[发明专利]一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法

权利要求书

1.一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法，其特征在于，基于风暴定位与追踪算法(SCIT)，根据SCIT算法得到每个风暴单体的二维分量的信息，然后利用垂直方向上风暴强度、高度和0℃层-20℃层的高度的关系，得出冰雹发生的概率以及强冰雹发生的概率，并对冰雹的大小进行了估算，通过其中的反射率信息得到风暴定位的信息，所述风暴定位的包括以下步骤：

(1)风暴单体段算法(STORM CELL SEGMENTS)

风暴单体段是一个纯基于反射率因子数据的算法，沿着一个径向来搜索连续大于某个反射率因子阈值(记为REFLECTIVITY)的反射率因子库集合，这些库的集合的长度要大于某个规定阈值(记为SEGMENT LENGTH)，算法使用了多个反射率因子阈值(默认为7个)来重复求算风暴段，每个阈值都有对应的SEGMENT LENGTH，DROPOUT COUNT，DROPOUT REF DIFF参数。

每个风暴段主要输出如下的属性：开始距离，结束距离，最大反射率因子，单位质量长度，单位质量面积，方位，反射率阈值。对于每一个仰角的数据，算法还输出仰角大小，每个径向的平均方位以及这个仰角每个反射率阈值的段的个数；

(2)风暴单体质心算法(STORM CELL SEGMENTS)

通过组合连续方位的风暴段来形成风暴二维分量(COMPONENT)，然后对每个仰角的二维分量进行垂直相关，得到三位风暴单体(STORM)，并且输出COMPONENT属性和STORM的属性，具体算法流程如下：

当最后一个仰角扫描的段被处理完之后，在空间上相邻的风暴段被结合成一个COMPONENT，为了满足相邻的条件，段与段之间方位角方向离开不超过一定角度(记为AZIMUTHAL SEPARATION)，径向必须有一定距离(记为SEGMENT OVERLAP)的部分相叠加，COMPONENT至少要包含一定个数(记为NUMBER OF SEGMENTS)的风暴段，面积至少要达到一定大小(记为COMPONENT AREA)，每个仰角的COMPONENT形成以后，对不同阈值的COMPONENT进行合并，如果一个较高反射率因子阈值的COMPONENT的质心落在一个较低反射率阈值的COMPONENT之内，则低值的反射率因子分量被丢弃，每个COMPONENT输出如下的属性：开始距离，结束距离，开始方位，结束方位，最大反射率因子，质量，X，Y的位置，距离，方位和高度；当前体扫的每个仰角的COMPONENT都处理完之后，这些COMPONENT按照质量的大小从大到小排列，然后做垂直相关，按照质量从大到小排列是为了确保大的风暴中心首先被关联，每一个确定的STORM由两个或更多个在相继仰角上的COMPONENT构成，垂直相关的过程是一个迭代的过程，从最低的仰角开始，对相邻仰角的COMPONENT进行关联检验，定义了3个长度递增的搜索半径(记为SEARCH RADIUS#1，#2，#3)，如果两个COMPONENT中心的距离小于SEARCHRADIUS，则认为它们是关联的，如果关联多于一个，则用有最大质量的二个COMPONENT作关联，循环使用三个搜索半径对所有COMPONENT进行关联，当所有仰角的关联完成以后，所有的STORM就完成了，所有的风暴单体STORM输出如下属性：X，Y位置，风暴顶，风暴底，风暴厚度，风暴中心所在的方位，距离，高度，基于单体的VIL值，最大反射率所在的高度，包含二维分量的个数。每个风暴的COMPONENT详细信息也会被保留供后续算法使用，当几个单体非常靠近时，一个风暴单体实际上会被识别为2个STORM，每个位于大致相同的水平位置但垂直方向被一个空档隔开，或者两个风暴单体在水平方向上靠得很近，则需要对其进行整合；利用雷达资料得到的风暴信息，结合探空资料得到的数据，进行冰雹识别。

(3)SWAN系统冰雹算法

SWAN系统冰雹算法和单部雷达的算法类似，只是在二维分量寻找上拓展到每层的CAPPI上，然后对每层的CAPPI进行垂直相关，得出三维风暴的结构。所有的计算参数和方法基本未做大的改变，但由于基数据基于拼图资料，在重叠区能获得更加详细的风暴信息，有助于提高算法的准确性。

(4)VIL密度算法

计算VIL密度首先依赖于VIL的计算，项目将分别计算基于单部雷达的VIL和基于SWAN系统的VIL,然后除以回波顶高，得到VIL密度。VIL的计算比较简单，就是按照ZR关系将反射率折算成降水率，然后在垂直方向上进行累加，公式如下：

VIL＝Σ3.44×10^-6[(Z_t+Z_t+1)/2]^4/7Δh。

2.根据权利要求1所述的基于气象雷达数据对冰雹探测的算法，其特征在于：所述利用风暴定位算法得到的风暴结构信息和探空资料获取0℃层和-20℃层高度冰雹产生的概率，主要产品是POH，POSH，MEHS，POH是指任意大小的冰雹发生概率，根据规定阈值(记为MINIMUM REFLECITIVITY POH，默认为45dBZ)的反射率因子出现的最高高度和0℃层高度的经验关系来得到冰雹发生的概率，为了得到POSH(强冰雹概率)和MEHS(预期最大冰雹尺寸)，算法运用了反射率因子和冰雹动能的关系，反射率因子数据被变换成冰雹动能(E)的通量值：

E＝5×10^-6×10^0.084zW(Z)

其中

对于Z≤Z_L W(Z)＝0

对于Z_L＜Z＜Z_U

对于Z≥Z_U W(Z)＝1

Z的单位是dBz，Z_L是反射率因子权重下限(记为HKE REF WEI LOW LIMIT)，Z_U是反射率因子权重上限(记为HKE REF WEI HIGH LIMIT)，E是Jm-2s-1，Z权重函数W(Z)可被用来定义雨和冰雹反射率因子的转换区，Z越大，说明冰雹发生的权重越大，另外使用了温度的权重来探测冰雹，由于冰雹增长只发生在温度<0℃，并且强冰雹的增长大都发生在-20℃或更低的温度，使用下列基于温度的权重函数：

对于H≤H₀ W_T(H)＝0

对于H₀＜H＜H_m20

对于H≥H_m20 W_T(H)＝1

其中H是相对雷达的高度(ARL)，H0是环境溶化层的ARL高度，Hm20是-20O℃环境温度的ARL高度，H0和Hm20可从附近的探空或快速同化产品得到，由此导出了一个定义为强冰雹指数的公式，如下：

其中HT是风暴单体顶的高度，H0为溶化层高度，SHI的单位是Jm-1s-1，整个SHI的物理含义是在0℃层以上的“高悬的强反射率因子核”，得到了SHI的公式以后，必须选择相应的预警阈值来求算POSH，经验公式如下：WT＝57.5H0-121，WT代表预警阈值(WARNINGTHRESHOLD)，中国的预警阈值至少应当区分北方和南方，根据历史资料统计得到，本项目通过研究得到WT缺省值，各地可调，

POSH的求算公式如下：

其中POSH是强冰雹的概率。若POSH<0，则置为0，POSH>100，则置为100，如果POH<POSH，则POH＝POSH；

最后，MEHS是根据经验公式简单的得到，公式如下,得到的MEHS单位为毫米，

MEHS＝2.54(SHI)^0.5。