專利名稱：一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣象學(xué)中對(duì)中氣旋的識(shí)別領(lǐng)域，特別涉及一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
氣象工作者經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)有92%以上、美國(guó)有90%以上的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴[1](如暴雨、強(qiáng)風(fēng)、冰雹和龍卷等)都會(huì)伴隨中氣旋的發(fā)生和發(fā)展，尤其是中氣旋一般會(huì)在強(qiáng)風(fēng)暴襲來(lái)之前的一段時(shí)間就實(shí)際存在。1994年，Stumpf和Witt提出了新的中氣旋識(shí)別方法(E-MDA)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中不斷地調(diào)整一些重要參數(shù)值，然后反復(fù)地比較結(jié)果，最后終于取得重大突破，將識(shí)別率提高了 12%左右[2]。隨后他們?cè)?998年又提出了融合其他算法的改進(jìn)版本(MDA)，NSSL(美國(guó)國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室)新的中氣旋探測(cè)方法MDA首先確定具有氣旋切變的段，然后組成二維特征，二維特征的強(qiáng)度分成了 25個(gè)等級(jí)。對(duì)二維特征進(jìn)行垂直相關(guān)分析得到三維特征，三維特征還要進(jìn)行時(shí)間相關(guān)分析以確定它的發(fā)展歷史。運(yùn)用于實(shí)際探測(cè)當(dāng)中，通過(guò)理論分析和不斷的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，證明了該方法具有較高的準(zhǔn)確率[3]。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中存在以下不足(1)由于目前廣泛使用的氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)軟件PUP是根據(jù)美國(guó)的天氣特征來(lái)編寫(xiě)的，在實(shí)際的業(yè)務(wù)運(yùn)行中由于地區(qū)不同，適應(yīng)性較差，識(shí)別的準(zhǔn)確率較低，漏報(bào)率和錯(cuò)報(bào)率較高；(2) NSSL MDA需要對(duì)平均徑向速度圖上距雷達(dá)距離相等的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐一掃描，可能會(huì)產(chǎn)生漏報(bào)或者報(bào)弱的情況，并且無(wú)法檢測(cè)到反氣旋式旋轉(zhuǎn)，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐一掃描大大增加了方法的時(shí)間和空間復(fù)雜度；(3)由于采用不適當(dāng)?shù)耐四：幚頃?huì)產(chǎn)生虛假的中氣旋；(4)雖然通過(guò)對(duì)閾值參數(shù)的降低可以檢測(cè)出幾乎所有的渦旋，但是同時(shí)提高了誤警率，且閾值的調(diào)整具有人為等客觀因素，具有不確定性；(5)僅對(duì)三維信息進(jìn)行了分類，但沒(méi)有研究純旋轉(zhuǎn)、輻合旋轉(zhuǎn)和輻散旋轉(zhuǎn)對(duì)于中氣旋的識(shí)別作用，使得識(shí)別結(jié)果不完整。參考文獻(xiàn)[I]胡明寶，高太長(zhǎng)，湯達(dá)章，多普勒天氣雷達(dá)資料分析與應(yīng)用[M]，北京解放軍出版社，2000[2]Stumpf G J, Witt A. The new NSSL mesocyclone detection algorithmfunctional description[C], National Severe Storms Laboratory,1994,24(6) :195-202[3]Stumpf G J,ffitt A,Mitchell E D.The National Severe Storms Laboratorymesocyclone detection algorithm for the WSR-88D[J]. Weather and Forecasting,1998,13(2) :304-32
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，本發(fā)明降低了時(shí)間和空間的復(fù)雜度，消除了虛假的中氣旋，提高了識(shí)別率、降低了誤報(bào)率以及提高了工作效率，詳見(jiàn)下文描述
