专利名称：天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及现代多普勒天气雷达监测产品一雷达径向风场的信息提取、动力学量化分析与天气信息图形化显示，属于新一代天气雷达探测资料精细化客观定量应用的技术领域。
背景技术：
现代天气雷达探测大气环境的局地精细化动态结构与特征，其产品主要为3个通道的信息:回波强度(PPI)，径向风速，谱宽。其中回波强度给出探测范围内的云体位置及其移动，直观明了，在日常业务中受到最多关注与使用。径向风虽然给出了风速大小，但由于它仅仅为实际风的部分成分，与实际风并不一致，因此它对实况风场的反映需要经过专业化处理才能提供局域风场的客观信息。因此，在没有有效客观的信息提取方法情况下，主要的应用是某些特定系统的定性识别，因此使用率远不如回波强度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过对天气雷达径向风信息进行提取、处理、分析与展示的系列流程，定量地反映大气中小尺度环流的径向风局域精细化结构，充分显示雷达径向风含有的风场天气动力信息，为中小尺度天气系统和局地强对流天气的预测预警提供快捷、清晰、量化、直观的参考结论及指标。丰富天气雷达监测产品，有效利用新一代天气雷达的监测预警功能。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，包括数据预处理模块、径向风分解模块、计算与验证模块；其中，所述数据预处理模块用于对雷达实测径向风数据进行投影、滤波和消噪声处理；所述径向风分解模块用于对数据预处理模块处理后的径向风数据进行风矢量分解和坐标转化处理；所述计算与验证模块用于根据径向风分解模块的分解结果提取雷达径向风场信息；其中:(I)所述数据预处理模块包括体扫面选择模块、数据滤波模块、误差校正模块、数据消噪声模块；其中:所述体扫面选择模块用于对原始径向风速度数据场按照体扫面逐一进行筛选，当某一径向风速度数据场中属于缺测和距离折叠的范围大于全场面积的1/3时，该体扫面被从参与继续分析的体扫面序列中剔除，转向对下一个体扫面的筛选；所述数据滤波模块用于对体扫面选择模块筛选出的径向风速度数据场进行速度等级归并，即将随机风速归并为统一确定的速度等级，每个速度等级代表一个确定的速度范围，以此简化数据特征；所述误差校正模块用于对数据滤波模块处理后的径向风速度数据中存在的速度模糊问题进行弥补和规范处理，得到等级化的雷达径向风速度场；所述数据消噪声模块用于对所述等级化的雷达径向风速度场进行空间噪音消除，消除散布的非均匀离散分布的异值风速点和小区斑，即对于等风速带中的噪声进行消噪音处理；至此，得到经数据预处理后的极坐标中的径向风速度场，并进行存储；(2)径向风分解模块包括分解模块和第一验证模块；其中:所述分解模块用于将极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标中，形成U、V两个径向风分量场；所述第一验证模块用于对分解模块的分解效果进行检验；(3)计算与验证模块包括运算模块、第二验证模块，其中:所述运算模块用于对分解后的雷达径向风场进行流函数与势函数的迭代求解，获得径向风速度场的流动旋转成分与辐散成分的空间分布形态和表现特征；所述第二验证模块用于对流函数与势函数运算效果的检验，通过反向计算重建U、
V分量场，再与前述分解模块分解获得的u、v径向风分量场进行相关对比，验证迭代运算的收敛与合理。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，还包括一个用于对计算与验证模块所提取的雷达径向风场信息进行分析处理并展示的信息处理模块；所述信息处理模块包括分类存储模块、统计运算模块、图表显示模块；其中:所述分类存储模块用于依据雷达径向风速度场的流函数和势函数分布特征，对流函数和势函数场进行分类存储；所述统计运算模块用于针对雷达所监测的天气事件，进行雷达径向风分类信息反映效果的统计；所述图表显示模块通过制作信息指标图表，对径向风动力特征进行定量化指标化显不O作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述数据滤波模块的处理包括投影、滤波两步骤，其中，所述投影步骤具体为:采用公式Vre=Ucosa将具有仰角的每一体扫面上的径向风速度场格点数据乘以该体扫面的仰角余弦，即将具有仰角的倾斜体扫面投影到水平面，其中a为体扫面仰角，代表倾斜体扫面上格点径向风速，Vrs代表水平面上格点径向风速；所述滤波步骤具体为:根据PUP处理器中显示系统对径向风场的显示级别，参考MTM算法进行中值滤波，达到每一级中的径向风速度都归并为该级的中值，以此滤除一部分径向风速度数据的随机脉动噪音；其中，MTM算法的数学表示为:outi=average {(Xi) /D1- δ ^ Xi ^ Di+ δ , i e wj
