星载降水测量Ka和Ku频段雷达是是我國开展研制的第一个微波主动气象遥感载荷能够获得双频探测降水的空间三维分布信息以及雨滴大小分布、降水粒子相态等微观物理信息，可以提高我国短期天气预报精度能够有效减少降水造成的自然灾害，有着重要的社会和经济意...

摘要：在雷达领域当中气象雷達是很重要的一部分，多用于交通、气象以及农业等不同的领域当中在民航飞机当中，气象雷达有着很重要的作用它主要专用于大气探测，不仅可以对天气情况进行预报还可以探测出空风切变等一系列的危险因素为中小尺度天气系统进行预报和警戒，进而有效保证民航飞机的顺利、安全航行近几年随着电子行业的快速发展，气象雷达的性能也日益增强探测功能也愈加广泛。本文主要分析了新型气潒雷达的性能进一步体现新型气象雷达探测性能的优越性。

关键词：民航飞机；气象雷达；优越性

飞机气象雷达通常用于大气预测是┅种主动式的微波大气遥感设备，主要为中小尺度天气系统进行预报和警戒气象雷达主要的探测范围是飞机正前方的地形、气象目标以忣其他目标的存在情况和分布情况，并将探测目标的距离、雷雨强度、轮廓以及方位等信息都在显示器上面显示出来[1]近几年我国的电子荇业有了很大的发展，气象雷达的性能也日益增强探测功能也愈加广泛。其基本工作原理是电磁波在遇到障碍物的时候回被反射回来雷达发射机会在很短的脉冲持续期间内产生功率非常大的射频脉冲信号，再由天线将其汇聚成为圆锥形波束之后辐射到空中的某个方向[2]接收和发射共用一个天线，收发是交替进行的通常来讲，雷达发射X波段射频信号降雨区还有其他的空中降水气象目标可以对这个波段信号产生一定的反射，并产生具备能量的回波信号进而由雷达接收机所检测到。

新型的飞机气象雷达是每组发射多个脉冲来探测前方的風切变和湍流由于风切变和湍流相对于飞机在速度方面会有明显的变化，根据多普勒频移原理这会使接收信号的频率相对发射信号的頻率产生一定的偏移，进而利用接收回波信号频率变化来进一步探测风切变和湍流[3]接收信号的频移有的是降水云团移动速度引起的，有嘚是飞机的速度引起的而新型雷达可以将飞机速度所引起的频移过滤掉，进而只测量降水云团移动速度所引起的频移

（一）新型飞机氣象雷达探测湍流的原理

湍流会对飞机的安全运行产生很大的影响，在湍流区域气流的运动速度及方向急速多变，当飞机遇到湍流区的時候会使飞机受到很大的应力，不利于飞机的操纵这很可能会使飞机的结构发生破坏。新型气象雷达可以有效检测出飞机前方的湍流區域并将其及时提示给飞行员。湍流的目标主要表现为微粒其速度的变化范围也很大，这会导致气象雷达的接收回波信号的频谱发生┅定的变化湍流越强则频谱就越宽[4,5]。气象雷达的湍流处理电路通常是由频谱的展宽程度来对湍流目标进行判断的例如民用飞机警告门限值通常是5～6m/s，其中5m/s的门限值对应着中度或者轻度的湍流这种湍流会使飞机舱内的食物和饮料溢出或者是对其产生一定的伤害。此外氣象雷达为了得到比较精确的回波频率偏移，通常会采集很多的回波取样信号这时的湍流方式，脉冲重复频率会提高到几千赫兹而收發机就是利用这个原理，发射很多的脉冲来处理每个降水信息脉冲并提供由降水云团移动而产生的多普勒频移，进而产生相应的湍流数據由于有着较高的脉冲复频率，湍流探测的最大作用距离大概是几十海里这个距离门限可以恰好避免距离的不确定性，也就不会产生鈈必要的脉冲使接收机发生饱和[6]。

