适用不同气候态降雨的双偏振气象雷达雨滴谱反演方法与流程

1.本发明涉及气象预测技术领域，具体涉及一种适用不同气候态降雨的双偏振气象雷达雨滴谱反演方法。


背景技术：

2.相比于传统气象雷达，双偏振气象雷达既能发射和接收水平偏振波又能发射和接收垂直偏振波的雷达，因此双偏振雷达可用于降雨滴谱的反演。zhang等人(2001)提出雨滴谱关系式中的形状参数μ和斜率参数λ之间存在特定关系(“形状
‑
斜率(μ
‑
λ)”关系)，并可以通过双偏振雷达监测量
‑
差分反射zdr获得形状参数μ及斜率参数λ，以及截距参数n0，最终获得完整的降雨滴谱分布特征。这就是当前被广泛应用于双偏振气象雷达反演降雨滴谱的约束伽马模型(constrained gamma model，简称c
‑
g模型)。由此可知，准确的“形状
‑
斜率”关系式是c
‑
g模型反演的核心，它可以直接决定着反演结果的精度。因此传统的c
‑
g模型反演方法也存在一定的缺点：该反演方法具有因气候或季节降雨背景差异的应用局限性，即反演方法中使用的降雨特征(“形状
‑
斜率”关系)，会因所处气候或季节不同对应不同的“形状
‑
斜率”关系。如图1所示，三种不同气候降雨对应三个不同的“形状
‑
斜率(μ
‑
λ)”关系：
3.μ＝0.0411λ2+1.4933λ
‑
1.4450
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
4.μ＝
‑
0.0434λ2+1.4020λ
‑
1.5322
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
5.μ＝
‑
0.0330λ2+1.1738λ
‑
1.7280
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
6.公式(1)表示的降雨特点是雨滴直径大但浓度低，反之，公式(3)代表的是雨滴直径小但浓度高，公式(2)正好处于两者之间。尽管降雨发生后，我们可以得到以上三种不同气候降雨特征的“形状
‑
斜率”关系，但在实际的双偏振气象雷达应用中，对正在发生或还将持续的降雨，事先并不知道降雨特征情况，也不知道该调用哪种“形状
‑
斜率”关系用于双偏振雷达的雨滴谱反演。举个简单的例子：如果我国华东地区春季降雨类型符合公式(2)，夏季降雨符合公式(1)，或许可以通过人工调用不同季节降雨对应的“形状
‑
斜率”关系，但若发生在春夏交替期，既可出现春季类型降雨也可出现夏季类型降雨，又该如何准确调用哪种“形状
‑
斜率”关系呢？因此，是否存在一种可自动调节的“形状
‑
斜率”关系用于双偏振气象雷达的雨滴谱反演呢？
7.为了克服因不同气候降雨特征差异导致不同的降雨“形状
‑
斜率”关系，并影响双偏振气象雷达的雨滴谱反演，本专利将利用“形状
‑
斜率”关系与双偏振雷达实时监测量“水平反射率
‑
差分反射率”关系之间的内在联系，建立一种可适用于不同气候降雨且能自动调节的双偏振气象雷达反演雨滴谱方法。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明公开了一种适用不同气候态降雨的双偏振气象雷达雨滴谱反演方法，用于解决传统的双偏振雷达雨滴谱反演方法每次只能固定的使用一种气
候态降雨的“形状
‑
斜率”关系，若要应用于另一种气候态降雨，需要手动更改与之对应的“形状
‑
斜率”关系。其最大缺点在于，若两种气候态降雨类型之间存在转换期，传统反演方法将无法及时调用各自对应的“形状
‑
斜率”关系的问题。
9.本发明通过以下技术方案予以实现：
10.本发明公开了一种适用不同气候态降雨的双偏振气象雷达雨滴谱反演方法，所述方法根据自然界中的气候态降雨滴谱特征对降雨进行分类，并依据不同气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系，分别对应不同的“水平反射率与差分反射率”关系，最终依据实时提供的双偏振雷达的水平反射率和差分反射率，调取不同的公式进行实时的双偏振雷达的雨滴谱反演，进而得到实际气候降雨情况。
11.更进一步的，所述方法将自然界中的气候态降雨滴谱特征分为三大类，其中第一种类型为降雨雨滴直径大但浓度低，第二种类型为降雨雨滴直径小但浓度高，第三种类型介于第一种类型和第二种类型之间。
12.更进一步的，所述第一种类型通过公式，μ＝0.0411λ2+1.4933λ
‑
1.4450获取“形状
‑
斜率”关系；