其中，OUti为经中值滤波后的输出值，力表示选定范围内参与运算的点集合，δ为选定的点值强度区间阈值，Xi为任意点径向风速值，Di为中值。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述误差校正模块的处理具体包括判断、标记、处理、存储步骤；其中，所述判断步骤是对每个雷达体扫面进行检查，根据数据变化特征找到某体扫面上速度模糊的区域，所述速度模糊是在风速区中速度的空间变化不是按梯度演变，而是突然发生符号相反的极值数据区；所述标记步骤是对发现的速度模糊区域进行标记，即对该速度模糊区中的各格点在所在雷达体扫面径向风数据场中的位置进行确定；所述处理步骤是对该速度模糊区内每个格点风速数据进行符号改变处理，以消除速度模糊；所述存储步骤是将速度模糊订正后的数据场进行存储，以备后续过程使用。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述分解模块将投影后在平面极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标系中，具体为:首先，将极坐标中的径向风格点值分解成u、v两个分两场:
权利要求
1.一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，包括数据预处理模块、径向风分解模块、计算与验证模块；其中，所述数据预处理模块用于对雷达实测径向风数据进行投影、滤波和消噪声处理；所述径向风分解模块用于对数据预处理模块处理后的径向风数据进行风矢量分解和坐标转化处理；所述计算与验证模块用于根据径向风分解模块的分解结果提取雷达径向风场信息；其中: (1)所述数据预处理模块包括体扫面选择模块、数据滤波模块、误差校正模块、数据消噪声模块；其中: 所述体扫面选择模块用于对原始径向风速度数据场按照体扫面逐一进行筛选，当某一径向风速度数据场中属于缺测和距离折叠的范围大于全场面积的1/3时，该体扫面被从参与继续分析的体扫面序列中剔除，转向对下一个体扫面的筛选； 所述数据滤波模块用于对体扫面选择模块筛选出的径向风速度数据场进行速度等级归并，即将随机风速归并为统一确定的速度等级，每个速度等级代表一个确定的速度范围，以此简化数据特征； 所述误差校正模块用于对数据滤波模块处理后的径向风速度数据中存在的速度模糊问题进行弥补和规范处理，得到等级化的雷达径向风速度场； 所述数据消噪声模块用于对所述等级化的雷达径向风速度场进行空间噪音消除，消除散布的非均匀离散分布的异值风速点和小区斑，即对于等风速带中的噪声进行消噪音处理； 至此，得到经数据预处理后的极坐标中的径向风速度场，并进行存储； (2)径向风分解模块包括分解模块和第一验证模块；其中: 所述分解模块用于将极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标中，形成U、V两个径向风分量场； 所述第一验证模块用于对分解模块的分解效果进行检验； (3)计算与验证模块包括运算模块、第二验证模块，其中: 所述运算模块用于对分解后的雷达径向风场进行流函数与势函数的迭代求解，获得径向风速度场的流动旋转成分与辐散成分的空间分布形态和表现特征； 所述第二验证模块用于对流函数与势函数运算效果的检验，通过反向计算重建U、V分量场，再与前述分解模块分解获得的U、V径向风分量场进行相关对比，验证迭代运算的收敛与合理。
2.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，还包括一个用于对计算与验证模块所提取的雷达径向风场信息进行分析处理并展示的信息处理模块；所述信息处理模块包括分类存储模块、统计运算模块、图表显示模块；其中: 所述分类存储模块用于依据雷达径向风速度场的流函数和势函数分布特征，对流函数和势函数场进行分类存储； 所述统计运算模块用于针对雷达所监测的天气事件，进行雷达径向风分类信息反映效果的统计； 所述图表显示模块通过制作信息指标图表，对径向风动力特征进行定量化指标化显/Jn ο
