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专利号: 2022102904325
申请人: 成都信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-11-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法包括:采集双偏振雷达数据和探空数据,对双偏振雷达资料进行质量控制;获取经过质量控制后的降雹单体内ZDR柱的具体参数,包括ZDR柱深度、ZDR柱宽度以及ZDR柱面积;采用模糊逻辑算法对单体内的关键水成物粒子进行识别,得到0℃层以上关键水成物粒子库数和ZDR柱内关键水成物粒子的占比与增长速率,关键水成物粒子包括过冷水SWA、高密度霰HDG,计算降雹指数和降雹严重程度指数,发布相应预警。

2.如权利要求1所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法具体过程为:步骤一,获取单体的双偏振雷达数据和雷达基本参数,包括基本反射率ZH、差分反射率ZDR、差分传播相移率KDP以及零滞后相关系数ρHV和当地的探空数据;

步骤二,对双偏振雷达数据进行质量控制;

步骤三,获取经过质量控制后的单体内ZDR柱的具体参数,包括ZDR柱深度、ZDR柱宽度以及ZDR柱面积;

步骤四,采用微粒识别对单体内的关键水成物粒子进行统计,得到0℃层以上关键水成物粒子库数和关键水成物粒子在ZDR柱内的占比和时间变化率,关键水成物粒子包括过冷水SWA、高密度霰HDG,计算降雹指数和降雹严重程度指数,发布相应预警。

3.如权利要求2所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述步骤二中,对双偏振雷达数据进行质量控制,具体过程为:差分传播相移退折叠处理,差分传播相移滤波,基本反射率和差分反射率自适应性衰减订正。

4.如权利要求2所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述步骤三中,获取经过质量控制后的单体内ZDR柱的具体参数,具体过程为:提取双偏振雷达差分反射率沿雷达径向的垂直剖面,将处于环境0℃层以上且差分反射率ZDR≥1的连续区域定义为ZDR柱,ZDR柱沿雷达垂直剖面上ZDR≥1的距离库数为ZDR柱面积S,单位为库;ZDR柱深度为ZDR柱最大高度与环境0℃层高度之间的高度差H,单位为km;ZDR柱宽度为ZDR柱体投影到平面的长度L,单位为km;

根据公式H=r×s×sinα‑H0获取ZDR柱深度,其中,H为ZDR柱深度,单位为km,r为双偏振雷达的库长,单位为km;s为ZDR柱最大高度所在库数,α为ZDR柱最大高度所在库的仰角度数;

H0为当天环境0℃温度层所在高度,单位为km;

根据公式L=r×(s2×cosa2‑S1×cosαi)获取ZDR柱宽度,其中,L为ZDR柱宽度,单位为km;

r为双偏振雷达的库长,单位为km;s1为ZDR柱水平距离最接近雷达所在库数,单位为库;α1为所在库对应的仰角度数,单位为度;s2为ZDR柱水平距离最远离雷达所在的库数,单位为库;

α2为所在库对应的仰角度数,单位为度°。

5.如权利要求2所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述步骤四中,采用微粒识别对单体内的关键水成物粒子进行统计,得到0℃层以上关键水成物粒子库数和关键水成物粒子在ZDR柱内的占比和时间变化率,计算降雹指数和降雹严重程度指数,发布相应预警,具体过程为:第一步,采用不对称T型函数作为隶属函数对单体内关键水成物粒子进行识别;

第二步,采用权重求和的方法计算各隶属函数的加权结果,得出最终的粒子识别结果;

第三步,对ZDR柱内的SWA及HDG的数量和随时间的变化率进行统计;

第四步,关键水成物粒子在ZDR柱内的库数占比确定;

第五步,通过隶属函数对ZDR柱深度H、SWA与HDG在ZDR柱内的库数占比KSWA+KHDG、ZDR柱内SWA增长速率QSWA、ZDR柱内HDG增长速率QHDG参数进行模糊化,每个参数对应一个隶属函数;

第六步,计算成熟阶段ZDR柱最大深度的所处时刻;

第七步,通过隶属函数对CHt<0,m+n‑1时次单体内ZDR柱面积S、ZDR柱深度H、ZDR柱宽度L和

0℃层以上HDG数量THDG、SWA数量TSWA进行模糊化,每个参数对应一个隶属函数;

第八步,采用权重求和的方式,计算各参数隶属函数的加权结果,作为严重程度预测指数U,U的计算公式为:其中,n为隶属函数的参数个数,Mi为各个参数隶属函数的值,Ni为各个参数的权重值;

根据各个参数对雹胚生成数量的敏感程度,对M1、M2、M3、M4、M5分别赋予0.3、0.2、0.1、0.3、

0.1的权重值;

第九步,根据严重程度预测指数U的计算结果发布相对应的预警:当U≥0.8时,发布重雹预警;当0.4≤U<0.8时,发布中雹预警;当0≤U<0.4时,发布轻雹预警。

6.如权利要求5所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述第三步中,对ZDR柱内的SWA及HDG的数量和随时间的变化率进行统计,具体过程为:通过计算模型:

