專利名稱：一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法
技術領域：
本發明涉及氣象學中對中氣旋的識別領域，特別涉及一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法。
背景技術：
氣象工作者經過大量的數據統計發現，我國有92%以上、美國有90%以上的強對流風暴[1](如暴雨、強風、冰雹和龍卷等)都會伴隨中氣旋的發生和發展，尤其是中氣旋一般會在強風暴襲來之前的一段時間就實際存在。1994年，Stumpf和Witt提出了新的中氣旋識別方法(E-MDA)，他們在實驗中不斷地調整一些重要參數值，然后反復地比較結果，最后終于取得重大突破，將識別率提高了 12%左右[2]。隨后他們在1998年又提出了融合其他算法的改進版本(MDA)，NSSL(美國國家強風暴實驗室)新的中氣旋探測方法MDA首先確定具有氣旋切變的段，然后組成二維特征，二維特征的強度分成了 25個等級。對二維特征進行垂直相關分析得到三維特征，三維特征還要進行時間相關分析以確定它的發展歷史。運用于實際探測當中，通過理論分析和不斷的實驗觀測，證明了該方法具有較高的準確率[3]。發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術中存在以下不足(1)由于目前廣泛使用的氣象監測預報軟件PUP是根據美國的天氣特征來編寫的，在實際的業務運行中由于地區不同，適應性較差，識別的準確率較低，漏報率和錯報率較高；(2) NSSL MDA需要對平均徑向速度圖上距雷達距離相等的每一個點進行逐一掃描，可能會產生漏報或者報弱的情況，并且無法檢測到反氣旋式旋轉，對每一個點進行逐一掃描大大增加了方法的時間和空間復雜度；(3)由于采用不適當的退模糊處理會產生虛假的中氣旋；(4)雖然通過對閾值參數的降低可以檢測出幾乎所有的渦旋，但是同時提高了誤警率，且閾值的調整具有人為等客觀因素，具有不確定性；(5)僅對三維信息進行了分類，但沒有研究純旋轉、輻合旋轉和輻散旋轉對于中氣旋的識別作用，使得識別結果不完整。參考文獻[I]胡明寶，高太長，湯達章，多普勒天氣雷達資料分析與應用[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
發明內容
本發明提供了一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，本發明降低了時間和空間的復雜度，消除了虛假的中氣旋，提高了識別率、降低了誤報率以及提高了工作效率，詳見下文描述
一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，所述方法包括以下步驟(I)對L 5°仰角反射率圖進行濾波處理,獲取有效反射率區域Fl ；(2)對所述有效反射率區域Fl和所述有效反射率區域Fl對應的徑向速度圖進行信息融合，獲取限定有效搜索區域的徑向速度圖像R(x，y)；(3)對所述限定有效搜索區域的徑向速度圖像R(x，y)進行區域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區域和負徑向速度區域； (4)通過速度中心區域徑向速度值的分布直方圖配置速度對，得到備選速度對集合；其中，在含有中氣旋的徑向速度圖V上，針對雷達探測中心，總是存在著一對距離滿足第一閾值、角度差滿足第二閾值且相鄰的正徑向速度區域和負徑向速度區域，稱為速度對，其中，正徑向速度區域定義為正核區，負徑向速度區域定義為負核區；(5)從所述備選速度對集合中剔除偽速度對；(6)將所述I. 5°仰角反射率圖抬高一個仰角獲取2. 4°仰角反射率圖，降低一個仰角獲取0. 5°仰角反射率圖；對所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理,獲取有效反射率區域F2 ;對所述0. 5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F3 ;重新執行步驟
(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同時存在速度對的區域識別成一個中氣旋。所述對I. 5°仰角反射率圖進行濾波處理,獲取有效反射率區域F1，對所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F2具體為對所述I. 5°仰角反射率圖和所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理，濾除弱反射率區域Q2，分別獲取有效反射率區域Fl和F2，其中，所述弱反射率區域Q2具體為反射率小于40dbz的區域；所述對所述0. 5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F3具體為對所述0. 5°仰角反射率圖進行濾波處理，濾除超折射回波區域Q1和弱反射率區域Q2，獲取所述有效反射率區域F3，其中，所述超折射回波是虛假的降水回波，所述弱反射率區域Q2具體為反射率小于40dbz的區域。所述獲取限定有效搜索區域的徑向速度圖像具體為0.5°仰角仰角反射率圖
權利要求
1.一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)對I.5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域Fl ； (2)對所述有效反射率區域Fl和所述有效反射率區域Fl對應的徑向速度圖進行信息融合，獲取限定有效搜索區域的徑向速度圖像R(x，y)； (3)對所述限定有效搜索區域的徑向速度圖像RU，y)進行區域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區域和負徑向速度區域； (4)通過速度中心區域徑向速度值的分布直方圖配置速度對，得到備選速度對集合；其中，在含有中氣旋的徑向速度圖V上，針對雷達探測中心，總是存在著ー對距離滿足第一閾值、角度差滿足第二閾值且相鄰的正徑向速度區域和負徑向速度區域，稱為速度對，其中，正徑向速度區域定義為正核區，負徑向速度區域定義為負核區； (5)從所述備選速度對集合中剔除偽速度對； (6)將所述I.5°仰角反射率圖抬高ー個仰角獲取2.4°仰角反射率圖，降低ー個仰角獲取0.5°仰角反射率圖；對所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F2 ;對所述0. 5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F3 ;重新執行步驟(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同時存在速度對的區域識別成ー個中氣旋。
