一种适用于GPMDPR的三维降水检测方法及系统与流程

本发明涉及气象遥感，特别是涉及一种应用于全球降水测量计划(gpm)中的双频降水雷达(dpr)的三维降水检测方法。

背景技术：

1、降水是全球水通量循环的重要组成部分，其时空分布影响着全球大气循环、气候变化以及水文平衡等过程，因此准确获取降水信息是理解全球水循环及能量平衡的基础和支撑，同时对各类相关科学研究具有重要意义。

2、全球卫星降水计划(global precipitation measurement，gpm)是由美国宇航局(nasa)和日本宇宙航空研究开发机构(jaxa)合作开发的一个国际卫星任务，旨在提供全球范围内的降水量观测。gpm卫星使科学家能够更好地了解地球的水循环以及与之相关的天气和气候模式。gpm任务的核心卫星于2014年发射升空，其上搭载的双频降水测量雷达(dpr)是gpm任务的主要仪器之一，它可以对降水进行三维探测。它发射两个不同频率的雷达波，一个是ku频段，另一个是ka频段。通过比较两个频率回波的差异，dpr能够区分雨滴的大小和类型，从而提供更精确的降水数据。

3、那么对于测量降水来讲，降水检测是否准确，即当前卫星探测到的三维空间中是否真的有降水发生就显得至关重要。

4、依据2020年6月gpm官方发布的v06x版本的算法文档中，降水检测算法为一维检测方法，主要分为两个步骤进行：

5、第一步是对所有在binclutterfreebottom以上的距离库进行分类。dpr雷达在垂直方向上探测共175层，每层相当于一个距离库。每个卫星扫描点在垂直方向上都由这175个距离库组成，不包括那些在l1b产品数据质量标记中被标记为缺失的数据。如果某个距离库的echosignalpower超过了预设的阈值，这表明检测到了降水。这一分类结果记录在flagecho中，如果检测到降水，相应的值被设置为1。flagecho是一个三维数据集，它包含了卫星扫描方向和飞行方向上每个扫描点在垂直方向175层距离库中的降水检测情况。

6、第二步是基于flagecho的结果，对所有非缺失数据的角度库进行整体降水判定。如果在175个距离库中有连续超过5个距离库检测到降水(即连续超过5个距离库的flagecho值为1)，则判定该角度库下的卫星扫描点发生了降水事件。这一判定结果被记录在flagprecip中，表示在整个垂直175层中是否发生了降水。flagprecip是一个二维数据集，它记录了卫星扫描方向和飞行方向上每个扫描点的整体降水情况。

7、然而，在gpm dpr数据的v06x版本中，采用的是一维降水检测方法，这种方法在处理flagecho时通常不会遇到问题。然而，实际大气中的降水事件是三维的，即降水不仅在单一垂直廓线上出现，它的周围三维空间通常也会伴随降水。此外，大气中还经常存在所谓的薄层降水事件。薄层降水通常是指在大气的某个较薄层次中，受到蒸发、破碎等影响而发生的降水。这种降水现象往往局限于云层的特定部分，降水粒子的生成和下落仅限于一个较小的垂直范围，导致整体降水的垂直厚度相对较薄。在实际情况中，虽然降水没有达到v06x版本算法中提到的五个距离库的标准，但降水覆盖的范围可能相对较广。在这种情况下，如果仍然使用一维降水检测算法，就可能导致flagprecip错误地判定大气中不存在降水，尽管实际上存在薄层降水，从而造成降水检测结果的不准确。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明针对全球降水测量任务(gpm)的双频降水雷达(dpr)特别开发了一种三维降水检测方法，不仅能够在垂直方向上准确地检测到降水事件，还能够识别并考虑到大气中容易被忽略的薄层降水事件。通过这种三维检测技术，可以显著提升降水检测的覆盖能力和准确性，确保更加精确的气象分析和预报。

2、基于上述目的，第一方面，本发明提供了一种适用于gpm dpr的三维降水检测方法，包括以下步骤：

3、读取flagecho数据，并进行一维降水事件的检测；

4、对每个垂直廓线中的距离库进行一维降水检测，统计每个垂直廓线上flagecho的值标记为1的连续距离库数量，其中，所述连续距离库数量称为block1d；

5、当block1d大于等于预设阈值时标记为该垂直廓线中发生降水事件；当block1d小于预设阈值时，执行三维降水检测；

6、基于当前扫描的垂直廓线中的block1d结果，确定block1d中最上方和最下方有降水的距离库位置，并在两个位置上下各扩展一个库，形成新的检测区域；

7、通过三维八连通降水检测方式对新形成的检测区域的距离库及其周围相邻的距离库进行综合检测是否有降水事件发生；

8、若存在预设数量的距离库被标记为有降水，判定该检测区域存在薄层降水事件，否则标记为无降水事件；

9、根据一维降水检测和三维降水检测的结果输出flagprecip数据，完成降水事件的检测和判定。

10、作为本发明的进一步方案，所述flagecho数据为从全球卫星降水计划(gpm)生成的二级产品2a dpr中读取的三维数组，用于标识每个距离库(range bin)中检测到的回波是否指示实际的降水发生；其中，当flagecho的值为1时，表示相应距离库中发生了降水。