13.所述第二种类型通过公式，μ＝
‑
0.0330λ2+1.1738λ
‑
1.7280获取“形状
‑
斜率”关系；
14.所述第三种类型通过公式，μ＝
‑
0.0434λ2+1.4020λ
‑
1.5322获取“形状
‑
斜率”关系；
15.其中μ为形状参数，λ为斜率参数。
16.更进一步的，将斜率参数λ对应的大于75％分位分布的形状参数μ的降雨样本归为第一种类型雨滴直径大但浓度低的降雨类型；
17.将斜率参数λ对应的小于25％分位分布的形状参数μ的降雨样本归为第二种类型降雨雨滴直径小但浓度高的降雨类型；
18.更进一步的，所述方法将每个降雨样本除对应各自的形状和斜率参数外，相对于第一种类型雨滴直径大但浓度低的降雨类型，对给定水平反射率z
hh
，对应有更大的差分反射率z
dr
；反之，对应第二种类型雨滴直径小但浓度高的降雨类型，对应的差分反射率z
dr
、小于第一种类型。
19.更进一步的，第一种类型和第二种类型分别对应不同的“水平反射率
‑
差分反射率”关系如下：
[0020][0021][0022]
由此，将双偏振雷达实时输出的水平反射率与差分反射率进行筛选；
[0023]
如果某个降雨时刻，雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(5)，则认为该气候态降雨类型属于第一种类型雨滴直径大但浓度低的降雨类型；
[0024]
反之，若雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(6)，则认为该气候态降雨类型属于第二种类型雨滴直径小但浓度高的降雨类型。
[0025]
更进一步的，将雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(5)的雨滴样本重新回到“形状
‑
斜率”，可获得新的适用于第一种类型雨滴直径大但浓度低的降
雨类型的“形状
‑
斜率”关系，其公式如下：
[0026]
μ＝
‑
0.0297λ2+1.8478λ
‑
1.7704
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]
将雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(6)的雨滴样本重新回到“形状
‑
斜率”，可获得新的适用于第二种类型雨滴直径大但浓度低的降雨类型的“形状
‑
斜率”关系，其公式如下：
[0028]
μ＝
‑
0.0178λ2+1.1323λ
‑
2.7117
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)。
[0029]
更进一步的，取第一种类型(7)和第二种类型(8)系数的平均值，得到适用于第三种降雨类型的“形状
‑
斜率”关系，其公式如下：
[0030]
μ＝
‑
0.0237λ2+1.4900λ
‑
2.2410
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0031]
更进一步的，所述方法依据实时提供的双偏振雷达的水平反射率和差分反射率，调取不同的公式进行实时的双偏振雷达的雨滴谱反演时，若双偏振雷达实时输出的水平反射率与差分反射率位于公式(5)，则调用公式(7)进行雨滴谱反演；若实时输出的水平反射率与差分反射率位于公式(6)，则调用公式(8)进行雨滴谱反演；剩下的情况，可以调用公式(9)进行雨滴谱反演。
[0032]
本发明的有益效果为：
[0033]
本发明提供了一种可适用于不同气候降雨的双偏振气象雷达反演雨滴谱方法，解决了传统的双偏振雷达雨滴谱反演方法每次只能固定的使用一种气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系，若要应用于另一种气候态降雨，需要手动更改与之对应的“形状
‑
斜率”关系。若两种气候态降雨类型之间存在转换期，传统反演方法将无法及时调用各自对应的“形状
‑
斜率”关系的问题。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是三种不同气候态降雨类型的形状与斜率参数分布图；
[0036]
图2是三种不同气候态降雨类型所有样本的形状与斜率参数分布图；
[0037]
图3是红点和蓝点样本分别对应的雷达水平反射率与差分反射率参数分布图；
[0038]
