[發(fā)明專利]基于Hu矩的差值云團外推降雨預測算法

在審

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• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107356926A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發(fā)明（設計）人: 黃金貴;王勝春;李亞;尹丹
• 申請（專利權）人: 湖南師范大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G01W1/10
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙)43205
• 代理人: 許伯嚴

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于Hu矩的差值云團外推降雨預測算法，屬于氣象預測技術領域。

背景技術

氣象學上短時強對流天氣突發(fā)性強且破壞力大，而且還常常伴隨著出現(xiàn)雷陣雨大風、龍卷風、暴雨等災害性天氣，不僅對人民的生命財產(chǎn)安全構成了極大的威脅，還會對正常的經(jīng)濟活動造成嚴重的破壞。因此，對強對流天氣尤其是強降水的預測研究意義重大。隨著中國新一代多普勒天氣雷達觀測網(wǎng)絡的進一步完善，并完整的投入到實際業(yè)務運行，如何利用這些生成的雷達數(shù)據(jù)綜合分析強對流天氣的趨勢特征，并在此基礎上做出推算預測就顯得非常重要了。目前多普勒雷達產(chǎn)品文件主要有雷達反射率因子圖、降水物質(zhì)徑向速度圖等等。在雷達氣象方程中，雷達的接收功率是與雷達反射率因子、降水的強度有著一定程度上的關系的，據(jù)此我們可以用反射率因子圖作為測量降水的重要工具，而外推反射率因子圖便能預測未來時刻的降水情況。利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品展開對降水云團的外推并形成一個準確度較高的的外推算法對于短時的天氣預測具有十分重大的意義。這里的云團外推指的是在相鄰時刻同一云團形成的兩幅反射率因子圖，計算他們之間的變化，并依據(jù)此變化得到未來時刻的云團形態(tài)。對于強對流天氣，多普勒雷達產(chǎn)品文件包含著非常重要的信息。能否通過這些文件數(shù)據(jù)準確的推算出未來時刻的天氣信息對預測短時天氣變化關系重大，本文正是著眼于此，致力于提高現(xiàn)有算法的準確度。

云團外推算法可以對云團運動過程中的合并分裂現(xiàn)象不做限制，且對云團的反射率因子圖分層處理，提出了小面積云團散射外推和大面積云團局部腐蝕膨脹算法，能夠很好的實現(xiàn)云團的外推。

云團外推算法在基于上述準則的情況下按如下步驟展開外推：

第1步：選取相鄰時刻兩組雷達基數(shù)據(jù)，選取時刻是前6分鐘時刻（記為t1）和當前時刻（記為t2），從中提取反射率因子圖。在實際的氣象環(huán)境下，根據(jù)對不同雨滴譜的雷達散射特征的分析，能反映出降雨的云團反射率強度大于20dBZ，（與本文改進算法中所取雷達基數(shù)據(jù)稍有不同，本文測試評估所用雷達基數(shù)據(jù)中反射率數(shù)據(jù)集中于15dBZ-45dBZ，改進算法可根據(jù)實際情況調(diào)整輸入不同的雷達基數(shù)據(jù)），因此將兩組反射率數(shù)據(jù)按25dBZ，30dBZ，35dBZ，40dBZ，45dBZ，50dBZ，55dBZ各分七層處理，將一組雷達數(shù)據(jù)經(jīng)過提取解析后按反射率大小分為7層，然后處理對象轉(zhuǎn)換為單層反射率數(shù)據(jù)形成的因子圖；

第2步：根據(jù)單層反射率因子圖繪制出云團輪廓圖。云團輪廓圖描述的是反射率因子圖中每一個封閉圖形的輪廓，對于單層反射率因子圖形成的云團輪廓圖，都會有t1時刻和t2時刻兩幅云圖對應(t1時刻表示當前時刻前推六分鐘和t2時刻表示當前時刻)；

第3步：對t1時刻和t2時刻這兩幅云團輪廓圖進行分塊分解。分塊分解指的是對云團輪廓圖中的每一個封閉輪廓進行折線重組，連接折線的關鍵點作區(qū)域分解，經(jīng)過分層分解后，原封閉輪廓就會分解為多個封閉輪廓；

第4步：將t1時刻云團輪廓圖和t2時刻云團輪廓圖進行排序，得到最大個數(shù)N，（該算法認為分塊分解前t1時刻云團輪廓圖和t2時刻云團輪廓圖中的輪廓個數(shù)相同，經(jīng)過分塊分解后的輪廓個數(shù)依然相同）各取t1時刻云團輪廓圖和t2時刻云團輪廓圖中的第j塊(j<N)；

第5步：將得到的兩個云團輪廓運用擬合直線外推法確定其未來時刻的質(zhì)心位置，擬合直線外推即線性外推，因為輸入的數(shù)據(jù)對象只有兩組，速度變化趨勢視為不變；

第6步：在確定未來時刻云團輪廓質(zhì)心位置的情況下，根據(jù)t2時刻云團輪廓面積設立一個閾值X（X=100），即小于該閾值的云團輪廓使用散射外推確定其未來時刻的形態(tài)，而大于該閾值的云團輪廓使用邊緣腐蝕膨脹外推；

第7步：在得到未來時刻的云團輪廓形態(tài)和云團輪廓質(zhì)心位置后，繪制出新的云團輪廓，由此得到單層的外推結果。然后將各單層外推結果依次疊加形成最終結果圖，疊加方法為覆蓋綜合法。

在確定云團為小面積云團后，小面積云團外推算法按如下步驟展開外推：

第1步：是要計算得出未來時刻云團的質(zhì)心位置P。質(zhì)心位置P的確定是根據(jù)小面積云團在t1、t2時刻的質(zhì)心位置（t2表示當前時刻，t1表示當前時刻前推6分鐘），采用擬合直線法計算而來；

第2步：在得到未來時刻云團質(zhì)心位置P后，將t1時刻的云團和t2時刻的云團整體平移到與P點重合，即質(zhì)心位置重合；