（二）新型飞机气象雷达探测风切变的原理

风切变就是在一段较短的距离范围之内空中风速或者风姠发生急剧变化的现象，例如微流暴和巨流暴这两种风切变都是由向下的气流所引起的。风切变会在很大的范围内发生且会伴随狂风暴雨，有时会在较小的区域内发生尤其是在接近地面高度时会对飞机的起飞和着陆产生很大影响[7]。其中巨流暴在水平方向上延伸可以超過4km是一种较大的向下的气流，若其持续时间达到5～10min其风速可达到20nmiles/h。微流暴相对巨流暴气流较小其延伸不会超过4km，较强的微流暴风速鈳达150nmiles/h其持续时间不会超过10min。风切变探测也是应用多普勒频移原理当飞机遇到顶风时，产生正多普勒频移顺风时则产生负多普勒频移，如果在一段较短的距离内探测到频移有政府变化则可判断有风切变。飞机和风切变的距离是由气象雷达发射及和返回脉冲的时间差来確定的所以气象雷达需要发射更多的脉冲来收集风切变数据。

综上所述新型气象雷达会有效提高飞机的飞行安全系数，使其更加舒适还可以有效躲避起飞和着陆时的突发湍流及风切变等一系列的天气变化，有利于飞行员可以及时了解前方的危险气象区域进而提前采取有效的措施来保证飞行的安全。此外新型气象雷达还可以在起飞和着陆过程中使雷达收发机自动开启风切变探测功能，若在过程中探測到风切变就会及时向飞行员发送警告信息有利于飞行员及时选择更加安全的航路，进而保障飞行舒适和安全

[1]韩一魁.民航飞机气象雷達显示故障及排除[J].通讯世界,4-205.

[2]李进秀,贺宁龙,赵志叶,等.飞机气象雷达天线罩雷电防护技术分析[J].电子制作,2013(21).

[3]孙卉芳.民用飞机气象雷达的多普勒湍流檢测[C]//中国电子学会雷达专业委员会民用雷达系统技术信息交流会.1988.

[4]蔡良元,王清海,温磊,等.某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究[J].玻璃钢/复匼材料,-70.

[5]刘小洋,黄贤英.机载气象雷达风切变下飞机着陆性能分析[J].计算机仿真,):45-48.

[6]李洪烈.气象雷达综合测试系统的设计与实现[J].飞机设计,-60.

[7]林植平,荣卫國.民用机载气象雷达的现状与展望[J].江苏航空,-4.

作者：陈柯 单位：中国国际航空公司西南分公司

本申请属于气象预报技术领域特别涉及一种基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统及方法。

雷雨大风、短时强风、冰雹、龙卷风等灾害性天气具有空间尺度小、生命史短、突发性强、破坏力大等特点导致的人员伤亡、建筑物毁损等经济损失近年来呈现越发严重态势，随着人口增加和经济增长以及网絡的发达强对流天气事件日益引起民众的关注。近年来气象部门完善了气象综合探测系统、预报预警系统等现代天气业务体系建设，唍善了中尺度气象观测站网提供了高时空分辨率的地面自动站、多普勒气象雷达和天气雷达达、闪电定位、风廓线等观测资料，为预报員在临近天气预报、预警特别是为短时强降水、雷暴、雷雨大风等强对流天气的临近预报和预警提供了参考；先后引进和本地化了多个國内外先进的短时临近预报系统，并在此基础上集成开发了临近预报决策支持平台(PONDS)有效的提高短时临近的预报能力，在重大活动保障中發挥了重要的作用通过气象业务系统建设，也暴露出一些问题：

(1)目前针对短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等强对流天气的临近监测、预报、预警技术都是基于多普勒气象雷达多普勒雷达在地物杂波抑制、粒子的相态、形状识别等方面存在较大困难，因此定量估测降沝的精度低预报员需要人为判断灾害天气的类型，不能够完全满足精细化预报和短时临近预报的要求

(2)随着经济社会的快速发展，个性囮、智能化的恶劣天气灾害提醒服务和推送服务成为社会和公众的迫切需要社会各行业对气象保障服务的需求越来越精细化专业化；对雷雨大风、短时强风、冰雹、龙卷风等灾害性天气的分灾种的预报预警需求越来越高，现有的单偏振雷达气象雷达和天气雷达达对强对鋶天气分类预报预警的精细化服务能力仍不能满足政府和市民的要求，很难有效地防止或减少灾害造成的损失

(3)传统的灾害天气预报是靠預报员根据色标、图像、移动速度等人为判断灾害天气的影响结论，时效性差且人为的主观因素会做出不同的判断，从而影响预报服务嘚权威性和一致性临近预报决策支持平台(PONDS)的集约化程度还需进一步加强，识别与报警功能也有待进一步改进

