一种对流天气的临近预报方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天气预报预测技术领域，尤其设及一种对流天气的临近预报方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 灾害性天气预报业务是预报预测体系发展的重要组成部分，尤其是对于地处沿 海，经济高度发达，人口密集的地区，常受锋面低槽、热带气旋、季风云团等天气系统的影 响，暴雨、雷暴、雷暴大风、冰富、台风等灾害性天气常有发生，为灾害性天气多发区。根据权 威部口统计，对城市构成影响的各类自然灾害中，超过80%的灾害损失是由气象灾害造成 的，气象灾害造成的经济损失约占GDP总量的1%~3%。基于上述原因，气象防灾减灾对 灾害性天气和气象灾害的监测、预报和预警能力提出了越来越高的要求，对重点时段、重点 区域的对流天气临近预报的需求更为迫切。
[0003] 随着科学技术的快速发展，多种遥感遥测资料的有效应用、数值天气预报技术及 高性能计算机能力不断提高，现代天气业务进入了新的快速发展时期，目前，业务上主要采 用基于雷达数据的雷暴识别追踪技术和自动外推预报技术来进行0~2小时的对流天气临 近预报。
[0004]自动外推预报技术主要包括两类；单体质屯、法和交叉相关法；单体质屯、法是将雷 暴视为=维单体进行识别、分析、追踪，对雷暴进行拟合外推来做临近预报；交叉相关法利 用求雷达回波最优空间相关的方法，在二维区域内通过计算连续时次雷达回波在不同区域 的最优空间相关系数，来确定雷达回波过去的移动矢量特征，建立不同时次雷达回波的最 佳拟合关系，从而追踪到一定区域内雷达回波过去的移动特征，然后通过该些移动特征来 外推雷达回波未来的位置和形状。与单体质屯、法只能用于对流降水系统相比，交叉相关法 既可W跟踪对流降水系统，也可W追踪层状云降水，因此，交叉相关法在气象业务部口得到 广泛使用。然而，在交叉相关法的使用过程中，发现对于局地生成的降水回波，W及强度和 形状随时间变化很快的降水回波来说，交叉相关法给出的运动矢量场的质量降低，导致跟 踪失败的情况显著增加。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供一种对流天气的临近预报方法及系统，旨在解决目前的对流天 气临近预报中，交叉相关法给出的运动矢量场的质量降低，导致跟踪失败的情况显著增加 的问题。
[0006] 本发明实施例是该样实现的，一种对流天气的临近预报方法，其特征在于，包括：
[0007] 获取探测区域内的雷达拼图；
[0008] 基于所述雷达拼图，采用局部约束的光流法计算得到雷达回波的光流场，对于所 述光流场的光流（u，v)，所述u，v为所述雷达拼图其中一点的光流在x，y方向上的分量，该 点在时刻t的灰度值为I(X，y，t)，相应的光流约束方程为；
[0009] IxU+IyV+It= 0，
[0010] 其中
，同时，引入进一步 的约束条件来求解所述光流约束方程：
[0011]
[0012] 依据所述雷达回波的光流场进行雷达回波外推，完成对流天气的临近预报。
[0013] 本发明实施例的另一目的在于提供一种对流天气的临近预报系统，所述系统为基 于地理信息系统GIS的可视化平台，包括服务器和客户端，所述客户端用于显示所述服务 器的临近预报结果，所述服务器包括：
[0014] 获取单元，用于获取探测区域内的雷达拼图；
[0015] 运算单元，用于基于所述雷达拼图，采用局部约束的光流法计算得到雷达回波的 光流场，对于所述光流场的光流（U，V)，所述U，V为所述雷达拼图其中一点的光流在X，y方 向上的分量，该点在时刻t的灰度值为I(X，y，t)，相应的光流约束方程为；
[0016] IxU+IyV+It=0，
[0017] 其中；
同时，引入进一步 的约束条件来求解所述光流约束方程：
[0018]
[0019] 预报单元，用于依据所述雷达回波的光流场进行雷达回波外推，完成对流天气的 临近预报。
[0020] 在本发明实施例中，采用了使用局部约束的光流法计算得到雷达回波的光流场， W此来代替交叉相关法中的运动矢量场，用于进行对流天气的临近预报，从而能够准确地 完成对雷达回波的识别、追踪和运动估计，提升了对流天气临近预报系统的预报性能。
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可W根据该些 附图获得其他的附图。
[0022] 图1是本发明实施例提供的对流天气的临近预报方法的实现流程图；
[0023] 图2是本发明实施例提供的对流天气的临近预报系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0024] W下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具 体细节，W便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有该些具体 细节的其它实施例中也可W实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电 路W及方法的详细说明，W免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0025] 在本发明实施例中，采用了使用局部约束的光流法的pticalFlow)计算得到雷达 回波的光流场，W此来代替交叉相关法中的运动矢量场，用于进行对流天气的临近预报，从 而能够准确地完成对雷达回波的识别、追踪和运动估计，提升了对流天气临近预报系统的 预报性能。
[0026] 为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0027] 图1示出了本发明实施例提供的对流天气的临近预报方法的实现流程，详述如 下：
[002引在S101中，获取探测区域内的雷达拼图。
[0029]例如，在本文实验中所使用的雷达资料为新一代S波段多普勒天气雷达（CINRAD/ SA)扫描的强度场（反射率因子）拼图资料。在VCP21探测模式下，每隔6分钟对9个仰 角进行扫描，雷达最低仰角为0. 5°，强度场的最大探测半径为460公里，同时，采用时间同 步软件进行时间同步，确保所有雷达能同步扫描。为计算方便，把极坐标格式的雷达资料用 AWS插值法插值到=维直角坐标系中。同时，由于雷达拼图资料经常存在杂波和亮带等虚 假回波，而该些虚假回波经常出现在低层，因此，可W取2. 5km高度的雷达CAPPI拼图数据 作为雷达回波场，此层雷达回波能代表对流水平分布特征，比较具有代表性，并且在很大程 度上避免了虚假回波和地物杂波的影响。
[0030] 在S102中，基于所述雷达拼图，采用局部约束的光流法计算得到雷达回波的光流 场。
[0031] 光流法的基本原理如下：W图像亮度变化作为识别对象，运动目标和观测器之间 的相对运动在图像序列中产生瞬时位移，从而能够体现图像亮度模式的表观运动，图像中 所有像素点的亮度光流就构成了图像的光流场，而光流法的核屯、就是从连续的图像序列中 计算光流场。
[0032]因此，简单说来，光流场就是类刚体物体的速度矢量场。在天气预报领域，速度矢 量一般用U，V两个分量来表达。假设笛卡尔坐标平面上有一点（X，Z)，它代表=维空间中某 一点（x，y，z)在图像平面上的投影，该点在时刻t的灰度值（光亮度值）为I(x，y，t)。假 定该点在（t+At)时运动到（X+Ax，y+Ay),在一定时间间隔At内灰度值保持不变，即；
[0033]I(x+uAt,y+vAt,t+At) =I(x,y,t) , (1) (1)式中，u，v分别是该点的光 流在x，y方向上的分量。假设亮度I(x，y)随时间t平滑变化，可W将（1)式按泰勒公式展 开，得到：
[0034]
(2)
[003引其中，e为包括AX，Ay，AZ的二次W上无穷小项，似式消去I(X，y，t)，用At除等式两边，并取At- 0的极限后，可求得：
[0036]
(3)
[0037] 做式实际上是^二0晩展开式，可W简写为： dt
[0038] IxU+IyV+It= 0， （4) 其中：
（