑算法，将每一库具有最大聚合值的分类初步视为该库的水凝物分类识别结果，用水凝物阈值和热启动模式场信息进一步修正识别结果，根据最终的水凝物分类结果，剔除识别为地物回波和生物回波处的观测；包括以下步骤：
（21）运用公式(1)至(5)计算比差分相位的对数/>、反射率因子的标准差、差分相位的标准差/>；在计算反射率因子的标准差/>和差分相位的标准差/>时分别用到1km 5个点和2km 9个点距离库内的观测值；
；
；
；
；
；
（22）计算每一类回波的聚合值，公式如下：
；
其中，表示权重；/>为梯形函数定义的成员函数，公式如下：
；
其中，、/>、/>和/>分别表示为梯形函数的四个端点；
（23）将每一库具有最大聚合值的类初步视为该库的水凝物分类识别结果，当变量超出阈值范围便取聚合值次高的分类；
（24）由热启动模式场读取的零度层高H0DEG和最低雪类水凝物高度HQS取算数平均计算中间高度HMID，即：
；
将雷达观测库的方位坐标投影到数值模式的网格坐标，投影后的高度记为ObsAlt；
Ⅰ. 若ObsAlt<HQS，剔除干雪DS、湿雪WS、不同取向的冰晶CR、霰GR；
Ⅱ. 若HQS<ObsAlt<HMID，剔除干雪DS、不同取向的冰晶CR、大雨HR；
Ⅲ. 若HMID<ObsAlt<H0DEG，剔除不同取向的冰晶CR、小到中雨RA、大雨HR；
Ⅳ. 若ObsAlt>H0DEG，剔除地物回波GC/AP、生物回波BS、湿雪WS、大滴BD、小到中雨RA、大雨HR；
（25）根据水凝物分类结果，剔除回波类型识别为地物回波GC/AP和生物回波BS库对应的观测量；
（3）基于相关系数、信噪比、比差分相移进行阈值检查；
（4）将对于某一径向库，以某一径向库为中心取3×3范围的扇形区域，进行孤立观测点的剔除；
（5）采用中值滤波方法过滤掉雷达观测的高频脉动，得到气象雷达回波。
2.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：反射率因子、径向风RV、差分反射率、差分相位、比差分相移、相关系数、信噪比SNR。
3.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（1）还包括读取由数值模式热启动至雷达观测时刻的模式场信息，包括：零度层高度和最低雪类水凝物高度。
4.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（21）1km5个点为：该库及其前后2个库的观测量，即(i-2,j)、(i-1,j)、(i,j)、(i+1,j)、(i+2,j)；2km9个点为：该库及其前后4个库的观测量，即(i-4,j) 、(i-3,j) 、(i-2,j)、(i-1,j)、(i,j)、(i+1,j)、(i+2,j)、(i+3,j)、(i+4,j)。
5.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（3）具体如下：
当某库相关系数时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库信噪比SNR<10 dB时，剔除该库的反射率因子、径向风、差分反射率、比差分相移、相关系数；
当某库比差分相移<0.01°km-1时，剔除该库的比差分相移。
6.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（4）具体如下：设取某一径向库（i，j）为中心的3×3范围扇形区域，若区域内有效观测数量小于3，则剔除该点的观测量；需要通过孤立点剔除的观测量包括反射率因子、径向风RV、差分反射率、比差分相移、相关系数。
7.根据权利要求1所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法，其特征在于，所述步骤（5）具体如下：设对于某径向上第i个距离库，取滤波窗口长度为N，同时取该库前后距离的观测，组成一组观测序列/>，将这N个数按大小排列，取排列后的中位数作为该距离库的观测，即
；
其中，N为奇数；需要经过中值滤波的量有反射率因子、差分反射率、比差分相移；取反射率因子和比差分相移的窗口长度为5，差分反射率的窗口长度为9。
8.一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
9.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行如权利要求1-7中任一项所述的一种面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制方法中的步骤。
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