利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法與流程
2023-10-07 15:12:04 1
本發明涉及一種利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法。
背景技術：
對閃電活動進行有效的監測和預報有利於降低閃電造成的災害損失，為此，人們對閃電監測和預報手段的研究從未停止。雷電活動的特徵與雷暴的電荷分布密切相關，研究雷暴雲內的電荷分布是揭示雷暴發展規律的重要途徑，也可為雷電監測預警、人工引雷提供理論基礎，因此研究雷暴雲的電荷分布具有十分重要的理論意義和應用價值。
雷暴電荷結構的探測主要是利用探空氣球、火箭、飛機等運載工具搭載電場探空儀進行雷暴雲穿雲探測，其中又以探空氣球為主，由探測的電場廓線推斷雲內的電荷分布。也有一些利用天氣雷達、lma(lightningmappingarray)等多種探測設備對雷暴進行探測，根據閃電輻射源在雷暴中的位置推斷雷暴電荷結構的研究。利用探空氣球進行電場探空對於研究雷暴電荷結構有著不可替代的作用，但現有的探測方式至少還存在以下尚需進一步改進或解決的問題：(1)探測的時效性問題，探空氣球攜帶電場探空儀進行探空是最常用的手段，但探空氣球由於升速的限制，探空儀從進入雷暴雲底部至到達雷暴雲頂部所需的時間約為20分鐘，由於雷暴單體的發展速度較快，探空儀上升時段內雷暴雲電荷結構會存在較大變化，探空儀探測結果並不能真正反映雷暴電荷分布；(2)探測的空間代表性問題，探空氣球從雲底到雲頂上升過程中，受水平風的影響，無法控制其運動軌跡，測量結果並不一定是預定測量區域的值，且測量值也僅為探空氣球運動軌跡內的值，並不能反映整個雷暴區域的電荷分布；(3)探測的時間地點選擇問題，雷暴必須出現在具備探測條件的地點才能進行探空測量，「守株待兔」的探測方式僅能在有限的時間和區域內獲取非常有限的信息；此外，利用探空氣球進行電場探空的方式還存在效費比低的問題，需要大量的人力、物力進行保障，使得雷暴電場探空難以進行業務推廣。另外，包含完整天氣過程的數值天氣預報模式的spin-up時間一般需要3至6個小時，而一般雷暴雲的生命史只有不到3個小時，因此採用數值模式來預報雷暴電荷結構也非常困難。
為解決以上問題，本發明提出一種利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法。
技術實現要素：
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本發明的目的在於提供一種利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法，實現利用雙偏振都卜勒天氣雷達完成實時高效的雷暴電荷分布探測。
為達成上述發明目的，本發明的技術方案如下：一種利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法，其特徵在於：該方法利用雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測回波數據為參量反演雷暴電荷分布。
其包括如下步驟：
s1：通過雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測回波數據反演雷暴粒子類型；
s2：通過分析雷暴不同類型水成物粒子荷電敏感性，獲取水成物粒子荷電敏感因子，並由該因子建立水成物粒子荷電的參數化方案；
s3：建立雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測回波數據與水成物粒子荷電敏感因子之間的映射關係，其中雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測回波數據包括反射率因子、都卜勒速度、譜寬、水成物粒子類型、高度等參量信息；
s4：根據映射關係將雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測回波數據中反射率因子、都卜勒速度、譜寬、水成物粒子類型、高度參量信息逐點轉換為水成物粒子荷電參數化方案所需的水成物粒子類型、碰撞速度、環境溫度、水汽含量及濃度相關參量，並將轉換後結果帶入水成物粒子荷電的參數化方案，逐點計算出各回波數據點的電荷量，實現雷暴電荷分布的反演至結束。
優選地，所述雷暴電荷分布的反演以雙偏振都卜勒天氣雷達雷暴探測得到的雷達回波數據為基本數據，利用反射率因子zh、都卜勒速度v、譜寬w、雙偏振回波信息(差分反射率因子zdr、雙程差分傳播相位常數kdp、雙程差分傳播相位φdp、相關係數ρhv、線性退偏振比ldr)、數據點的空間位置信息以及數據點所在位置的溫度信息等為基本參數進行雷暴電荷分布反演。
優選地，所述雷暴電荷分布反演過程依賴於雷達回波參量與水成物粒子荷電敏感因子的映射關係，如式(1)所示，將雷達回波參量轉換為水成物粒子荷電敏感因子，再帶入水成物粒子荷電的參數化方案，求出粒子的荷電量。
f(wv,t,ρ,vc,tp)＝f(zh,v,w,tp,h)(1)
優選地，所述水成物粒子荷電的參數化方案可根據實驗和數值模擬方法得到，參數化方案的精度影響電荷反演精度。
