利用S波段双偏振雷达自动识别融化层的方法与流程

利用s波段双偏振雷达自动识别融化层的方法
技术领域
1.本发明涉及大气科学技术领域，具体涉及一种利用s波段双偏振雷达自动识别融化层的方法。


背景技术：

2.融化层是大气中固、液态水凝物转换的区域，融化层顶通常是0℃等温线所在的最低高度，融化层之上主要为固态水凝物，之下主要为液态水凝物。融化层在很多业务应用中发挥了重要作用，如融化层顶可用于水凝物相态分类，有些水凝物如干雪与中(小)雨，雷达参量特征大致相同，利用融化层顶高度可以将其有效区分。利用融化层位置可以订正雷达定量估测降水在亮带区域中的误差。融化层还可以被用于雷达数据质量控制业务中，国内外学者利用雷达参量零滞后相关系数区分降水与非降水回波，而在融化层区域两者零滞后相关系数特征非常相似，通过识别融化层位置可以保护其中的降水回波不被滤除。
3.随着我国越来越多的业务雷达升级为双偏振雷达，利用双偏振雷达参量识别融化层成为有效途径。与探空数据相比，雷达数据可以给出时空分辨率更高的融化层位置信息。giangrande et al.(2008)基于美国wsr-88d双偏振雷达观测参量反射率因子(简称zh)、差分反射率(简称z
dr
)与零滞后相关系数(简称cc)在融化层的特征与位置关系设计了融化层识别方法(简称mlda)，并被用于美国水凝物分类(简称hca)业务中；boodoo et al(2010)利用mlda对对两次锋面系统进行试验，结果显示在锋面系统过境时，与飞机报数据相比，mlda可以有效探测到融化层高度的快速变化情况。
4.通过一些试验结果(试验个例见表2)发现，mlda用于我国多普勒s波段双偏振雷达识别融化层存在一定的缺陷，识别出的融化层顶部高度误差过大，融化层底部高度过低，并且有大量试验的融化层没有被识别。


技术实现要素：

5.针对mlda用于我国多普勒s波段双偏振雷达识别融化层出现的问题，如识别的融化层顶误差较大、融化层底高度较低与识别效率较低等问题，本发明提供一种利用s波段双偏振雷达自动识别融化层的方法。
6.为了解决所述技术问题，本发明采用的方案是：利用s波段双偏振雷达自动识别融化层的方法，包括以下步骤：
7.s01)、对雷达扫描方位角进行融化层标识；按照离雷达径向距离由小到大的顺序，对任一雷达扫描方位角上所有距离库依次进行检测，如果其cc分布在[0.9,0.97]，并且在该距离库之上500m范围内，存在zh分布在[30，47]dbz、z
dr
分布在[0.8,2.5]db，那么该距离库被判定出现在融化层区域并标识，否侧判定出现在非融化层区域，在4-10
°
仰角中，当距离库高度高于6km，该方位角检测结束；
[0008]
s02)、对雷达体扫进行融化层标识；重复s01)步骤，直到雷达体扫中各个仰角层所有方位角完成检测；
[0009]
s03)、确定融化层区域；在雷达体扫3-10
°
仰角依次统计各方位角前后10
°
方位角被标识的距离库数，如果被标识的距离库总数超过1500，那么该方位被判定出现在融化层区域；
[0010]
s04)、确定融化层顶部与底部高度；被判定出现融化层的方位角，将其前后10
°
方位角的被标识的距离库按照高度从低到高排序，取高度序列的80百分位数作为该方位融化层顶部高度，20百分位数作为融化层底部高度。
[0011]
进一步的，步骤s01)中加入径向连续性检验，具体步骤为：当一个方位角所有距离库被检测完成后，再次对该方位标识为融化层的距离库进行检测，如果其上、下500m范围内被标识为融化层的距离库数占检测范围距离库总数的比例超过40％，那么判定这个距离库属于融化层。
[0012]
进一步的，步骤s03)中，扫描范围增加3.3
°
仰角，即在3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
仰角统计各方位角前后10
°
方位角被标识的距离库数。
[0013]
进一步的，步骤s04)中，将3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
