[發明專利]NRIET暴雨智能相似分析方法

有效

• 申請號: 201910618014.2
• 申請日: 2019-07-10
• 公開（公告）號: CN110333554B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 馬星星;孫文正;陳啟智
• 申請（專利權）人: 南京恩瑞特實業有限公司
• 主分類號: G01W1/02
• 分類號: G01W1/02;G06K9/62
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 高嬌陽

1.一種NRIET暴雨智能相似分析方法，包括以下步驟：

步驟1：基于數值預報再分析數據、衛星圖像數據和暴雨數據，建立時間深度為10年以上的歷史資料庫；

步驟2：將當前資料處理為與歷史資料相同結構的數據，對歷史資料庫和當前數據進行標準化處理；

步驟3：相似判據選取

基于不同的暴雨過程，建立降水量與海平面氣壓、2米高度溫度、相對濕度和風向、風速；以及與標準等壓面上的位勢高度、溫度、相對濕度、U風分量、V風分量；以及與診斷物理量：渦度、散度、垂直速度、的相關關系，利用機器學習的方法XgBoost建立降雨量與各個氣象要素的數學關系模型，計算不同的要素與降雨量的相關系數，根據相關系數的大小篩選出與降水量關系更強的氣象要素，作為后續相似分析過程中的比較判據；

步驟4：相似區域選取

相似區域：即“歷史同期”過程的時間范圍以及對每個形勢場的掃描區域范圍；

對于空間邊界的選取，必須研究目標區的天氣影響關鍵區，根據預報區多年天氣統計資料結合數值預報產品選取范圍適當相似區域；在進行形勢場過濾中分步進行了大小相似區域篩選，使得最終得到的形勢場相似度更高，計算時間更短；

設置多層嵌套的方案進行相似度計算；結合相似判據的特點，第一層次利用500hPa位勢高度場進行相似篩選，主要反映大尺度環流形勢的相似程度；第二層次利用溫度場、濕度場、渦度場、散度場，風場，垂直速度場進行相似篩選，主要反映影響系統發生發展的主要物理因子的相似程度；第三層次利用位溫場、垂直速度場、Cape值的物理量場進行相似篩選，主要反映影響系統發生發展的主要物理因子的相似程度；

步驟5：物理量相似度計算

這里的相似度計算，是從圖像識別的角度，考慮相似判據的整體性，根據不同氣象要素在相似區域內圖像的峰值性噪比PSNR來分析對比相似程度，從而判斷當前氣象要素場與歷史暴雨形勢場的相似性，輔助分析；

式中m,n為圖像的高度和寬度，I和K分別是單色圖像，MSE為倆個圖像的均方差；i,j代表圖像數據場中點的橫縱坐標；I(i,j),K(i,j)表示兩個單色圖像數據的灰度格點值；

其中，MAX_I是表示圖像點顏色的最大數值；

步驟6：衛星云圖相似度計算，即哈希算法

這里考慮衛星云圖的整體圖像特征，通過圖形去噪處理后，獲取衛星的真實數據圖像，進行圖像比對對每張圖片生成一個指紋字符串，然后比較不同圖片的指紋；結果越接近，圖片越相似；通過使用漢明距離比較不同圖像的差異；在氣象相似分析時，將衛星云圖數據作為圖像，進行歷史相似分析計算，從圖像角度完整地考慮了衛星二維場的相似性；

步驟7：相似度排序

針對不同的相似判據因子，分別計算了當前時刻的物理要素量與歷史庫中的要素量的相似度，根據相似判據的重要性程度及區域劃分情況，按照不同區域逐層篩選因子；最后依據最終的相似度的指標進行排序，篩選出順序排在前面的相似個例，輔助預報；

具體實現步驟為

(1)先由500hPa高度場計算相似，并從歷史樣本中初選出100個相對最相似的個例，再初選出50個形勢相似個例；再從這50個形勢相似個例中用850hPa的散度值Dir、渦度值Vort進行二次過濾，選出25個相似個例；最后比較這25個個例的第三層區域垂直速度場和位溫場的相似程度，選得5個最佳相似個例；

(2)在初選出上述50個形勢相似個例后，再由850hpa和200hpa的散度差Div850-200和850hpa和200hpa的渦度差Vort850-200進行二次過濾，從中選出25個個例；最后計算這25個個例最內層垂直速度場和Cape值的相似情況，選出5個最佳相似個例；

(3)基于(1)初選出的100個相對最相似的個例，先由Div850-200和Vort850-200初選出50個相似個例；再用850hPa的水平風速場u垂直速度場v作二次過濾，從中選出25個風場也較相似的個例；最后比較這25個個例850hPa的位溫場和Cape值的相似性，選出5個最佳相似個例；

得到15個相似個例后，根據15個相似個例中各級降水出現的頻率來預報降水等級；初步規定在15個例中：5/15出現暴雨，即可預報暴雨；7/15出現大雨，即可預報大雨；8/15出現中雨，即可預報中雨；10/15出現小雨，即可預報小雨；不滿足以上條件，但如果有10/15出現降水，即可預報小雨；以上條件都不滿足，預報無降水；進行過濾后，不斷調整參數，使降水預報TS評分達到最高為止，確定最終的相似判據。