分别计算ZDR柱内的SWA与HDG的数量,单位为库;其中,i1,i2为ZDR柱在垂直剖面上的上下边界,j1、j2为ZDR柱在垂直剖面上的左右边界,H1为ZDR柱的最大深度,单位为km;H0为环境0℃层高度,单位为km;L1为ZDR柱的左侧边缘库数,单位为库;L2为ZDR柱的右侧边缘库数,单位为库;二维矩阵(i,j)表示微粒的具体位置;再通过公式 计算单位时间内ZDR柱内SWA增长速率,单位为库/min;公式 计算单位时间内ZDR柱内HDG增长速率,单位为库/min;

所述第四步中,关键水成物粒子在ZDR柱内的库数占比确定,具体过程为:过冷水SWA在ZDR柱内的库数占比:

其中,KSWA为过冷水SWA在ZDR柱内的库数占比,GSWA为ZDR柱内过冷水SWA的库数,单位为库;S为ZDR柱沿雷达垂直剖面上ZDR≥1的距离库数,单位为库;

高密度霰HDG在ZDR柱内的库数占比:

其中,KHDG为高密度霰HDG在ZDR柱内的库数占比,GHDG为ZDR柱内高密度霰HDG的库数,单位为库;S为ZDR柱沿雷达垂直剖面上ZDR≥1的距离库数,单位为库。

7.如权利要求5所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述第五步中,隶属函数的基本形式为:其中,Oi为各个参数隶属函数的值,O1为ZDR柱深度H的隶属函数值,O2为SWA与HDG在ZDR柱内的库数占比KSWA+KHDG的隶属函数值,O3为ZDR柱内SWA增长速率QSWA的隶属函数值,O4为ZDR柱内HDG增长速率QHDG的隶属函数值;右侧X1、X2、X3、X4为函数阈值,x为输入参数值;

所述第五步中,通过隶属函数对ZDR柱深度H、SWA与HDG在ZDR柱内的库数占比KSWA+KHDG、ZDR柱内SWA增长速率QSWA、ZDR柱内HDG增长速率QHDG参数进行模糊化,每个参数对应一个隶属函数,具体过程为:采用权重求和的方式,计算各参数隶属函的加权结果,作为降雹预测指数PP,PP计算公式为:其中,n为隶属函数的参数个数,Oi为各个参数隶属函数的值,Vi为各个参数的权重值;

根据各参数对雹胚生成的敏感程度采用不同的权重值,对O1、O2、O3、O4分别赋予0.3、0.3、

0.2、0.2的权重值;

根据降雹预测指数PP的计算结果发布相对应的预警:当0.1≤PP<0.8时,单体处于发展阶段,准备发布冰雹预警;当PP≥0.8时,单体处于成熟阶段,发布冰雹预警;当0≤PP<0.1时,单体处于消散阶段,解除冰雹预警。

8.如权利要求5所述基于雹云微物理与热动力特征的冰雹预警方法,其特征在于,所述第六步中,计算成熟阶段ZDR柱最大深度的所处时刻,具体过程为:按如下公式计算ZDR柱深度H的增率,

其中,CHt为t时次ZDR柱深度的增率,单位为km/min,Ht为t时次ZDR柱深度,单位为km,Ht‑1为t‑1时次ZDR柱深度,单位为km,单个时次为6min;

预警m个时次后,若CHm>0,说明m时次ZDR柱深度仍在增大,继续观测下一时次ZDR柱深度的增率;预警m+n个时次后,若CH(m+n)<0,说明(m+n)时次ZDR柱深度首次降低,则ZDR柱最大深度所处时刻为发布冰雹预警后的m+n‑1时次;

所述第七步中,隶属函数的基本形式为:

其中,Mi为各个参数隶属函数的值,M1为ZDR柱面积S的隶属函数值,M2为ZDR柱深度H的隶属函数值,M3为ZDR柱宽度L的隶属函数值,M4为0℃层以上HDG数量THDG的隶属函数值,M5为SWA数量TSWA的隶属函数值;右侧X1、X2、X3、X4为函数阈值,x为输入参数值。

9.一种计算机设备,其特征在于,所述计算机设备包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如下步骤:步骤一,获取单体的双偏振雷达数据和雷达基本参数,包括基本反射率ZH、差分反射率ZDR、差分传播相移率KDP以及零滞后相关系数ρHV和当地的探空数据;

步骤二,对双偏振雷达数据进行质量控制;

步骤三,获取经过质量控制后的单体内ZDR柱的具体参数,包括ZDR柱深度、ZDR柱宽度以及ZDR柱面积;

步骤四,采用微粒识别对单体内的关键水成物粒子进行统计,得到0℃层以上关键水成物粒子库数和关键水成物粒子在ZDR柱内的占比和时间变化率,关键水成物粒子包括过冷水SWA、高密度霰HDG,计算降雹指数和降雹严重程度指数,发布相应预警。

10.一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,使得所述处理器执行如下步骤:步骤一,获取单体的双偏振雷达数据和雷达基本参数,包括基本反射率ZH、差分反射率ZDR、差分传播相移率KDP以及零滞后相关系数ρHV和当地的探空数据;

步骤二,对双偏振雷达数据进行质量控制;

步骤三,获取经过质量控制后的单体内ZDR柱的具体参数,包括ZDR柱深度、ZDR柱宽度以及ZDR柱面积;

步骤四,采用微粒识别对单体内的关键水成物粒子进行统计,得到0℃层以上关键水成物粒子库数和关键水成物粒子在ZDR柱内的占比和时间变化率,关键水成物粒子包括过冷水SWA、高密度霰HDG,计算降雹指数和降雹严重程度指数,发布相应预警。