一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，所述方法包括以下步驟(I)對(duì)L 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理,獲取有效反射率區(qū)域Fl ；(2)對(duì)所述有效反射率區(qū)域Fl和所述有效反射率區(qū)域Fl對(duì)應(yīng)的徑向速度圖進(jìn)行信息融合，獲取限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像R(x，y)；(3)對(duì)所述限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像R(x，y)進(jìn)行區(qū)域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區(qū)域和負(fù)徑向速度區(qū)域； (4)通過(guò)速度中心區(qū)域徑向速度值的分布直方圖配置速度對(duì)，得到備選速度對(duì)集合；其中，在含有中氣旋的徑向速度圖V上，針對(duì)雷達(dá)探測(cè)中心，總是存在著一對(duì)距離滿足第一閾值、角度差滿足第二閾值且相鄰的正徑向速度區(qū)域和負(fù)徑向速度區(qū)域，稱為速度對(duì)，其中，正徑向速度區(qū)域定義為正核區(qū)，負(fù)徑向速度區(qū)域定義為負(fù)核區(qū)；(5)從所述備選速度對(duì)集合中剔除偽速度對(duì)；(6)將所述I. 5°仰角反射率圖抬高一個(gè)仰角獲取2. 4°仰角反射率圖，降低一個(gè)仰角獲取0. 5°仰角反射率圖；對(duì)所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理,獲取有效反射率區(qū)域F2 ;對(duì)所述0. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F3 ;重新執(zhí)行步驟
(2) (5)；(7)將所述2.4°仰角反射率圖和所述0.5°仰角反射率圖在相同范圍內(nèi)同時(shí)存在速度對(duì)的區(qū)域識(shí)別成一個(gè)中氣旋。所述對(duì)I. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理,獲取有效反射率區(qū)域F1，對(duì)所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F2具體為對(duì)所述I. 5°仰角反射率圖和所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，濾除弱反射率區(qū)域Q2，分別獲取有效反射率區(qū)域Fl和F2，其中，所述弱反射率區(qū)域Q2具體為反射率小于40dbz的區(qū)域；所述對(duì)所述0. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F3具體為對(duì)所述0. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，濾除超折射回波區(qū)域Q1和弱反射率區(qū)域Q2，獲取所述有效反射率區(qū)域F3，其中，所述超折射回波是虛假的降水回波，所述弱反射率區(qū)域Q2具體為反射率小于40dbz的區(qū)域。所述獲取限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像具體為0.5°仰角仰角反射率圖
權(quán)利要求
1.一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)對(duì)I.5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域Fl ； (2)對(duì)所述有效反射率區(qū)域Fl和所述有效反射率區(qū)域Fl對(duì)應(yīng)的徑向速度圖進(jìn)行信息融合，獲取限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像R(x，y)； (3)對(duì)所述限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像RU，y)進(jìn)行區(qū)域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區(qū)域和負(fù)徑向速度區(qū)域； (4)通過(guò)速度中心區(qū)域徑向速度值的分布直方圖配置速度對(duì)，得到備選速度對(duì)集合；其中，在含有中氣旋的徑向速度圖V上，針對(duì)雷達(dá)探測(cè)中心，總是存在著ー對(duì)距離滿足第一閾值、角度差滿足第二閾值且相鄰的正徑向速度區(qū)域和負(fù)徑向速度區(qū)域，稱為速度對(duì)，其中，正徑向速度區(qū)域定義為正核區(qū)，負(fù)徑向速度區(qū)域定義為負(fù)核區(qū)； (5)從所述備選速度對(duì)集合中剔除偽速度對(duì)； (6)將所述I.5°仰角反射率圖抬高ー個(gè)仰角獲取2.4°仰角反射率圖，降低ー個(gè)仰角獲取0.5°仰角反射率圖；對(duì)所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F2 ;對(duì)所述0. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F3 ;重新執(zhí)行步驟(2) (5)； (7)將所述2.4°仰角反射率圖和所述0.5°仰角反射率圖在相同范圍內(nèi)同時(shí)存在速度對(duì)的區(qū)域識(shí)別成ー個(gè)中氣旋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述對(duì)I. 5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F1，對(duì)所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F2具體為 對(duì)所述I. 5°仰角反射率圖和所述2. 4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，濾除弱反射率區(qū)域Q2，分別獲取有效反射率區(qū)域Fl和F2，其中，所述弱反射率區(qū)域Q2具體為反射率小于40dbz的區(qū)域； 所述對(duì)所述0.5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域F3具體為 對(duì)所述0.5°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，濾除超折射回波區(qū)域Q1和弱反射率區(qū)域Q 2，獲取所述有效反射率區(qū)域F3，其中，所述超折射回波是虛假的降水回波，所述弱反射率區(qū)域Q2具體為反射率小于40dbz的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述獲取限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像具體為、 0.5°仰角仰角反射率圖
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述對(duì)所述限定有效搜索區(qū)域的徑向速度圖像RU，y)進(jìn)行區(qū)域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區(qū)域和負(fù)徑向速度區(qū)域具體為 1)將所述徑向速度圖像R(x，y)中的像素值不為O且不為255的點(diǎn)定義為種子點(diǎn)，計(jì)算以所述種子點(diǎn)生長(zhǎng)出的連通域O的面積S; 2)若面積S大于閾值上限S1或小于閾值下限S2，將所述連通域0標(biāo)記為背景色； 3)若S2彡S彡S1，則連通域O中點(diǎn)的像素值為255； 當(dāng)完成區(qū)域分割后，將得到的像素值為255的點(diǎn)還原為原像素值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述通過(guò)速度中心區(qū)域徑向速度值的分布直方圖配置速度對(duì)，得到備選速度對(duì)集合，具體為 1)獲取ー張經(jīng)信息融合和區(qū)域分割處理之后的0.5°或I.5°或2. 4°仰角的徑向速度圖，繪制圖中由所述正核區(qū)和所述負(fù)核區(qū)的徑向速度構(gòu)成的顔色分布直方圖； 2)依次配置滿足距離D、角度0和取值差VD判據(jù)的所有速度對(duì)，獲取所述速度對(duì)集合； 從正的最大速度Vmax開(kāi)始在所述顏色分布直方圖中查找是否有滿足判據(jù)的負(fù)速度值V_，如果有，則取值分別為Vmax和v_的區(qū)域組成ー個(gè)速度對(duì)，記錄該速度對(duì)的各項(xiàng)參數(shù)；如果否，用下一正速度查找，直至遍歷完所有的正速度V+; 判據(jù)具體為直徑D彡15km、夾角0 <10°以及VD > 20m/s，則速度對(duì)
配置成功，其中，e = eP+-eP—、D = ^(xP+-xP_f+(yP+-yPy , vd =V+(P+)-V_(p_)，p+為圖像R(x，y)上正核區(qū)中心點(diǎn)，(xP+，yP+)為正核區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)，p_為圖像R(x, y)上負(fù)核區(qū)中心點(diǎn)，(xP_, yP_)為負(fù)核區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)，Qp+為圖像R(x, y)上點(diǎn)(xP+,yP+)與雷達(dá)中心點(diǎn)的連線與水平方向的夾角，0P_為圖像上點(diǎn)(xP-，yPJ與雷達(dá)中心點(diǎn)的連線與水平方向的夾角，V+(p+)為正核區(qū)的徑向速度值，V_(p_)為負(fù)核區(qū)的徑向速度值，重復(fù)執(zhí)行直至配置完所有滿足判據(jù)的速度對(duì)，最后得到所述速度對(duì)集合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述方法還包括 在核區(qū)外接矩形中心點(diǎn)A所在行，找到核區(qū)的中點(diǎn)Ali,再在A點(diǎn)所在列，找到核區(qū)的中點(diǎn) A2j,分別計(jì)算 Ali 和 A2j 與 A 的距離 dxi 和 dyj，若 dxk = min {dxi, dyJ}或 dyk = min {dxi,dyJ}，則取Alk或A2k作為核區(qū)的等效中心，其中，X和y為橫縱坐標(biāo)軸，k、i和j的取值為正整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，從所述備選速度對(duì)集合中剔除偽速度對(duì)，具體為 對(duì)部分交疊的多個(gè)速度對(duì)進(jìn)行簡(jiǎn)約處理；對(duì)不滿足藍(lán)金模式的速度對(duì)進(jìn)行剔除處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述對(duì)部分交疊的多個(gè)速度對(duì)進(jìn)行簡(jiǎn)約處理具體為 I)對(duì)于速度對(duì) Vk G V，V1 G V，若 O k_ = O1-= O _，0 <10°，且設(shè) Uk > U1,則選擇正核區(qū)O k+、拋棄正核區(qū)01+;或，若Ok+= O1+= 0+，0 <10°，且設(shè)Uk > U1，則選擇負(fù)核區(qū)O k_、拋棄負(fù)核區(qū)Oト，其中，U = V' /D，V'為正核區(qū)的速度與負(fù)核區(qū)的速度的差值，k和I的取值為正整數(shù)； 2)當(dāng)有效反射率區(qū)域?yàn)閱魏藭r(shí)，若存在VkG VjV1 G V, ok_= 0l_= 0_，0 ^ 180°， 于速度對(duì) Vi G V, i = l,L,k,k ^ 2,若歐式距離 d(pm,pn) < 10,或 0 (pm，pn) ^ 180。m,
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述對(duì)不滿足藍(lán)金模式的速度對(duì)進(jìn)行剔除處理具體為 設(shè)速度對(duì)的正負(fù)核區(qū)位于P和q，P和q兩點(diǎn)連線上的象素點(diǎn)依次為(p+q)/2+l，L，p_2，p-1，P，p+1，p+2, L,和(p+q) /2-1, A , q_2, q-1, q, q+1, q+2, A,總像素點(diǎn)數(shù)為 N ; 藍(lán)金模式準(zhǔn)則f((p+q)/2) =OU |f(m) |_|f(n) I >0, | |m_l | |2 < | |n_l | 12, I = p, q，其中 f ()代表速度值；計(jì)算:If(P) |-|f(p_i) I — Ai, i = I, 2L(p+q)/2+1f (p) -|f (P+j) I — Aj, j = 1,2, L, (p+q) If (q) I -1 f (q-i) I — Bi, i = 1, 2L (p+q) /2+1 f (q) -|f (q+j) I — Bj, j = 1,2, L, (p+q)判據(jù)Ak > 0，且 Ak > Ak+1，k = i，j，則 N1 = Ni+1，若 Bk > 0，且 Bk > Bk+1，k = i，j，則N2 = N2+1 '若小ブ2僅，則濾除速度對(duì)(P，q)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，其特征在于，所述將所述2. 4°仰角反射率圖和所述0. 5°仰角反射率圖在相同范圍內(nèi)同時(shí)存在速度對(duì)的區(qū)域識(shí)別成ー個(gè)中氣旋具體為 設(shè)I. 5°仰角下去除偽速度對(duì)后的每ー個(gè)速度對(duì)對(duì)應(yīng)ー個(gè)中氣旋； 對(duì)所述有效反射率區(qū)域F2和所述有效反射率區(qū)域F3分別進(jìn)行步驟(2)-(5)的處理，分別獲取第一速度對(duì)集合和第二速度對(duì)集合，若所述第一速度對(duì)集合和/或所述第二速度對(duì)集合中存在ー個(gè)速度對(duì)，且所述這個(gè)速度對(duì)位于以1.5°仰角徑向速度圖上檢測(cè)到的中氣旋為圓心，半徑為15構(gòu)造的圓柱內(nèi)，則認(rèn)為所述I. 5°仰角反射率圖上檢測(cè)到的中氣旋符合厚度條件；否則，舍去所述I. 5°仰角反射率圖上檢測(cè)到的中氣旋。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多普勒天氣雷達(dá)回波圖像的中氣旋識(shí)別方法，對(duì)0.5°、1.5°、2.4°仰角反射率圖進(jìn)行濾波處理，獲取有效反射率區(qū)域；將效反射率區(qū)域信息融入相同仰角的徑向速度圖中，獲取限定搜索區(qū)域的徑向速度圖像；對(duì)融合有效搜索區(qū)域信息的徑向速度圖像進(jìn)行分割，篩選出徑向速度圖中的正、負(fù)速度中心區(qū)域；通過(guò)這些速度中心區(qū)域的徑向速度值的分布直方圖，配置出所有可能的速度對(duì)，得到速度對(duì)集合；從速度對(duì)集合中剔除偽速度對(duì)，識(shí)別出中氣旋。降低了時(shí)間和空間的復(fù)雜度，消除了大部分虛假的中氣旋，提高了識(shí)別率、降低了誤報(bào)率以及提高了工作效率；方法不限定氣旋方向的特點(diǎn)和中氣旋的結(jié)構(gòu)信息，使得識(shí)別結(jié)果更全面。
文檔編號(hào)G01W1/00GK102645679SQ20121006511
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者張艷, 牛智勇, 王萍, 程號(hào), 錢(qián)鑫洪 申請(qǐng)人:天津大學(xué)