仰角判别出现融化层的距离库总数阈值分别设置为550、450、300、200，某一层超过10个方位经判别出现融化层，那么判定该仰角出现融化层，并将其对应的阈值累加到阈值总数。
[0014]
本发明的有益效果：本发明对现有mlda识别方法进行改进，可以一定程度上去除晴空、地物等非降水回波对mlda识别融化层的影响，识别的融化层顶高度偏差较小，融化层底高度在合理范围内；并且调整后的参数更适用于我国多普勒s波段双偏振雷达，识别效率远远高于原始mlda。国内利用多普勒s波段双偏振雷达自动识别融化层的文献或技术文档十分少见，该优化方法填补了国内这一领域的空白。
附图说明
[0015]
图1为各试验探空0℃高度与mlda识别融化层顶部高度散点分布示意图；
[0016]
图2为各试验mlda识别融化层底高度对应温度(a)与融化层厚度(b)分布示意图；
[0017]
图3为2020年8月14日23:57utc济南雷达站4.3
°
仰角cc(a)、zh(b)与z
dr
(c)分布示意图；
[0018]
图4为各仰角出现融化层特征的试验数示意图；
[0019]
图5为2020年8月5日00:02utc济南雷达站2.4
°
、3.3
°
、4.3
°
与6.0
°
仰角在180-210
°
方位cc平均垂直廓线分布，黑色虚线为探空0℃高度，蓝色虚线是cc等于0.97等值线；
[0020]
图6为2020年8月14日23:57utc济南雷达站4.3
°
仰角判别为融化层的距离库对应高度在各方位角的分布示意图，(a)为径向连续性检验前，(b)为径向连续性检验后；
[0021]
图7为各试验探空0℃高度与mlda-r1识别融化层顶部高度散点分布示意图；
[0022]
图8为各试验mlda-r1识别融化层底高度对应温度(a)与融化层厚度(b)分布示意图；
[0023]
图9为各试验探空0℃高度与mlda-r2识别融化层顶部高度散点分布示意图；
[0024]
图10为各试验mlda-r2识别融化层底高度对应温度(a)与融化层厚度(b)分布示意图；
[0025]
图11为各试验探空0℃高度与mlda-r3识别融化层顶部高度散点分布示意图；
[0026]
图12为各试验mlda-r3识别融化层底高度对应温度(a)与融化层厚度(b)分布示意
图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0028]
实施例1
[0029]
为了查看现有mlda对融化层的识别效果，发现mlda存在的问题与不足，本实施例利用济南与青岛站多普勒s波段双偏振雷达体扫数据开展识别试验。由于融化层通常出现在层状云降水区域中，选取济南与青岛2020年7-8月出现层状云降水时段的数据。具体时间见表1。
[0030]
表1 2020年7-8月济南、青岛出现层状云降水时段
[0031]
站点层状云降水时段(utc)站点层状云时段(utc)z95317月2日07:59:48-3日01:02:05z95327月11日15:57:22-12日06:58:35z95317月8日22:59:57-9日05:59:48z95327月18日16:58:05-19日09:59:02z95317月11日10:00:19-23:00:25z95327月21日18:58:39-22日17:02:15z95317月17日02:03:37-05:02:38z95327月26日04:01:34-08:58:02z95317月18日18:59:58-19日00:57:50z95327月31日000035-135903z95317月21日22:58:09-22日17:03:08z95328月1日16:58:34-2日05:59:56z95317月25日14:00:18-26日03:00:02z95328月3日12:58:44-14:58:28z95318月1日11:01:06-23:59:14z95328月3日18:57:54-4日03:59:50z95318月3日09:01:53-12:00:21z95328月5日12:01:11-16:00:36z95318月4日22:01:00-5日10:02:36z95328月6日03:57:10-