一种强风暴结构特征的三维显示方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种强风暴结构特征的显示方法，尤其是涉及一种强风暴结构特征的 三维显示方法。
【背景技术】
[0002] 强对流天气（包括雷电、冰雹、雷雨、大风等现象），也称强风暴，是大气对流活动 强烈发展而产生的灾害性天气，其发生时会造成巨大的社会危害。由于强风暴空间尺度较 小、持续时间较短，运用常规观测手段难以对其进行有效监测。多普勒天气雷达因为具有很 高的时空分辨率，是目前强风暴的主要遥感监测手段之一。通过分析雷达数据可以监测风 暴的三维空间结构。因此，研究如何对多普勒雷达采集的数据进行自动分析，准确而快速 地识别出各种类型强风暴内部结构的边界，借助可视化的技术清晰的展示这些强风暴的空 间结构，从而辅助预报员更好地识别出强风暴体的特征，对其未来的发展趋势进行准确的 预测，具有极其重大的实际应用意义。
[0003] 以多普勒雷达探测到的数据为分析对象，目前已有很多关于层云和对流云分类， 以及风暴体识别的研究。最早期的风暴识别算法将反射率阈值定为30dBZ，对流区域中超过 该阈值的区域被划分为风暴单体。这种简单的分类造成大于30dBZ的广大区域如飚线、中 尺度对流复合体和热带风暴等都被识别为一个单体，对小间隔的风暴群的识别效果并不理 想。
[0004] 风暴是在三维时空中快速发展的结构体，以上各种识别方法大都只能用于识别二 维的风暴区域，区分出层云和对流云，无法对风暴各类属性的立体结构特征进行识别，预报 员无法从识别结果中直观地观测到强风暴体的复杂空间结构和演变状况。因此，根据多普 勒雷达数据的空间分布特点，将强风暴识别结果直接快速地三维可视化，更为直观和全面 地展现所观测到的强风暴内部的空间结构，从而有效地辅助预报员进行预测，也是一个急 需解决的问题。
[0005] 认识到气象数据的三维可视在分析和预报方面的重要应用，国内外各公司和研 究院（所）开发了多种气象数据的可视化系统。经过比较现有的多种显示系统发现， GR2analyst软件对于强风暴数据的显示效果较为清晰。该软件以新一代天气雷达二级、三 级数据为输入，可以高质量的半透明三维效果展现风暴结构的发展状况。但是，透明度的设 置需要依靠用户凭借经验进行手工调节，不仅操作略为繁琐，而且显示效果受到参数调节 的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种强风暴结构特征的三维显示方法。该方法 能动态分析雷达反射率数据和其梯度的变化规律，自动地抽取和显示区域中强风暴体内强 风暴区域、强风暴内核区域、暴雨内核区域和冰雹区域4类典型结构，自动调节透明度，并 对该结构特征进行加强三维显示。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种强风暴结构特征的三维显示 方法，包括以下步骤：①雷达数据预处理；②强风暴区域识别；③计算识别出的强风暴区域 内的雷达水平反射率梯度分布，依据梯度的变化特征自适应地抽取强风暴内包括短时强 降水、雷雨大风和冰雹类型的特征区域的边界阀值；④强风暴结构特征的三维显示，步骤③ 的具体方式为：
[0008] ③一 1 :计算强风暴区域中的平均反射率梯度值的分布曲线；
[0009] 对于单个强风暴，遍历强风暴区域中的所有格点，以离散差分的形式计算每个格 点的反射率强度所对应的梯度值，然后计算强风暴区域中所有格点的反射率强度对应的梯 度值的平均值，得到该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)， 其中，r e [25, 60]dBZ，表示反射率强度的变化值区域；
[0010] ③一2 :计算强风暴区域的边界阀值Irav，即确定强风暴体的内边界；
[0011] 首先，根据强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)，计 算re [25,60]dBZ区域范围内平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)的平 均值，定义为
其中，abs表示取数值绝对值，然后根据上述公式找 到强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)上的最大值G(rp)和 最小值 G (rv)，并定义 G (rp) = max (G (r))，r e [25, 45]，G (rv) = min (G (r))，r e [35, 55]， 其中，r，rv分别是最大值G(rp)和最小值G(rv)所对应的反射率强度，再根据公式G a =(G (rp) -G (rv)) / (rv-rp)计算强风暴区域中r e [rv, rp] dBZ区间的平均梯度值相对于 反射率强度变化的分布曲线G (r)的平均递减率G a;然后，继续分析强风暴区域中平均 梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)在r e [30,38]dBZ区间的曲线特征， 并定义下面的布尔关系式：B(r，s) = (G(r)-G(r-s))>Gd&(G(;r)-G(r+s))>Gd，S(;r，s)= (G(r)-G(r+s))>sXG a，其中&表示逻辑与，X表示标量乘法，s为1或2或3,然后逐点计 算B(r, s)和S(r, s)，如果B(r, l)&B(r, 2)&B(r, 3)为真，则该强风暴区域中平均梯度值相对 于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有局部峰值特征；如果 S(r，l)&S(r，2)&S(r，3)为真，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布 曲线G (r)中的反射率强度r对应的位置右侧具有显著递减特征；
[0012] 当强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)具有局部峰 值特征或者右侧显著递减特征时，定义该处的反射率强度r为强风暴区域的边界阀值T rav;
[0013] ③一3 :计算强风暴内核区域的边界阀值Tinrav，即确定强风暴内核区域的内边界；
[0014] 遍历反射率强度r e [40, 48]dBZ区域的平均梯度值相对于反射率强度 变化的分布曲线 G(r)，计算 B(r，l)&B(r，2)&B(r，3)和 S(r，l)&S(r，2)&S(r，3)，如 果8(^1)&8&，2)&8匕3)为真，则该强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率 强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有局部峰值特征；如果 S (r，I)&S (r，2)&S (r，3)为真，则该强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的 分布曲线G (r)中的反射率强度r对应的位置右侧具有显著递减特征；
[0015] 当强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)具有局 部峰值特征或者右侧显著递减特征时，定义该处的反射率强度r为强风暴内核区域的边界 阀值Tinrav，如果计算出的强风暴内核区域边界阈值Tinrav满足abs (G (T _v) -G (Ο) <Gd时， 则将强风暴内核区域的边界阀值Tinrav用强风暴区域的边界阀值T rav表示；
[0016] ③一4 :计算强风暴暴雨内核区域边界阀值Thf3avyrain，判定短时强降水特征的存在 与否；
[0017] 定义 Bhrl(r，s) = (G(r+s)-G(r))>sXGd，Bhr2Cr, s) = (6〇"+8)-6(1〇)〈8\6(1，然后 遍历反射率强度re[48,55]dBZ区域的曲线G(r)，当B ω(r，l)&Bω(r，2)&Btol(r，3)为真 时，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强 度r对应的位置具有右侧连续递增特征；当B to2(r，l)&Bto2(r，2)&Bhrf(r，3)为真时，则该强 风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G (r)中的反射率强度r对应的 位置具有右侧连续递减特征；当强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲 线G (r)具有右侧连续递增特征或者右侧连续递减特征时，定义短时强降水特征存在，并将 该处的反射率强度r定义为强风暴暴雨内核区域边界阀值T hravyrain;
[0018] ③一 5 :计算强风暴冰雹区域边界阀值Thall，判定冰雹结构特征的存在与否；
[0019] 定义4(1'，8) = (6(1〇-6(>+8))