2.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述對I. 5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F1，對所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F2具體為 對所述I. 5°仰角反射率圖和所述2. 4°仰角反射率圖進行濾波處理，濾除弱反射率區域Q2，分別獲取有效反射率區域Fl和F2，其中，所述弱反射率區域Q2具體為反射率小于40dbz的區域； 所述對所述0.5°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域F3具體為 對所述0.5°仰角反射率圖進行濾波處理，濾除超折射回波區域Q1和弱反射率區域Q 2，獲取所述有效反射率區域F3，其中，所述超折射回波是虛假的降水回波，所述弱反射率區域Q2具體為反射率小于40dbz的區域。
3.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述獲取限定有效搜索區域的徑向速度圖像具體為、 0.5°仰角仰角反射率圖
4.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述對所述限定有效搜索區域的徑向速度圖像RU，y)進行區域分割得到反映在徑向速度圖中的正徑向速度區域和負徑向速度區域具體為 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的點定義為種子點，計算以所述種子點生長出的連通域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標記為背景色； 3)若S2彡S彡S1，則連通域O中點的像素值為255； 當完成區域分割后，將得到的像素值為255的點還原為原像素值。
5.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述通過速度中心區域徑向速度值的分布直方圖配置速度對，得到備選速度對集合，具體為 1)獲取ー張經信息融合和區域分割處理之后的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和所述負核區的徑向速度構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判據的所有速度對，獲取所述速度對集合； 從正的最大速度Vmax開始在所述顏色分布直方圖中查找是否有滿足判據的負速度值V_，如果有，則取值分別為Vmax和v_的區域組成ー個速度對，記錄該速度對的各項參數；如果否，用下一正速度查找，直至遍歷完所有的正速度V+; 判據具體為直徑D彡15km、夾角0 <10°以及VD > 20m/s，則速度對
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)上正核區中心點，(xP+，yP+)為正核區中心點坐標，p_為圖像R(x, y)上負核區中心點，(xP_, yP_)為負核區中心點坐標，Qp+為圖像R(x, y)上點(xP+,yP+)與雷達中心點的連線與水平方向的夾角，0P_為圖像上點(xP-，yPJ與雷達中心點的連線與水平方向的夾角，V+(p+)為正核區的徑向速度值，V_(p_)為負核區的徑向速度值，重復執行直至配置完所有滿足判據的速度對，最后得到所述速度對集合。
6.根據權利要求4所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述方法還包括 在核區外接矩形中心點A所在行，找到核區的中點Ali,再在A點所在列，找到核區的中點 A2j,分別計算 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作為核區的等效中心，其中，X和y為橫縱坐標軸，k、i和j的取值為正整數。
7.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，從所述備選速度對集合中剔除偽速度對，具體為 對部分交疊的多個速度對進行簡約處理；對不滿足藍金模式的速度對進行剔除處理。
8.根據權利要求7所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述對部分交疊的多個速度對進行簡約處理具體為 I)對于速度對 Vk G V，V1 G V，若 O k_ = O1-= O _，0 <10°，且設 Uk > U1,則選擇正核區O k+、拋棄正核區01+;或，若Ok+= O1+= 0+，0 <10°，且設Uk > U1，則選擇負核區O k_、拋棄負核區Oト，其中，U = V' /D，V'為正核區的速度與負核區的速度的差值，k和I的取值為正整數； 2)當有效反射率區域為單核時，若存在VkG VjV1 G V, ok_= 0l_= 0_，0 ^ 180°， 于速度對 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.根據權利要求7所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，其特征在于，所述對不滿足藍金模式的速度對進行剔除處理具體為 設速度對的正負核區位于P和q，P和q兩點連線上的象素點依次為(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,總像素點數為 N ; 藍金模式準則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(P，q)。
10.根據權利要求I所述的ー種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，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同時存在速度對的區域識別成ー個中氣旋具體為 設I. 5°仰角下去除偽速度對后的每ー個速度對對應ー個中氣旋； 對所述有效反射率區域F2和所述有效反射率區域F3分別進行步驟(2)-(5)的處理，分別獲取第一速度對集合和第二速度對集合，若所述第一速度對集合和/或所述第二速度對集合中存在ー個速度對，且所述這個速度對位于以1.5°仰角徑向速度圖上檢測到的中氣旋為圓心，半徑為15構造的圓柱內，則認為所述I. 5°仰角反射率圖上檢測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到的中氣旋。
全文摘要
本發明公開了一種基于多普勒天氣雷達回波圖像的中氣旋識別方法，對0.5°、1.5°、2.4°仰角反射率圖進行濾波處理，獲取有效反射率區域；將效反射率區域信息融入相同仰角的徑向速度圖中，獲取限定搜索區域的徑向速度圖像；對融合有效搜索區域信息的徑向速度圖像進行分割，篩選出徑向速度圖中的正、負速度中心區域；通過這些速度中心區域的徑向速度值的分布直方圖，配置出所有可能的速度對，得到速度對集合；從速度對集合中剔除偽速度對，識別出中氣旋。降低了時間和空間的復雜度，消除了大部分虛假的中氣旋，提高了識別率、降低了誤報率以及提高了工作效率；方法不限定氣旋方向的特點和中氣旋的結構信息，使得識別結果更全面。
文檔編號G01W1/00GK102645679SQ20121006511
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者張艷, 牛智勇, 王萍, 程號, 錢鑫洪 申請人:天津大學