優選地，所述利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴電荷分布的方法的具體反演算法步驟為：
確定反演區域，進行格點劃分；
得到各格點的雷達坐標，提取雷達回波參量，參量包括：回波反射率因子zh、都卜勒速度v、譜寬w、雙偏振回波信息(差分反射率因子zdr、雙程差分傳播相位常數kdp、雙程差分傳播相位φdp、相關係數ρhv、線性退偏振比ldr)，對於無數據格點，採用插值算法進行插值得到數據；
利用水成物粒子類型反演算法，如模糊邏輯法，通過雙偏振雷達回波參量對雷暴粒子類型進行反演；
將回波反射率因子zh、都卜勒速度v、譜寬w、水成物粒子類型、格點的高度h為參數，換算為水成物粒子荷電的參數化方案水成物粒子類型tp、碰撞速度vc、環境溫度t2、水汽含量wv及濃度ρ；
將水成物粒子類型tp、碰撞速度vc、環境溫度t、水汽含量wv及濃度ρ帶入水成物粒子荷電的參數化方案q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)，求取各格點帶電量，得到反演區域的電荷分布。
本發明的優點在於：(1)探測的實時性高，雙偏振都卜勒天氣雷達完成一次體掃僅需幾分鐘，一次rhi掃描僅需幾秒到十幾秒，可對雷暴發展過程的電荷分布演變進行動態監測；(2)探測的空間範圍廣，雷達可對其周圍上百公裡半徑區域內的雷暴進行實時監測，獲取雷暴的總體結構特徵，由雷達回波數據得到的電荷分布為整個雷暴範圍內的分布，而不僅僅是探空氣球運動軌跡內的電場曲線；(3)探測的效費比高，利用雙偏振都卜勒天氣雷達探測雷暴電荷分布，實際上是增加了雷達數據的二次產品，所需的投入主要在理論研究、試驗分析和工程開發階段，一旦完成開發則無需更多的投入，使用中也無需投入額外的人力、物力，適合業務推廣。
附圖說明
圖1是本發明的雷暴電荷分布反演方法基本步驟。
圖2是本發明水成物粒子荷電的參數化方案設計流程圖。
圖3是本發明涉及的模糊邏輯法粒子類型識別流程圖。
圖4是本發明實現算法的具體流程。
具體實施方式：
下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
由於雙偏振都卜勒天氣雷達對雷暴進行探測時，回波參量中並不能直接獲取雷暴的電學特徵，雙偏振都卜勒天氣雷達本身不具備直接探測雷暴電荷的能力；但如果將雷暴的起電理論和雙偏振都卜勒天氣雷達探測技術相結合，建立雷暴起電機制和雷達回波參量之間的聯繫，利用回波參量對雷暴電荷分布進行反演，則可以間接得到雷暴的電荷分布，從而實現由雙偏振都卜勒天氣雷達對雷暴電荷分布的探測。本發明方法即基於以上思路提出的，圖1給出了實施本發明方法的基本步驟。由於本方法是基於水成物粒子荷電參數化方案，因此，如圖1所示：
首先需要利用雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴粒子類型分布；
再根據模擬仿真或實驗得到水成物粒子荷電參數化方案；
由於雷達回波參數並不能直接作為水成物粒子荷電參數化方案需要的參數，因此需要建立雷達回波參量與水成物粒子荷電敏感因子的映射關係：
f(wv,t,ρ,vc,tp)＝f(zh,v,w,tp,h)
再將逐點雷達回波參數轉換為水成物粒子參數化方案所需的參數：
(zh,tp,v,h,w)＝>(wv,t,ρ,vc,tp)
將轉換後的值帶入水成物粒子荷電參數化方案，逐點計算數據點電荷量：
q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)
圖1中所述的雙偏振都卜勒天氣雷達回波反演雷暴粒子類型，可採用如圖2所示的模糊邏輯法實現，首先對反演區域進行網格劃分，逐網格點讀取的雙偏振雷達回波參數，通過參數模糊化、計算類型分值、獲取最大分值類型等步驟，實現對各網格點粒子類型的反演。
圖1中所述的水成物粒子荷電參數化方案為可調參數的方案，方案精度對雷暴電荷反演精度有很大影響，該參數化方案可通過數值模擬和實驗驗證的方式得出，圖3給出了一種設計水成物粒子荷電參數化方案的基本思路，首先找出影響不同水成物粒子荷電及雷暴雲電荷結構分布的敏感性參量，如水成物粒子類型及密度、溫度、風速、水汽含量等參量；再根據這些敏感性參量與不同水成物粒子的荷電分布結構，採用函數擬合或機器學習方法(如bp神經網絡、支持向量機等)，構建由敏感性參量分析不同水成物粒子荷電分布結構的參數化方案，即得到水成物粒子荷電量的方程：
q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)
並採用函數擬合或機器學習方法形成的參數化方案計算的雷暴雲電荷結構分布與雷電數值模式模擬結果進行比較分析，對參數化方案進行優選改進。
圖4給出了利用該方法實現雷暴電荷分布反演的具體流程，首先對需要反演電荷分布的雙偏振都卜勒雷達雷暴探測區域進行網格劃分，網格數為n；然後逐點讀取雷達回波參數；再通過讀取的雷達回波參數進行雷暴粒子類型反演並進行參數轉換，得到水成物粒子參數化方案的輸出參數；將粒子類型和轉換後的參數帶入水成物粒子參數化方案；最好計算出網格點的電荷量。通過逐點計算各網格點的電荷量，即得到整個反演區域的電荷分布。
當然上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。