[发明专利]一种自动识别，跟踪并预测对流系统目标的方法

说明书

本发明公开了一种自动识别，跟踪并预测对流系统目标的方法，包括建立雷达反射率图片的树形结构，自动识别对流系统目标，对流系统目标跟踪方法和对流系统目标的预测；本发明能够同时识别出不同类型的对流系统目标，如对流风暴，对流单体和层状降水区域，并且能够识别和保存各种对流系统目标之间的空间关系；本发明将对流系统目标的跟踪问题转化为了树形结构的匹配问题，对流系统目标的识别过程和跟踪、预测过程是相互独立的，提高了对流目标跟踪和预测的准确性；本发明能够预测对流系统目标内部结构的运动和演化，可以构成一个对流系统目标的自动临近预报系统，能够用于预报强对流灾害天气的发生位置，帮助气象业务人员预报强对流天气。

技术领域

本发明涉及大气科学中的应用气象学，尤其涉及使用天气雷达的自动识别，跟踪及预测对流系统目标的方法。

背景技术

中尺度对流系统是造成强对流天气的天气系统^[1]。对流系统目标包括对流风暴和对流单体。对流系统目标的自动识别、跟踪和预测方法是强对流天气临近预报的基础。自动识别方法获取对流系统目标的各项属性参数；自动跟踪方法提供对流系统目标属性参数的历史信息；自动预测方法估计对流系统目标在未来时刻的属性。对流系统的空间结构十分复杂，如对流风暴和对流单体之间存在嵌套关系。利用对流风暴的空间结构信息，能够提高对流系统目标自动识别、跟踪和预测的准确性。

天气雷达是监测对流系统的主要手段之一^[2,3]。天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁波遇到降水物质时，大部分能量继续前进，小部分能量被降水物质向四面八方散射，其中向后向散射的能量回到雷达天线，被雷达接收。根据雷达接收的回波数据，可以识别降水系统的内部结构。天气雷达在一系列固定的仰角上360°扫描降水系统，采集不同圆锥面上的数据资料，综合起来得到降水系统的三维结构描述。在天气雷达反射率图像上，对流风暴为一片高反射率联通区域，其中的局部极大值区域为对流单体。

随着天气雷达的广泛运用，使用天气雷达的自动识别、跟踪和预测对流系统目标的方法不断出现，比如，SCIT方法^[4]和TITAN方法^[5]是其中的两种经典方法，分别作用于对流单体和对流风暴。传统的对流系统目标识别、跟踪和预测方法构成一个串联系统，其中每一部分的输出作为后一部分的输入。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：①以往的对流系统目标的跟踪方法^[6～10]依赖于对流系统目标的识别结果，这使得一种跟踪方法只适用于一类对流系统目标，不能够同时跟踪多种类别的多尺度的对流系统目标；②以往的对流系统目标的预测方法^[11～15]不能预测对流目标内部的相对运动和结构演化。

[参考文献]

[1]孙继松，戴建华，何立富等；强对流天气预报的基本原理与技术方法；中国强对流天气预报手册[M]；北京：气象出版社，2014。

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南等；多普勒天气雷达原理与业务应用[M]；北京：气象出版社，2009。

[3]Crum T D,Alberty R L.The WSR-88D and the WSR-88D operationalsupport facility[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1993,74(9):1669～1687。

[4]Johnson J T,MacKeen P L,Witt A et al.The storm cell identificationand tracking algorithm:An enhanced WSR-88D algorithm[J].Weather andforecasting,1998,13(2):263～276。