7日13:58:17z95318月5日23:01:36-6日16:57:16z95328月8日23:02:36-9日01:59:45z95318月11日23:58:17-12日04:58:32z95328月11日18:59:59-12日02:02:28z95318月12日13:02:36-13日00:57:37z95328月13日11:58:09-14日19:02:43z95318月14日18:00:14-15日09:57:53z95328月19日10:58:23-16:57:32z95318月19日19:57:41-20日12:01:26z95328月20日18:59:56-21日04:59:09z95327月2日16:00:43-3日03:59:00z95328月25日18:01:37-26日13:02:40
[0032]
利用探空数据0℃高度验证mlda识别的融化层顶部高度，探空数据从中国气象局micaps系统获取，济南与青岛探空站经纬度分别为(117.52
°
e 36.65
°
n)与(120.33
°
e 36.07
°
n)，雷达站经纬度分别为(116.71
°
e 36.71
°
n)与(120.23
°
e 35.99
°
n)，两站探空与雷达距离大概为73km与13km，具有一定代表性。由于探空站数据每日在08:00与20:00(北京时)获取，为了客观检验方法识别效果，选取与探空观测时间不超过5分钟的雷达数据进行试验，具体试验个例见表2，共有41个。
[0033]
表2检验个例时间
[0034]
[0035][0036]
检验融化层顶高度的指标包括平均绝对误差(简称mae)与相关系数(简称rc)，公式见(1)与(2)
[0037][0038][0039]
式中，ml为识别得融化层顶高度，o为探空数据0℃高度，n为试验数，cov表示协方差，var表示方差。
[0040]
融化层底部高度变化幅度较大，无法通过某个温度阈值来获取，依赖于空气湿度条件与降水粒子浓度。研究发现，融化层底部高度对应的湿球温度为2℃，对照湿球温度与温度的转换表，当相对湿度为100％，空气温度为2℃，随着相对湿度的降低，对应的温度升高，当相对湿度为15％，空气温度为10℃，基于此，当识别的融化层底部高度对应温度分布在2-10℃，即为识别准确。
[0041]
从各试验探空0℃高度与mlda识别融化层顶部高度的散点分布(图1)可以看出，部分观测试验明显高于或者低于探空0℃高度，主要以负偏差为主。统计发现最大正误差是0.623km，最大负误差是1.096km，有16次试验mlda未识别出融化层，其他25次试验计算的融化层顶部高度的mae为0.328km，rc为0.418。
[0042]
从mlda识别的融化层底高度对应的探空温度(图2a)发现，只有6次试验分布在2-10℃区间，其他试验个例超过了10℃，有的试验超过20℃，温度过高，因此mlda识别得融化层底高度过低。由图2b可以看出，mlda计算的融化层厚度主要分布在2-4km之间，国外学者
长期统计的融化层观测厚度接近0.5km，giangrande et al(2008)计算的融化层厚度在0.2-0.6km，因此mlda计算的融化层厚较大。
[0043]
由上述结果可知，mlda可以识别大部分观测试验的融化层位置，但存在一定的缺陷，部分观测试验识别出的融化层顶部高度误差过大，融化层底部高度过低，并且有大量试验的融化层没有被识别。
[0044]
针对现有mlda识别方法的缺陷，本实施例分析原因并进行改进，提升对融化层的识别效果，提供一种适用于我国多普勒s波段双偏振雷达自动识别融化层的方法，以期为水凝物分类与雷达定量降水估测等业务提供更精准的融化层位置信息。
[0045]
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0046]
s01)、对雷达扫描方位角进行融化层标识；按照离雷达径向距离由小到大的顺序，对任一雷达扫描方位角上所有距离库进行检测，如果其cc分布在[0.9,0.97]，并且在该距离库之上500m范围内，存在zh分布在[30，47]dbz、z