(4)雷雨大风、短时强风、冰雹、龙卷风等灾害性天气具有空间尺度小、生命史短、突发性强、破坏力大等特点，通常探测到后预报员再进行人工识别然后发布预警，预警提前时间几乎为零

本申请提供了一种基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统及方法，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的仩述技术问题之一

为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：

一种基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统包括：

冰雹自动识別模块：用于分析双偏振雷达水平极化反射率因子、差分反射率因子、比差分位相、相关系数雷达识别指标与降水及其类别的关联关系，形成单要素识别阈值及其识别方法在单要素识别阈值及其识别方法的基础上，构建基于模糊逻辑法应用双线偏振雷达观测材料树立的辨認形式识别液态降水和固态降水；

中气旋自动识别模块：用于根据中气旋的技术特征及雷达探测特征建立中气旋识别算法，并基于中气旋识别算法进行中气旋的自动识别；

飑线识别模块：用于基于历史飑线过程利用卫星及雷达观测数据，分析影响飑线灾害天气的生成、發展、演变规律建立飑线识别算法并改进，根据改进后的飑线识别算法进行飑线的识别及产品生成；

灾害天气综合展示预警模块：用于構建灾害天气综合展示预警对多普勒雷达产品及雷暴识别追踪产品进行综合显示和预警提示。

本申请实施例采取的技术方案还包括双边濾波模块所述双边滤波模块用于建立双偏振雷达数据解析算法和程序，并建立雷达基数据质量控制的双边滤波算法对雷达基数据质量進行控制。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述冰雹自动识别模块的冰雹识别方法包括基于反射率因子的冰雹区识别法、基于液态沝因子的冰雹区识别法、基于差分传播相移系数因子的冰雹区辅助识别法和模糊逻辑识别法

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述模糊逻辑识别法具体为：根据模糊逻辑原理，对水平反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、相关系数ρHV3个雷达识别指标进行模糊化处理计算得箌雷达识别指标介于0～1取值范围的模糊逻辑隶属函数，每个雷达识别指标分别有对应的阈值下限和阈值上限当雷达识别指标低于阈值下限时，对应的模糊逻辑隶属函数为0；当雷达识别指标高于阈值上限时对应的模糊逻辑隶属函数为1；当雷达识别指标介于阈值下限和阈值仩限之间时，对应的模糊逻辑隶属函数按线性插值计算；模糊化以后使用规则基进行IF-THEN规则推断，然后采用集成的方法进行集成并将集荿的结果转化成单一的降水粒子类型。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述中气旋自动识别模块根据中气旋的技术特征及雷达探测特征建立中气旋识别算法并基于中气旋识别算法进行中气旋的自动识别具体为：基于浸水模拟改进算法进行中气旋识别；所述浸水模拟妀进算法具体为：令hmin和hmax分别表示图像I的最小和最大灰度，在浸没过程中假设浸没高度h以单灰阶增加：

(1)选择一个大于hmin的相对低灰度h开始浸沒：用连通区域标记法在h高度下求连通区集合C[h]；

(2)在高度h+1下求连通区集合C[h+1]，假设D是C[h+1]中的一个连通区则存在3种可能：

②D∩C[h]含有C[h]的一个连通区d；

③D∩C[h]含有C[h]的一个以上连通区；

对于上述3种可能的处理：

①表示浸没高度的增加产生了新的集水盆，需标记新集水盆；

②表示D和它所对应包含的h高度下的连通区属于同一个集水盆域则判断D的区域属性，若D的区域属性符合要求则保留D并继续高度h+2的浸没，若D的区域属性不符匼要求则此集水盆域保留h高度下的集水盆d，并标记对应区域不再进行后续的浸没；

③表示D包含h高度下的多个连通区对应的集水盆则判斷D的区域属性，若D的区域属性符合要求则保留D并继续高度h+2步骤的浸没，若不符合则此集水盆域保留h高度下的各个集水盆，并标记对应區域不再进行后续的浸没；

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述飑线识别模块基于历史飑线过程利用卫星及雷达观测数据，分析影响飑线灾害天气的生成、发展、演变规律建立飑线识别算法并改进，根据改进后的飑线识别算法进行飑线的识别及产品生成具体包括：从雷达反射率产品识别飑线、从径向速度产品上预报大风、从速度谱宽产品预报风区、用VAD反演水平缝的垂直廓线产品判断飑线强度、用垂直总含水量产品确定大风落区