图4是所有样本的形状与斜率分布图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例公开一种适用不同气候态降雨的双偏振气象雷达雨滴谱反演方法，所述方法根据自然界中的气候态降雨滴谱特征对降雨进行分类，并依据不同气候态降雨的“形
状
‑
斜率”关系，分别对应不同的“水平反射率与差分反射率”关系，最终依据实时提供的双偏振雷达的水平反射率和差分反射率，调取不同的公式进行实时的双偏振雷达的雨滴谱反演，进而得到实际气候降雨情况。
[0042]
本实施例将自然界中的气候态降雨滴谱特征分为三大类，其中第一种类型为降雨雨滴直径大但浓度低，第二种类型为降雨雨滴直径小但浓度高，第三种类型介于第一种类型和第二种类型之间。
[0043]
本实施例是依据不同气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系，分别对应不同的“水平反射率与差分反射率”关系，即不同气候态降雨可分别对应不同的“形状
‑
斜率”关系和“水平反射率
‑
差分反射率”关系。又因为双偏振雷达的水平反射率和差分反射率是可实时提供，所以发展了一种可适用于不同气候态降雨并可实时调整的双偏振雷达的雨滴谱反演方法。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施例对不同气候态降雨类型会产生不同的降雨滴谱特征(即单位体积中降雨的雨滴数量随雨滴大小的分布)，其雨滴谱分布常用伽马模型公式表示：
[0046]
n(d)＝n0d
μ
exp(
‑
λd)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
n(d)代表对应不同直径粒子的单位体积中浓度(单位：mm
–1m
–3)，n0、μ和λ分别是伽马模型的截距(单位：mm
–1–
μm
–3)、形状和斜率(mm
–1)参数。自然界中的降雨滴谱特征的直接观测主要通过飞机搭载探测仪和地面的雨滴谱仪等设备，我们国家主要是通过地面雨滴谱仪设备开展观测。地面雨滴谱仪观测的最大问题是它仅仅只能获得地面降雨滴谱特征，无法获得空中的雨滴谱特征。
[0048]
本实施例公开另一种被广泛应用的方法是通过双偏振雷达的遥感观测及相关的反演方法(如c
‑
g模型反演方法)获得空中的雨滴谱特征。但是，不同气候态降雨的双偏振雷达的雨滴谱反演方法需要用到与之对应的不同气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系。
[0049]
以往传统反演方法都是先获得本气候区地面降雨的“形状
‑
斜率”关系，再应用于本地的双偏振雷达反演并获取空中的降雨滴谱特征。若换一种气候态降雨，双偏振雷达反演又需要重新调用与之对应的地面降雨的“形状
‑
斜率”拟合关系(简称“形状
‑
斜率”关系)，即相同的双偏振雷达分别应用华东和华北地区的降雨滴谱反演，就需要分别获取两地不同气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系。
[0050]
因此，传统双偏振雷达反演方法的应用不够灵活，特别是在两种气候态降雨转换时间(特别是不同季节降雨的转换期)，无法及时并准确的调用各自对应的“形状
‑
斜率”关系。
[0051]
实施例3
[0052]
本实施例将自然界中的气候态降雨滴谱特征可分为三大类：
[0053]
1)第一种类型，降雨雨滴直径大但浓度低，可获得公式(1)的“形状
‑
斜率”关系；
[0054]
2)第二种类型，降雨雨滴直径小但浓度高，可获得公式(3)的“形状
‑
斜率”关系；
[0055]
3)第三种类型鉴于以上两种类型之间，对应公式(2)的“形状
‑
斜率”关系。
[0056]
本实施例中，三种类型具体表现是：相对于第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型，对给定斜率参数λ，对应有更大的形状参数μ；反之，对应第二种雨滴直径小但浓度高的降雨类型，对应的形状参数μ明显小于第一种类型。
[0057]
本实施例将所有不同气候态降雨的地面降雨样本(如我国华东地区不同季节的所
有降雨样本)放在一起，并提取各斜率参数λ对应的大于75％分位分布的形状参数μ的降雨样本归为第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型(图2红点)；小于25％分位分布的形状参数μ的降雨样本归为第二种降雨雨滴直径小但浓度高的降雨类型(图2蓝点)。
