[發明專利]基于單多普勒雷達的切變區風場反演方法

有效

• 申請號: 201710793970.5
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107621637B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 吳曉鋒;唐曉文;王元;沈文強;丁曉麗;徐昕;黃浩
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G06F17/15
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了基于單多普勒雷達的切變區風場反演方法，該方法包括以下步驟：首先使用局部約束并假設在一個足夠小的鄰域內所有點的風速相等，同時在鄰域選取時加入徑向速度一致性約束，使算法能夠適用于切變區風場；再利用最小二乘法計算得到一個初步的反演結果；然后引入一個全局約束泛函數并假設風速在整個反演區域滿足一定條件；最后通過求解泛函數最小值的方法優化反演結果。該方法僅需單多普勒雷達某一時刻觀測到的徑向速度場即可反演包括切變區域在內的實際風場。

技術領域

本發明涉及基于單多普勒雷達的風場反演方法，特別是涉及基于單多普勒雷達的切變區風場反演方法，屬于大氣科學遙感資料分析研究領域。

背景技術

多普勒雷達目前已在氣象領域得到了廣泛的應用，它可以很好地觀測和追蹤中小尺度的降水系統。由于多普勒雷達僅能觀測到降水粒子運動在雷達波束方向的投影，通常被稱為徑向速度，因此需要通過反演的方式得到氣象分析和預報中常用的實際風場。在利用多普勒徑向速度反演實際風場方面，前人已做了很多有意義的工作。

1970年，Lhermitte等人提出了基于雙多普勒雷達的共面反演技術，后經Miller等人改進和完善，但是目前業務雷達形成雙多普勒雷達共同覆蓋的區域較小，因此該方法的適用范圍很小。

現階段業務雷達主要以單多普勒雷達為主，覆蓋區域廣，研究基于單多普勒雷達的風場反演方法，更有助于改善實際業務中的分析和預報工作。

早在1961年，Lhermitte等人就提出了基于單多普勒雷達的速度方位顯示方法(VAD)，后經Browning等人的改進和完善，可以進一步得到風場的散度和形變等參數。VAD方法假定實際風場呈線性變化，在業務使用中存在一定的局限性：首先，VAD方法僅能得到雷達觀測范圍內平均的水平風場，不利于發揮雷達分辨率高的特性；其次，風場呈線性變化的假設在某些情況下并不能很好地成立，當風場中存在切變區時反演的風場和實際風場可能出現較大偏差。20世紀70年代，在局地線性風場的假定下，Waldteufel等提出了速度體積處理技術(VVP)，該方法可以同時反演風場的水平和垂直結構，但由于算法的系數矩陣存在病態問題，易導致反演風場產生誤差。有研究試圖通過減少反演參數的個數來減輕病態矩陣帶來的問題，但被忽略的參數在反演時又可能成為新的誤差來源。

為了改進基于多普勒雷達的風場反演技術，前人又引入了在計算機視覺領域應用較廣的光流法。早在20世紀50年代，Gibson和Wallach等科學家就提出了光流法的基本原理。而真正提出有效光流計算方法的是Horn和Schunck兩位科學家，他們創造性地將二維速度場和圖像灰度相聯系，引入了光流約束方程的算法，使得光流法在真正意義上得以實現。光流法在多普勒雷達反演實際風場的應用主要是針對雷達反射率，即將不同時刻的雷達反射率看成連續的多幀灰度圖像，使用標準的算法即可求得兩個時刻之間的平均速度。雖然光流法在運算速度、反演精度上都有一定的優勢，但是雷達反射率應用于光流法仍存在模型誤差。光流法要求圖像遵循灰度不變性假設，而實際雷達反射率存在生消演變，故存在因反射率強度變化而導致的誤差，這一誤差在快速變化的強對流天氣過程中更為顯著。

發明內容

本發明針對現有基于多普勒雷達風場反演技術的不足，提出一種新的基于單多普勒雷達并適用于切變區的風場反演方法。其主要技術創新在于僅需單多普勒雷達某一時刻觀測到的徑向速度場即可反演包括切變區域在內的實際風場。