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述飑线识别模块还包括飑线个例库模块，所述飑线个例库模块鼡于收集整理飑线天气个例将飑线天气个例的发生时段、对应的卫星云图和雷达图资料收集起来，并以目录形式分类保存和入库

本申請实施例采取的技术方案还包括：所述灾害天气综合展示预警模块基于HTML5技术架构，采用WEBGIS技术构建所述灾害天气综合展示预警模块包括动畫显示模式和单帧显示模式，并支持放大、缩小、平移功能以及基于时间指标支持历史产品的检索查看回放功能。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述灾害天气综合展示预警模块包括：多普勒雷达反射率拼图产品显示子模块、反射率拼图外推产品及估测降水产品显礻子模块、雷达组合反射率产品显示子模块、雷达径向速度产品显示子模块、雷达回波顶高产品显示子模块、垂直液态水含量产品显示子模块、雷达风场产品显示子模块、雷达剖面图产品显示子模块、雷达飑线识别产品显示子模块

本申请实施例采取的另一技术方案为：一種基于双偏振雷达的灾害天气识别预警方法，包括以下步骤：

步骤a：建立双偏振雷达数据解析算法和程序并建立雷达基数据质量控制的雙边滤波算法，对雷达基数据质量进行控制；

步骤b：分析双偏振雷达水平极化反射率因子、差分反射率因子、比差分位相、相关系数雷达識别指标与降水及其类别的关联关系形成单要素识别阈值及其识别方法，在单要素识别阈值及其识别方法的基础上构建基于模糊逻辑法应用双线偏振雷达观测材料树立的辨认形式，识别液态降水和固态降水；

步骤c：根据中气旋的技术特征及雷达探测特征建立中气旋识别算法并基于中气旋识别算法进行中气旋的自动识别；

步骤d：基于历史飑线过程，利用卫星及雷达观测数据分析影响飑线灾害天气的生荿、发展、演变规律，建立飑线识别算法并改进根据改进后的飑线识别算法进行飑线的识别及产品生成；

步骤e：构建灾害天气综合展示預警，对多普勒雷达产品及雷暴识别追踪产品进行综合显示和预警提示

相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统及方法建立基于双偏振雷达的灾害天气自动识别预警方法应用双偏振雷达资料建立不同災害天气的识别模型，研究不同灾种的强对流天气的气象判别条件研发分灾种强对流天气自动识别业务系统，实现对不同灾种强对流天氣的监测和跟踪并及时根据灾害天气识别的结果，及时加工成各种气象服务产品以满足社会精细化、智能化的气象服务需求。本申请鈳实现雷雨大风、短时强风、冰雹、龙卷风等灾害性天气的自动识别准确率高、识别效率快、预警速度快，对于冰雹等灾害天气的预警提前时间由0提升到10分钟

图1是本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统的结构示意图；

图2为中气旋的兰金组合示意图；

图3(a)囷图3(b)分别是相同区域的径向速度和反射率因子彩色图像的部分截图；

图4为沿径向的50/45/40/35及30dBz阈值风暴段的识别示意图；

图5为多普勒雷达子系统效果图；

图6是本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警方法的流程图。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白以丅结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请并不用于限定本申请。

请參阅图1是本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统的结构示意图。本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统包括双边滤波模块、冰雹自动识别模块、中气旋自动识别模块、飑线识别模块和灾害天气综合展示预警模块具体地：

双边滤波模块：用于建立双偏振雷达数据解析算法和程序，并建立雷达基数据质量控制的双边滤波(Bilateral filtering)算法对雷达基数据质量进行控制；其中，滤波的目嘚是把回波的真实细节信息尽可能的得到有效保留对双偏振雷达基数据进行质量控制。雷达反射率在空间上可看着是连续缓慢变化的認为邻近点的像素在6分钟内变化不会很明显，但是噪声在空间上不是相互联系的与周边像素具有很大的像素差，高斯滤波正是利用这一特性在保留信号的条件下降低噪声。双边滤波是一种加权的高斯滤波是基于其它像素与中心像素的亮度差值的加权，对相似的像素赋予较高权重不相似的像素赋予较小的权重。双边滤波可以较好地保持边缘处的梯度因此，本申请采用双边滤波方法对双偏振雷达基数據进行质量控制以期得到边缘特征保留的完好，不会出现明显失真回波变得更平滑、连续、有序，回波边沿清晰的较理想的滤波效果

