[发明专利]一种基于多普勒雷达资料的层云与对流云自动识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气象信息的处理与识别方法，确切讲是一种对气象雷达测定的数据进行处理，以确定被测点属于层云还是对流云的方法。 

背景技术

在气象领域降水估计、灾害性天气的监测和预警、人工影响天气和热动力学中降水区域的非绝热过程垂直分布研究具有很重要的帮助。而降水与云层类别有直接的关系。 

降水系统从形成机理，持续时间，以及内部结构差异可以将其分为对流云降水和层状云降水。对流云系统常常伴随强的垂直速度、局地辐合及强降水，而层云系统常常伴随弱的上升运动、大的水平一致性和弱的降水强度。层状云降水虽然降水强度弱，但是覆盖面积大、持续时间长，对降水系统的降水量和时间有很重要的作用。气象上将降水系统分成层云及对流云系统有非常重要的作用及意义。首先从云物理方面来看，进行层云及对流云系统识别可以更好的理解降水机制了解云物理过程，对降水估计、灾害性天气的监测和预警、人工影响天气有很大的帮助；第二，从热动力学方面来看，层云和对流云降水区域的非绝热过程垂直分布明显不同，进行云识别具有很重要的作用。 

目前国际上利用多普勒雷达资料进行云类识别算法用的比较多的就是巅峰值法，该类方法主要利用某个高度的回波强度进行云类识别，该类方法对阈值敏感。 

关于用雷达资料识别层状云和对流云，国内外已做了很多工作。早期的识别层状云和对流云降水的方法是用雨量计资料做的，只要降水率超过给定的背 景阈值就被认为是对流云降水，其余的为层状云，这种技术称作Background-exceedence technique(BET)。1984年CHurchuill等人又将该技术发展为二维结构，参见Churchill，D.D.，and R.A.Houze Jr.，1984：Development and structure of winter monsoon cloud clusters on 10 December 1978.J.Atmos.Sci.，41，933-960.，该方法首先用雷达回波强度阈值来确定对流中心，然后给对流中心一个固定的影响半径以确定对流云的面积。1995年Steiner等指出CHurchuill等人方法中固定一个影响半径是不充分的，他们将影响半径改为雷达回波强度的函数，此外把回波强度阈值给为局地平均的背景回波强度的函数，参见Steiner，M.，and S.E.Yuter，1995：Climatological characterization of three-dimensional storm structure from operational radar and rain gauge data.J.Appl.Meteor.，34，1978-2007，这种方法本质上还是BET方法，但研究者将它称为“巅峰值法”或“SHY95”方法。目前这种方法在国际上比较通用。2000年，Michael和Stevenz在传统SHY95方法的基础上，根据亮带的特征，考虑到水平和垂直方向的回波梯度变化，将回波垂直廓线特征加入该方法中，并用到了雷达资料以外的0°等温线所在高度的资料，参见Biggerstaff，Michael I.，Steven A.Listemaa，2000：An Improved Scheme for Convective/Stratiform Echo Classification Using Radar Reflectivity.J.Appl.Meteor.，39，2129-2150.，这在实际应用中可能没有这个资料，使用存在一定局限性。 

以上所提到的方法都使用固定的阈值或边界条件去进行云识别，所以这些方法就对阈值很敏感。因为层云和对流云在很多方面都有一定的交集，层云及对流云它们之间的边界很难直接定量给出，因此使用固定边界条件或阈值常常会导致误判。所以可以使用更先进的算法来改进云识别方法的灵活性，例如模糊逻辑算法(Fuzzy logic)。该方法理论是由美国著名的学者加利福尼亚大学 教授Lotfi Zadeh于1965年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，参见Zadeh，L.A.，1965：″Fuzzy sets″.Information and Control 8(3)：338-353.doi：10.1016/S0019-9958(65)90241-X.ISSN 0019-9958.。 

模糊逻辑算法能避免严格的阈值直到所有信息都被综合使用。它强大之处在于它能系统的表达出测量资料中自然模糊，分类及模式识别。该方法已在工程技术领域得到广泛应用，但在气象领域应用很少。