dr
分布在[0.8,2.5]db，那么该距离库被判定出现在融化层区域并标识，否侧判定出现在非融化层区域，在4-10
°
仰角中，当距离库高度高于6km，该方位角检测结束；
[0047]
s02)、对雷达体扫进行融化层标识；重复s01)步骤，直到雷达体扫中各个仰角层所有方位角完成检测；
[0048]
s03)、确定融化层区域；在雷达体扫3-10
°
仰角依次统计各方位角前后10
°
方位角被标识的距离库数，如果被标识的距离库总数超过1500，那么该方位被判定出现在融化层区域；
[0049]
s04)、确定融化层顶部与底部高度；被判定出现融化层的方位角，将其前后10
°
方位角的被标识的距离库按照高度从低到高排序，取高度序列的80百分位数作为该方位融化层顶部高度，20百分位数作为融化层底部高度。
[0050]
本实施例在步骤s01)增加径向连续性检验，图3给出了2020年8月14日23:57济南雷达站4.3
°
仰角层cc、zh与z
dr
分布。由图3a可见，在黑色虚线矩形区域，降水回波与非降水回波(晴空回波与地物回波等)混合，导致不少距离库的cc分布在[0.9，0.97]区间，同时zh(图3b)与z
dr
(图3c)也满足mlda判别条件，然而这些距离库并不属于融化层区域，由于这些混合型回波不易通过质量控制被滤除，这些被错误判别为融化层的距离库使得高度序列20百分位数对应的融化层底高度过低，同时也影响了融化层顶高度的准确性。
[0051]
由图3a、3c(实线区域)可以看出，在融化层区域cc低值区与z
dr
高值区径向上具有较强的连续性，而被错误识别的距离库在径向上连续性较差。为了消除这些虚假的距离库，在mlda中加入径向连续性检验，具体步骤为：当一个方位角所有距离库被检测完成后，再次对该方位标识为融化层的距离库进行检测，如果其上、下500m范围内被标识为融化层的距离库数占检测范围距离库总数的比例超过40％，那么判定这个距离库属于融化层，该改进称为mlda-r1。
[0052]
原有mlda使用4-10
°
仰角层数据，这是由于10
°
以上的仰角层在融化层区域距离库太少，不会对判别阈值造成影响，而4
°
以下的仰角，由于径向展宽的原因，被标识的距离库会造成融化层位置高估。美国wsr-88d双偏振雷达在这个范围有6个仰角，即4.5
°
、5.5
°
、6.5
°
、7.5
°
、8.7
°
与10.0
°
，而我国多普勒s波段双偏振雷达只有三个仰角，即4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
。图4统计了9个仰角出现融化层特征的试验数，可以看出，具有融化层特征的仰角主要
为3-6层。而3-4层仰角，即2.4
°
与3.3
°
不在扫描范围内。
[0053]
从2020年8月5日00:02济南雷达站3-6层仰角180-210
°
方位平均cc垂直廓线分布(图5)可以发现，3.3
°
仰角廓线特征与4.3
°
仰角大致相同，由于径向展宽的原因，3.3
°
仰角cc为0.97对应的高度(廓线与等值线相交的上交点)略大于融化层顶高度，而2.4
°
仰角cc为0.97对应的高度明显大于融化层顶高度，高度序列取80百分位数可以滤除3.3
°
仰角大部分高于融化层顶高度的距离库，而2.4
°
仰角高于融化层顶高度的距离库不会被有效滤除，这会对融化层顶高度造成严重高估。为了提高融化层成功识别率，同时避免识别的融化层出现较大误差，扫描范围改为3-10
°
仰角，
[0054]
具体的，在mlda-r1基础上，在3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
仰角统计各方位角前后10
°
方位角被标识的距离库数，该改进称为mlda-r2。
[0055]
由图4可知，并不是所有仰角都会出现融化层特征，这使得距离库总数很难达到mlda判别融化层出现的阈值(即1500)。因此需要根据出现融化层特征的雷达仰角层数调整识别融化层的距离库总数阈值。加入径向性连续性检验且扫描范围添加3.3
°