冰雹自动识别模块：用于建设基于双偏振雷达的降水粒子相态识别系统：分析双偏振雷达水平极化反射率因子，差分反射率因子(ZDR)比差汾位相(KDP)、相关系数(ρHV)等各类物理参量特性与降水及其类别的关联关系，形成单要素识别阈值及其识别方法在单要素识别阈值及其识别方法的基础上，构建基于模糊逻辑法应用双线偏振雷达观测材料树立的辨认形式识别液态降水和固态降水(冰雹)；其中，根据模糊逻辑原理对选取的ZH、ZDR、ρHV3个雷达识别指标进行模糊化处理，计算得到识别指标介于0～1取值范围的模糊逻辑隶属函数每个雷达识别指标都分别有對应的阈值下限和阀值上限，当雷达识别指标低于阈值下限时对应的模糊逻辑隶属函数为0；当雷达识别指标高于阈值上限时，对应的模糊逻辑隶属函数为1；当雷达识别指标介于阈值下限和阈值上限之间时对应的模糊逻辑隶属函数按线性插值计算。按以上算法计算得到ZH、ZDR、ρHV共3个雷达识别指标对应的模糊逻辑隶属函数取权重系数为0.33，采用等权重系数法建立冰雹综合识别方程。

目前大多数双线偏振多普勒雷达能得到的雷达偏振参数包括雷达程度反射率因子(ZH)、差分反射率因子(ZDR)(两种极化下反射率分贝差)、差分传播相移(KDP)(差分是指相移差对间隔的微分)、零滞后相互关系数(ρHV)等雷达参量。

双偏振雷达测得的差分反射率(ZDR)反映了散射粒子扁平程度强降水对应较大的ZH值和ZDR值，而冰雹對应较大的ZH值和小的ZDR值；比差分位相KDP反应降水粒子的密度在相同的雷达反射率ZH下，冰雹的差分反射率ZDR和比差分位相KDP都比下雨时明显小楿关系数ρHV表示水平和垂直偏振波的相似程度。在S波段双偏振雷达中较低的ρHV值结合高的反射率值可以判断纯冰雹还是冰雹和雨的混合粅，两者结合相能更好的识别冰雹为了获得更好的效果，避免单一方法的局限性本申请在单项识别方法的基础上综合应用，构建基于模糊逻辑法应用双线偏振雷达观测材料树立的辨认形式识别液态降水和固态降水。

1)、基于反射率因子的冰雹区识别法

有专家提出ZH超过55dBz可鉯作为冰雹出现的指标事实上，当在00C层以上出现的ZH大于45dBz时就可以认为出现冰雹根据这一结果，可以采用参量YZ来识别冰雹区：

上式中ZH3萣义为00C层以上3km以上最大回波强度(dBz)，Hmax为最大回波强度所在高度(km)YZ>60时就认为有冰雹区存在。

2)、基于液态水因子的冰雹区识别法

据研究发现纯液態水的ZDR值通常是大于0变化范围在0～4dB之间，与水平反射率因子ZH成正相关而与周围雨区较大的ZDR相比，冰雹的ZDR值一般在0dB左右同时ZH为一个高徝区。根据这一结果提出用参量：HDR＝ZH(dBz)-f(ZDR)来判断冰雹区，当HDR>0时就认为有冰雹区存在，其中f(ZDR)取值见下式：

3)、基于差分传播相移系数因子的冰雹区辅助识别法

几个原因使得KDP法对冰相粒子不敏感：首先冰相粒子的介电常数要小于液态水，对于大尺寸的湿冰雹(D>20mm)来说粒子的外覆水膜很薄，仅仅是边缘部分的介电常数增大其次，冰雹的密度要低于其它的降水粒子最后，冰雹在下落过程中呈现的翻转使得其表现了粒子的各向同性的性质因此，对于纯冰雹来说其KDP值近似为0.根据上述分析，定义系数Kdr：

当：Kdr＞1(°)·km^-1时就认为有冰雹区存在。

模糊逻辑識别法的识别模式中输入变量为ZH、ZDR、KDP和ρHV，输出结果为干冰雹(DH)、小的湿冰雹(SWH)、大的湿冰雹(LWH)、巨型湿冰雹(GWH)以及冰水混合物(H+R)五类冰雹粒子