11、作为本发明的进一步方案，一维降水检测的预设阈值为连续5个距离库。

12、作为本发明的进一步方案，一维降水检测时，包括：

13、如果block1d的值大于或等于5，判定该垂直廓线发生了降水事件，并在flagprecip中将相应垂直廓线标记为1；

14、如果block1d的值小于5，执行三维降水检测。

15、作为本发明的进一步方案，三维降水检测时，在新形成的检测区域的距离库周围相邻的8组距离库来进行综合检测是否有降水事件发生。

16、作为本发明的进一步方案，通过三维八连通降水检测方式对新形成的检测区域的距离库及其周围相邻的距离库进行综合检测是否有降水事件发生时，三维降水检测的范围定义为3×3×(连续距离库数量+2)。

17、作文本发明的进一步方案，三维降水检测的判定标准是在定义的检测范围内至少有10个距离库被标记为有降水。

18、作为本发明的进一步方案，当定义的block3d的三维检测范围内，至少有10个距离库被标记为有降水时，即flagecho为1，则判定该检测区域存在薄层降水事件，并在flagprecip中对应的位置标记为2。

19、作为本发明的进一步方案，当定义的block3d的三维检测范围内，低于10个距离库被标记为有降水，则判定该检测区域为无降水事件，在flagprecip中对应位置标记为0。

20、第二方面，本发明提供了一种适用于gpm dpr的三维降水检测系统，包括以下模块：

21、数据读取模块：配置为从gpm生成的二级产品2a dpr中读取flagecho数据；

22、一维降水检测模块：负责对每个垂直廓线中的距离库进行一维降水检测；通过统计flagecho标记为1的连续距离库数量(block1d)；当block1d大于或等于预设阈值时标记为有降水；否则执行三维降水检测；

23、三维降水检测模块：用于执行三维降水检测，通过确定block1d中最上方和最下方有降水的距离库位置，并在这两个位置上下各扩展一个库，形成新的检测区域；并通过三维八连通降水检测方式对新形成的检测区域及其周围相邻的距离库进行综合检测是否有降水事件发生；

24、输出处理模块：用于根据一维降水检测和三维降水检测的结果输出flagprecip数据，完成降水事件的检测和判定。

25、作为本发明的进一步方案，所述flagecho数据为一个三维数组，用于标识每个距离库中检测到的回波是否指示实际的降水发生。

26、作为本发明的进一步方案，所述三维降水检测模块在检测是否有降水事件发生时，三维降水检测的判定标准是在定义的检测范围内至少有10个距离库被标记为有降水。

27、本发明的适用于gpm dpr的三维降水检测系统通过集成数据读取、一维降水检测、三维降水检测以及输出处理的功能模块，实现了对降水事件的高精度和高效率检测，特别适用于在复杂天气条件下准确监测降水情况。

28、本发明的又一方面，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时执行上述任一项根据本发明的适用于gpm dpr的三维降水检测方法。

29、本发明的再一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被执行时实现上述任一项根据本发明的适用于gpm dpr的三维降水检测方法。

30、与现有技术相比较而言，本发明提出的一种适用于gpm dpr的三维降水检测方法及系统，具有以下有益效果：

31、1、提高了降水检测的准确性：本发明采用的三维检测技术相较于传统的一维降水检测方法能够更全面地评估降水情况，尤其是在捕捉薄层降水事件方面表现出色。尤其是在传统一维检测不足以捕捉的情况下，能够识别出更多降水事件，从而显著提高降水检测的准确性。

32、2、具备较高的灵活性和适应性：本发明通过执行多阶段检测流程，首先执行一维降水检测，当检测结果未达到预设阈值时，进一步执行三维降水检测，多阶段的检测流程使得本发明的方法在不同的降水条件下都能有效工作，提供灵活性和适应性。

33、3、实时数据处理和分析：本发明提供的系统包含数据读取、一维降水检测、三维降水检测和输出处理的模块，能够高效地处理和分析来自gpm dpr的数据，通过系统化的处理保证了实时数据分析的能力，对于快速响应气象变化尤为重要。

34、4、能够提供精确数据：通过更准确的降水数据，本发明有助于气象学家和研究人员更好地理解和预测天气模式，对于天气预报、气候研究乃至灾害预防等多个领域都具有重要意义。

35、5、薄层降水事件的识别：解决了传统方法无法准确识别薄层降水事件的问题，本发明通过三维检测能够识别在一维检测中不明显的降水事件，通过精细化的三维分析，即使是在垂直廓线中不连续或只有少数距离库显示降水的情况下，该方法也能够准确地识别出薄层降水现象，从而提供了更全面的降水分析，准确的降水数据对于水资源管理、农业规划、城市排水系统设计等具有重要价值。本发明提供的高精度降水数据可以帮助决策者制定更有效的应对措施和策略。

36、6、先进的检测方法：本发明通过三维八连通分析方法进行降水检测，为气象遥感领域带来了新的技术方法，拓宽了现有技术的应用范围。

37、综上所述，本发明通过结合一维和三维降水检测技术，提供了一种高效、准确的降水检测方法及系统，通过对大气中的降水事件进行更精细化的划分，将降水进一步细分为薄层降水和普通降水，极大地提高了降水事件的检测精度，不仅能够帮助科研人员和业务工作者更准确地识别和分析大气中的降水结构，还能够为水资源管理、农业规划、城市排水系统设计等提供更为精确的数据支持，极大地促进气象科学的进步，提升相关领域的决策和规划能力。

38、本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。