一種對流天氣的臨近預(yù)報方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天氣預(yù)報預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種對流天氣的臨近預(yù)報方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 災(zāi)害性天氣預(yù)報業(yè)務(wù)是預(yù)報預(yù)測體系發(fā)展的重要組成部分，尤其是對于地處沿 海，經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)，人口密集的地區(qū)，常受鋒面低槽、熱帶氣旋、季風(fēng)云團(tuán)等天氣系統(tǒng)的影 響，暴雨、雷暴、雷暴大風(fēng)、冰富、臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣常有發(fā)生，為災(zāi)害性天氣多發(fā)區(qū)。根據(jù)權(quán) 威部口統(tǒng)計，對城市構(gòu)成影響的各類自然災(zāi)害中，超過80%的災(zāi)害損失是由氣象災(zāi)害造成 的，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失約占GDP總量的1%~3%?；谏鲜鲈?，氣象防災(zāi)減災(zāi)對 災(zāi)害性天氣和氣象災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警能力提出了越來越高的要求，對重點(diǎn)時段、重點(diǎn) 區(qū)域的對流天氣臨近預(yù)報的需求更為迫切。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多種遙感遙測資料的有效應(yīng)用、數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)及 高性能計算機(jī)能力不斷提高，現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)進(jìn)入了新的快速發(fā)展時期，目前，業(yè)務(wù)上主要采 用基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的雷暴識別追蹤技術(shù)和自動外推預(yù)報技術(shù)來進(jìn)行0~2小時的對流天氣臨 近預(yù)報。
[0004]自動外推預(yù)報技術(shù)主要包括兩類；單體質(zhì)屯、法和交叉相關(guān)法；單體質(zhì)屯、法是將雷 暴視為=維單體進(jìn)行識別、分析、追蹤，對雷暴進(jìn)行擬合外推來做臨近預(yù)報；交叉相關(guān)法利 用求雷達(dá)回波最優(yōu)空間相關(guān)的方法，在二維區(qū)域內(nèi)通過計算連續(xù)時次雷達(dá)回波在不同區(qū)域 的最優(yōu)空間相關(guān)系數(shù)，來確定雷達(dá)回波過去的移動矢量特征，建立不同時次雷達(dá)回波的最 佳擬合關(guān)系，從而追蹤到一定區(qū)域內(nèi)雷達(dá)回波過去的移動特征，然后通過該些移動特征來 外推雷達(dá)回波未來的位置和形狀。與單體質(zhì)屯、法只能用于對流降水系統(tǒng)相比，交叉相關(guān)法 既可W跟蹤對流降水系統(tǒng)，也可W追蹤層狀云降水，因此，交叉相關(guān)法在氣象業(yè)務(wù)部口得到 廣泛使用。然而，在交叉相關(guān)法的使用過程中，發(fā)現(xiàn)對于局地生成的降水回波，W及強(qiáng)度和 形狀隨時間變化很快的降水回波來說，交叉相關(guān)法給出的運(yùn)動矢量場的質(zhì)量降低，導(dǎo)致跟 蹤失敗的情況顯著增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種對流天氣的臨近預(yù)報方法及系統(tǒng)，旨在解決目前的對流天 氣臨近預(yù)報中，交叉相關(guān)法給出的運(yùn)動矢量場的質(zhì)量降低，導(dǎo)致跟蹤失敗的情況顯著增加 的問題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種對流天氣的臨近預(yù)報方法，其特征在于，包括：
[0007] 獲取探測區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)拼圖；
[0008] 基于所述雷達(dá)拼圖，采用局部約束的光流法計算得到雷達(dá)回波的光流場，對于所 述光流場的光流（u，v)，所述u，v為所述雷達(dá)拼圖其中一點(diǎn)的光流在x，y方向上的分量，該 點(diǎn)在時刻t的灰度值為I(X，y，t)，相應(yīng)的光流約束方程為；
[0009] IxU+IyV+It= 0，
[0010] 其中
，同時，引入進(jìn)一步 的約束條件來求解所述光流約束方程：
[0011]
[0012] 依據(jù)所述雷達(dá)回波的光流場進(jìn)行雷達(dá)回波外推，完成對流天氣的臨近預(yù)報。
[0013] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種對流天氣的臨近預(yù)報系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為基 于地理信息系統(tǒng)GIS的可視化平臺，包括服務(wù)器和客戶端，所述客戶端用于顯示所述服務(wù) 器的臨近預(yù)報結(jié)果，所述服務(wù)器包括：
[0014] 獲取單元，用于獲取探測區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)拼圖；
[0015] 運(yùn)算單元，用于基于所述雷達(dá)拼圖，采用局部約束的光流法計算得到雷達(dá)回波的 光流場，對于所述光流場的光流（U，V)，所述U，V為所述雷達(dá)拼圖其中一點(diǎn)的光流在X，y方 向上的分量，該點(diǎn)在時刻t的灰度值為I(X，y，t)，相應(yīng)的光流約束方程為；