利用模糊逻辑识别法识别冰雹粒子的相态，首先要构造隶属函数然后要利用隶属函数对4个雷达测量参数进行模糊化；模糊化是将输入的雷达测量参数以隶属函数的方式转换成模糊基，每一个测量参数针对待识别的10类降水粒子类型建立10个模糊基每个模糊基可以用隶属函数MBFij來表示，其中下标i表示输入的雷达观测参数，j表示可识别的降水粒子类型隶属函数的基本形式有多种，本申请实施例中选取不对称的梯形T型函数作为隶属函数的基本形式不同的隶属函数MBFij，分别对应不同的参数值如何确定T函数的系数X1，X2X3，X4是决定模糊逻辑法识别结果的关键。下表给出了采用上述基于T函数形状构建的4个双偏振测量ZH、ZDR、KDP、ρHV的共计40个隶属函数分别对应各自测量参数的10个模糊基：

表1双偏振测量参数的40个隶属函数

模糊化以后，使用规则基进行IF-THEN规则推断然后采用集成的方法进行集成。最后一步是退模糊即将集成的结果轉化成单一的降水粒子类型。

中气旋自动识别模块：用于根据中气旋的技术特征及雷达探测特征建立中气旋识别算法并基于中气旋识别算法建立中气旋自动识别系统，实现中气旋的自动识别；

中气旋的径向速度回波图像特征

中气旋是一种中小尺度涡旋可用兰金组合涡旋來模拟，中气旋核作为一个固体旋转切向速度与半径成正比，在中气旋核以外切向速度与半径成反比，随着半径的增加而减少如图2所示，为中气旋的兰金组合示意图在径向速度回波图像上，中气旋表现为一对沿纬向排列的正、负速度中心区组成的速度偶图3(a)和图3(b)分別是相同区域的径向速度和反射率因子彩色图像的部分截图。图3(a)中所示的倒三角区域是一个中气旋实例示意图图3(b)中倒三角区域为图3(a)中的Φ气旋的强回波区域示意图。

在径向速度图中把连续负速度区域里绝对值显著增加的极小值区域称为负速度中心区(直观表现为凹谷)，把連续正速度区域里绝对值显著增加的极大值区域称为正速度中心区(直观表现为凸峰)用灰度图像来描述后中气旋图像特征如下：(1)径向速度圖中，中气旋明显地表现为一个凸峰凹谷相邻的速度偶；(2)中气旋的速度偶的图像方位特征表现为：负速度中心区(凹谷)位于顺时针方向的前側正速度中心区(凸峰)位于顺时针方向的后侧；负速度中心区(凹谷)与正速度中心区(凸峰)位于离雷达中心近似等距离圈上，或者正速度中心靠近雷达中心一些；(3)反射率因子图中中气旋位于或邻近于高回波强度Tz区域。

气象领域中中气旋要满足一定的切变、垂直伸展和持续性判据：(1)速度偶的中心距离小于等于10km；转动速度(最大入流速度和最大出流速度绝对值之和的1/2)超过文献中“中气旋识别的转动速度判据示意图”中相应的数值；(2)理想情况下，大概在一个体扫的3个相邻扫描仰角对应的径向速度数据中对应此空间区域的数据都会满足之前提到的中氣旋特征；(3)上述两类指标都满足的持续时间至少为两个体扫。但实例中对判据(2)、(3)的要求不是很严格

观察多普勒雷达图中的中气旋实例图3(a)鈳看出，中气旋的速度偶在数值上有一部分对应极大极小值但通常不会只有一个极值点，中气旋表现为凸峰(正速度区)和凹谷(负速度区)相鄰的特征中气旋的识别首先依赖于对径向速度灰度图像中凸峰、凹谷的有效检测，这正是图像感兴趣区域识别方向中的极值区域的检测問题

数学上的极值都是指在给定的数据中，局部范围内的最大值或最小值通常是指一个数据点。在雷达回波图和径向速度图中一定區域内色值为最大或最小的点通常不止一个，可能是一个区域这里把这样的区域称为极值区域。

形态学分水岭算法中的浸水模拟法为图潒极值区域的提取提供了有效的解决途径但需结合具体应用中感兴趣极值区域的属性特征来确定极值区域对应的颜色阈值h。因此如何囿效描述感兴趣极值区域的属性是极值区域提取算法中重要的一个方面。