[0058]
本实施例中，因每个降雨样本除对应各自的形状和斜率参数外，还对应各自的水平反射率z
hh
与差分反射率z
dr
(图3)。具体表现是：相对于第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型，对给定水平反射率zhh，对应有更大的差分反射率zdr(图3红点)；反之，对应第二种雨滴直径小但浓度高的降雨类型，对应的差分反射率zdr明显小于第一种类型(图3蓝点)。两种降雨类型分别对应不同的“水平反射率
‑
差分反射率”关系：
[0059][0060][0061]
由此，本实施例将双偏振雷达实时输出的水平反射率与差分反射率进行筛选，如果某个降雨时刻，雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(5)或图3红线的上方，则认为该气候态降雨类型属于第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型；反之，若雷达输出的水平反射率与差分反射率的对应关系位于公式(6)或图3蓝线的下方，则认为该气候态降雨类型属于第二种雨滴直径小但浓度高的降雨类型。
[0062]
实施例4
[0063]
本实施例将图3红线上方的样本重新回到“形状
‑
斜率”分布图(图4)，则可获得新的适用于第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型的“形状
‑
斜率”关系(公式7或图4红线)；同样的，若将图3蓝线下方的样本重新回到“形状
‑
斜率”分布图(图4)，则可获得新的适用于第二种雨滴直径小但浓度高的降雨类型的“形状
‑
斜率”关系(公式8或图4蓝线)；公式(9)的系数是前两种降雨类型公式7
‑
8系数的平均值。
[0064]
μ＝
‑
0.0297λ2+1.8478λ
‑
1.7704
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0065]
μ＝
‑
0.0178λ2+1.1323λ
‑
2.7117
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0066]
μ＝
‑
0.0237λ2+1.4900λ
‑
2.2410
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0067]
本实施例中，若双偏振雷达实时输出的水平反射率与差分反射率位于图3红线(或公式5)上方，则调用公式7进行雨滴谱反演；若实时输出的水平反射率与差分反射率位于图3蓝线下方(或公式6)下方，则调用公式8进行雨滴谱反演；剩下的情况，可以调用公式9进行雨滴谱反演。
[0068]
实施例5
[0069]
本实施例公开如图1所示的三种不同气候态降雨类型的形状与斜率参数分布图。黑点、黑线及公式表示第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型；蓝点、蓝线及公式表示第二种雨滴直径小但浓度高的降雨类型；红色、红线及公式表示处于前两种降雨类型之间的第三种降雨类型。
[0070]
本实施公开如图2所示的三种不同气候态降雨类型所有样本的形状与斜率参数分布图。红点表示各斜率参数λ对应的大于75％分位分布的形状参数μ降雨(归为第一种雨滴直径大但浓度低的降雨类型)样本；蓝点是小于25％分位分布的形状参数μ降雨(归为第二种降雨雨滴直径小但浓度高的降雨类型)样本。
[0071]
本实施例公开如图4所示的所有样本的形状与斜率分布图。红点代表“水平反射
率
‑
差分反射率”关系位于图3红线上方的降雨样本；而蓝点代表“水平反射率
‑
差分反射率”关系位于图3蓝线下方的降雨样本；黑点是剩余的其他降雨样本，以及各自对应的拟合线及“形状
‑
斜率”关系式。
[0072]
综上，本发明提供了一种可适用于不同气候降雨的双偏振气象雷达反演雨滴谱方法，解决了传统的双偏振雷达雨滴谱反演方法每次只能固定的使用一种气候态降雨的“形状
‑
斜率”关系，若要应用于另一种气候态降雨，需要手动更改与之对应的“形状
‑
斜率”关系。若两种气候态降雨类型之间存在转换期，传统反演方法将无法及时调用各自对应的“形状
‑
斜率”关系的问题。
[0073]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。