仰角后，一个径向若判别出现融化层，那么3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
仰角距离库数大约为28、22、16与10个，基于此，在mlda-r2的基础上对判别融化层出现的距离库总数阈值进行调整，步骤如下：将3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
仰角判别出现融化层的距离库总数阈值分别设置为550、450、300、200，某一层超过10个方位经判别出现融化层，那么判定该仰角出现融化层，并将其对应的阈值累加到阈值总数。例如，如果只有3.3
°
仰角判别出现融化层，距离库总数阈值调整为550，依次类推，如果3.3
°
、4.3
°
、6.1
°
与9.9
°
均判定出现融化层，阈值调整为1500，该改进称为mlda-r3。
[0056]
图6给出了2020年8月14日23:57济南雷达站4.3
°
仰角加入径向连续性检验前、后判别为融化层的距离库高度在各方位角的分布，图6a显示有大量非融化层区域距离库被mlda错误识别(虚线以外区域)，而被加入径向连续性检验后错误识别的距离库数明显减少(图6b)，剩余的非融化层距离库由于径向上连续性较好，mlda-r1无法将其有效滤除，但是数量较少，不会对融化层的识别产生较大影响。该次试验，利用mlda计算得融化层底与顶高度分别为1.196km与4.847km；mlda-r1计算得融化层底与顶高度分别为4.263km与5.072km，而探空0℃高度5.045km，不难发现，加入径向连续性检验，融化层顶高度与探空0℃高度偏差更小，融化层厚度更为合理。
[0057]
从各试验mlda-r1识别的融化层顶高度与探空0℃高度散点分布(图7)可见，与图1相比，散点向对角线更加靠拢，出现负误差的试验数明显减少，mlda-r1识别的融化层顶高度mae为0.246km，rc为0.631。但是只有10次试验识别出融化层，与mlda相比遗漏识别的试验数明显增加。这是由于利用径向连续性检验去掉了大量被错误识别的距离库，很多试验距离库总数未达到判别阈值(1500)导致。
[0058]
图8a、b分别给出了mlda-r1识别得融化层底高度对应的温度与融化层厚度分布，融化层底高度对应的温度(图8a)主要分布在2-10℃区间，融化层厚度(图8b)主要分布在0.7-1km之间，与mlda相比融化层底高度与融化层厚度分布都更加合理。
[0059]
图9给出了各试验mlda-r2识别的融化层顶高度与探空0℃高度散点分布，融化层顶高度mae为0.217km，rc为0.704，略优于mlda-r1。与mlda-r1相比被遗漏识别的试验数明显减少，为17次，接近mlda，有24次试验识别出融化层，远远大于mlda-r1，这主要由于增加
了3.3
°
仰角，符合条件的距离库明显增多。大部分试验mlda-r2识别的融化层高度略高于探空0℃高度，这是由于新增加的3.3
°
仰角层，受到径向展宽影响，一些被标识距离库高度略高于融化层顶。
[0060]
各试验mlda-r2识别得融化层底高度对应的温度(图10a)分布在2-8℃，识别得融化层厚度(图10b)主要分布在0.5-1km，可见增加了3.3
°
仰角并未影响融化层底高度与厚度合理性。
[0061]
从各试验mlda-r3识别的融化层顶高度与探空0℃高度散点分布(图11)可见，仅有4次试验未被mlda-r3识别，识别成功率进一步提高。融化层顶高度的mae为0.214km，rc为0.678，距离库总数阈值的调整并没有使得mlda-r3识别的融化层顶高度出现过大的正负误差。
[0062]
从mlda-r3识别得融化层底高度对应的温度分布(12a)与融化层厚度分布(12b)可见，有两次试验出现融化层底对应温度过高、融化层厚度较大的问题，分别是济南站08月12日23:59与08月19日23:59，这两次试验均未被mlda、mlda-r1与mlda-r2识别出融化层，其他试验融化层底高度对应的温度与融化层厚度分布比较合理。
[0063]
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。