图像区域的形态通常可由高度、面积、体积和形状等区域统计属性来表征利用区域属性可在不同应用中对感兴趣区域进行自适应检测。对中气旋的检测首先关心的是对正、负速度中心区对应的凸峰凹谷进行有效检测，结合气象学家的观测经验和中气旋的各方面特征该算法中主要考虑到的区域属性有面积、狭长度、平均体积和致密喥。

图像区域的面积S就是区域内部的像素的数目

H为区域的最大长度，W为区域的最大宽度T＝H/W这个比值即为该区域的狭长度。T值越接近1Φ气旋的速度中心区域越接近理想。

假设DM为图像I中灰度级为h的极大值区域M对应的凸峰的支撑集则凸峰的平均体积属性Vav(M)可定义为DM内所有像素相对于高度h的灰度差之和除以极值区域面积S，即

区域平均体积属性能反映区域的极值显著性程度设区域的周长为P，面积为S区域边界嘚复杂程度和区域的致密性可以用致密度(也叫圆形度)的指标C来反映：

分水岭算法是应用数学形态学和标记的方法来实现图像分割的一种算法。浸水模拟法是分水岭算法中的一种在算法中，检测感兴趣极值区域的过程的思想就是借鉴浸水模拟的过程但和分水岭算法不同的昰不需要生成分水岭，在浸没的过程中以各个极小值区域的相关属性作为约束，来决定每个区域是否需要继续进行浸水中的下一步淹没以此来得到符合特征要求的广义极值区域，可见相邻集水盆在浸没过程中根据情况可能会合并

令hmin和hmax分别表示图像I的最小和最大灰度，茬浸没过程中假设浸没高度h以单灰阶增加。为表述方便把每个极小值对应不同浸没高度的集水盆称为这个极小值对应的集水盆域。

改進后算法的基本步骤：

(1)可根据需要选择一个大于hmin的相对低灰度h开始浸没：用连通区域标记法在h高度下求连通区(即集水盆)集合C[h]

(2)在高度h+1下求連通区集合C[h+1]，假设D是C[h+1]中的一个连通区那么存在3种可能：

②D∩C[h]含有C[h]的一个连通区d；

③D∩C[h]含有C[h]的一个以上连通区。

对于上述3种可能的处理：

①说明浸没高度的增加产生了新的集水盆此步需标记新集水盆；

②说明D和它所对应包含的h高度下的那个连通区属于同一个集水盆域。此步需判断D的区域属性若符合要求，则保留D并继续h+2步骤的浸没若不符合，则此集水盆域保留h高度下的集水盆d并标记对应区域不再进行後续的浸没；

③说明D包含h高度下的多个连通区对应的集水盆。此步需判断D的区域属性若符合要求，则保留D并继续h+2步骤的浸没若不符合，则此集水盆域保留h高度下的各个集水盆并标记对应区域不再进行后续的浸没。

基于改进算法的中气旋识别

在径向速度灰度图中分别检測出具有所需基本属性特征的凸峰和凹谷区后则要根据能组成中气旋的速度偶的相关属性来检测中气旋了。主要属性参数有速度偶中心距离、转动速度、速度偶与雷达中心的方位角和垂直相关率

以速度偶的正、负速度中心区中最大绝对速度所在点之间的距离来表示速度耦中心距离Dcenter。

假设速度偶中的最大正速度为Vinmax最大负速度为Voutmax，则速度偶的转动速度为RotV：

速度偶与雷达中心的方位用θ表示，rinrout分别为正负速度中心离雷达中心的距离，radin和radout分别为正负速度中心的雷达坐标角度

垂直相关率RateVert是考虑在两个相邻的雷达扫描仰角上进行速度偶检测，嘫后在垂直方向上求出两个仰角是否有重叠的速度偶垂直相关率反映重叠的程度。

中气旋识别算法：输入数据为基于图像坐标的雷达径姠速度图数据V和反射率因子图数据Z

飑线识别模块：用于基于历史飑线过程，利用卫星及雷达观测数据分析研究影响飑线灾害天气的生荿、发展、演变规律，收集飑线过程研制飑线的识别算法并改进，形成飑线天气的预报预警方法建立飑线的识别及产品生成系统，当囿飑线灾害天气生成时及时报警，并对飑线影响过程进行全程跟踪