3.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述数据滤波模块的处理包括投影、滤波两步骤，其中， 所述投影步骤具体为: 采用公式V =Uc0sa将具有仰角的每一体扫面上的径向风速度场格点数据乘以该体扫面的仰角余弦，即将具有仰角的倾斜体扫面投影到水平面，其中α为体扫面仰角，V 代表倾斜体扫面上格点径向风速，Vrs代表水平面上格点径向风速； 所述滤波步骤具体为: 根据PUP处理器中显示系统对径向风场的显示级别，参考MTM算法进行中值滤波，达到每一级中的径向风速度都归并为该级的中值，以此滤除一部分径向风速度数据的随机脉动噪音；其中， MTM算法的数学表示为:outi=average {(Xi) /D1- δ ^ Xi ^ Di+ δ，i e wj 其中，OUti为经中值滤波后的输出值，Wi表示选定范围内参与运算的点集合，δ为选定的点值强度区间阈值，Xi为任意点径向风速值，Di为中值。
4.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述误差校正模块的处理具体包括判断、标记、处理、存储步骤；其中， 所述判断步骤是对每个雷达体扫面进行检查，根据数据变化特征找到某体扫面上速度模糊的区域，所述速度模糊是在风速区中速度的空间变化不是按梯度演变，而是突然发生符号相反的极值数据区； 所述标记步骤是对发现的速度模糊区域进行标记，即对该速度模糊区中的各格点在所在雷达体扫面径向风数据场中的位置进行确定； 所述处理步骤是对该速度模糊区内每个格点风速数据进行符号改变处理，以消除速度模糊； 所述存储步骤是将速度模糊订正后的数据场进行存储，以备后续过程使用。
5.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述分解模块将投影后在平面极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标系中，具体为: 首先，将极坐标中的径向风格点值分解成U、V两个分两场:
6.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述第一验证模块采用交叉验证方法对分解模块的分解方法和效果进行验证。
7.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述运算模块的具体处理步骤为: 根据亥姆霍兹原理，将实际风场f分解成无辐散风向分量场f和无旋风向分量场&，即:ν = νΨ+νχ.,其中无辐散风向分量场=其中V为流函数，左为与流函数垂直的涡旋矢量方向；无旋风向分量场:^ = -v；r，其中X为势函数； 使用泊松方程，通过张弛迭代法求解出研究区域的径向风流函数Ψ与势函数X，所述泊松方程为:V V = Cr, V2X = -D ; 其中，Dr> ζ r分 别为从直角坐标中的u, V分量场求出的径向风的散度与润度。
全文摘要
本发明公开了一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，属于天气雷达精细化定量测量应用的技术领域。本发明包括数据预处理模块、径向风分解模块、计算与验证模块；其中，所述数据预处理模块用于对雷达实测径向风数据进行投影、滤波和消噪声处理；所述径向风分解模块用于对经数据预处理模块处理后的径向风数据进行风矢量分解和坐标转化处理；所述计算与验证模块用于根据径向风分解模块的分解结果提取雷达径向风场信息。本发明实用性强，只要提供径向风场数据及数据显示规则就可进行系列运算，方便嵌入业务预测预警系统、易于结合进入天气雷达硬件显示系统，也可直接用于科研分析，因此应用范围广、技术适应性好。
文档编号G01S13/95GK103197299SQ20131009752
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者王坚红, 邢彩盈, 苗春生, 王群, 徐良谋 申请人:南京信息工程大学