[0016] IxU+IyV+It=0，
[0017] 其中；
同時，引入進(jìn)一步 的約束條件來求解所述光流約束方程：
[0018]
[0019] 預(yù)報單元，用于依據(jù)所述雷達(dá)回波的光流場進(jìn)行雷達(dá)回波外推，完成對流天氣的 臨近預(yù)報。
[0020] 在本發(fā)明實(shí)施例中，采用了使用局部約束的光流法計算得到雷達(dá)回波的光流場， W此來代替交叉相關(guān)法中的運(yùn)動矢量場，用于進(jìn)行對流天氣的臨近預(yù)報，從而能夠準(zhǔn)確地 完成對雷達(dá)回波的識別、追蹤和運(yùn)動估計，提升了對流天氣臨近預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報性能。
【附圖說明】
[0021] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述 中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可W根據(jù)該些 附圖獲得其他的附圖。
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的對流天氣的臨近預(yù)報方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的對流天氣的臨近預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] W下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)之類的具 體細(xì)節(jié)，W便透切理解本發(fā)明實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在沒有該些具體 細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例中也可W實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，省略對眾所周知的系統(tǒng)、裝置、電 路W及方法的詳細(xì)說明，W免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本發(fā)明的描述。
[0025] 在本發(fā)明實(shí)施例中，采用了使用局部約束的光流法的pticalFlow)計算得到雷達(dá) 回波的光流場，W此來代替交叉相關(guān)法中的運(yùn)動矢量場，用于進(jìn)行對流天氣的臨近預(yù)報，從 而能夠準(zhǔn)確地完成對雷達(dá)回波的識別、追蹤和運(yùn)動估計，提升了對流天氣臨近預(yù)報系統(tǒng)的 預(yù)報性能。
[0026] 為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來進(jìn)行說明。
[0027] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的對流天氣的臨近預(yù)報方法的實(shí)現(xiàn)流程，詳述如 下：
[002引在S101中，獲取探測區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)拼圖。
[0029]例如，在本文實(shí)驗(yàn)中所使用的雷達(dá)資料為新一代S波段多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD/ SA)掃描的強(qiáng)度場（反射率因子）拼圖資料。在VCP21探測模式下，每隔6分鐘對9個仰 角進(jìn)行掃描，雷達(dá)最低仰角為0. 5°，強(qiáng)度場的最大探測半徑為460公里，同時，采用時間同 步軟件進(jìn)行時間同步，確保所有雷達(dá)能同步掃描。為計算方便，把極坐標(biāo)格式的雷達(dá)資料用 AWS插值法插值到=維直角坐標(biāo)系中。同時，由于雷達(dá)拼圖資料經(jīng)常存在雜波和亮帶等虛 假回波，而該些虛假回波經(jīng)常出現(xiàn)在低層，因此，可W取2. 5km高度的雷達(dá)CAPPI拼圖數(shù)據(jù) 作為雷達(dá)回波場，此層雷達(dá)回波能代表對流水平分布特征，比較具有代表性，并且在很大程 度上避免了虛假回波和地物雜波的影響。
[0030] 在S102中，基于所述雷達(dá)拼圖，采用局部約束的光流法計算得到雷達(dá)回波的光流 場。
[0031] 光流法的基本原理如下：W圖像亮度變化作為識別對象，運(yùn)動目標(biāo)和觀測器之間 的相對運(yùn)動在圖像序列中產(chǎn)生瞬時位移，從而能夠體現(xiàn)圖像亮度模式的表觀運(yùn)動，圖像中 所有像素點(diǎn)的亮度光流就構(gòu)成了圖像的光流場，而光流法的核屯、就是從連續(xù)的圖像序列中 計算光流場。
[0032]因此，簡單說來，光流場就是類剛體物體的速度矢量場。在天氣預(yù)報領(lǐng)域，速度矢 量一般用U，V兩個分量來表達(dá)。假設(shè)笛卡爾坐標(biāo)平面上有一點(diǎn)（X，Z)，它代表=維空間中某 一點(diǎn)（x，y，z)在圖像平面上的投影，該點(diǎn)在時刻t的灰度值（光亮度值）為I(x，y，t)。假 定該點(diǎn)在（t+At)時運(yùn)動到（X+Ax，y+Ay),在一定時間間隔At內(nèi)灰度值保持不變，即；
[0033]I(x+uAt,y+vAt,t+At) =I(x,y,t) , (1) (1)式中，u，v分別是該點(diǎn)的光 流在x，y方向上的分量。假設(shè)亮度I(x，y)隨時間t平滑變化，可W將（1)式按泰勒公式展 開，得到：
[0034]
(2)
[003引其中，e為包括AX，Ay，AZ的二次W上無窮小項(xiàng)，似式消去I(X，y，t)，用At除等式兩邊，并取At- 0的極限后，可求得：
[0036]
(3)
[0037] 做式實(shí)際上是^二0晩展開式，可W簡寫為： dt
[0038] IxU+IyV+It= 0， （4) 其中：
（