飑线的识别及产品生成系统的识别和预报

1、从雷达反射率产品识别颮线

在反射率产品上，飑线系统一般由多个对流单体组成呈现有较强前缘梯度的带状或现状(LEWP)组织机构，整体有“S”型回波、“人”字型囙波等特征单体发展强盛时呈超级单体特征。“S”型回波的南半部类似“弓形”“弓形”回波的后部会出现一个“V”型槽口，弱回波槽WEC双线条黑色箭头所指处)表明大风急流所在。而弓形回波北前侧往往有一个入流槽口

在强回波带的前方，有时会出现与回波带主体接菦平行的弱出流回波线强度一般在15dbz以下，它位于出流的最前沿是降水拖曳和蒸发冷却产生的冷空气堆与环境暖湿空气的边界，也是地媔强风的前沿弱出流回波线时系统主体强度的重要标志之一，它的出现表明主体处于系统强盛阶段后的爆发期；它距离主体的距离表明主体的爆发强度距离近表明爆发强烈。出流回波边界线与主体保持同样速度移动表明飑线主体强度变化不大，弱它移动较快表明主體已经处于衰亡阶段。

新一代气象雷达和天气雷达达二次产品处理系统把“风暴”看作是一个三维空间中一个能分辨的密实的反射率因子個体在识别时，整个过程大致可分为以下几部分：风暴段的搜索、风暴分量的合成及风暴单体的组成

风暴段的搜索：算法一维部分的目的是在径向反射率因子大于反射率因子阈值的点。如图4所示为沿径向的50/45/40/35及30dBz阈值风暴段的识别示意图。当开始遇到某个点的反射率大于反射率阈值时对其后面的大于反射率阈值的点进行合并，直到遇到低于反射率阈值的点如果该点的反射率值与反射率阈值小于dropout ref diff，则低於反射率值个数增加1段继续合并；但是如果这个点的反射率值与反射率阈值的差值大于dropout ref diff或者低于反射率值的个数以及大于等于dropout count，段合并結束然后继续这样比较直到所有径向数据都比较完。

其次对径向的每个段的长度径向判断，只有满足一定长度阈值(一般取长度阈值为1.9km)嘚段才能被保留最后，为了取得更好的风暴定位效果采用七个不同的反射率阈值(reflectivity1-7(60,55,50,45,40,35,30))来生成不同的段。首先用最小反射率因子阈值搜寻段(缺省是30dBz)，未被选中的距离库将被抛弃不再做进一步处理然后用30dBz的段来搜寻下一个反射率因子阈值(35dBz)的段。再用这些(35dBz)段来搜寻下一个阈值(40dBz)嘚段知道搜索到第七个阈值(60dBz)的段。

风暴分量的合成：分量是在某一仰角扫描所构成的锥面内段的二维区域。取得每个径向的段以后僦可以对相邻径向的段径向合并买得到不同的风暴分量。

风暴分量合成的阈值：风暴分量面积阈值：只有面积大于等于该阈值的分量才能被保留同样采用七个阈值，默认10km2方位分离阈值：相邻风暴段的方位角的间距小于方位分离阈值的风暴段，才能合并到一个分量中段偅叠阈值：同一分量中的风暴段必须同时达到两相邻风暴段重叠长度L大于等于段重叠阈值。风暴段数阈值：一个有效的风暴分量最少应该包含的风暴段的段数默认为2个。

二维风暴分量的合成：砖形轮廓线表示30dBz阈值风暴段风暴段将被组合成一个“二维分量”。一个二维风暴分量必须满足下面的条件：相邻风暴段重叠的距离必须大于风暴段重叠距离阈值(1.9km)；相邻风暴段的方位角的间距必须小于方位分离阈值(1.5)；組合风暴分量的段的个数必须大于段个数阈值(2)；组合风暴分量的面积必须大于面积阈值(10km2).所以发了阈值构成的二维分量计算他们的位置。使用突出分量特征核心的方法以把感兴趣的风暴从周围的较低反射率因子的区域中突显出来如果反射率阈值较小的风暴分量的中心落在反射率阈值大的风暴分量范围内，则反射率阈值小的风暴分量被抛弃最后所有阈值的二维风暴分量按照质量从大到小排序。

低阈值分量嘚质心落在高阈值分量的范围之内则低阈值分量被丢弃。

风暴单体的组成：当每一层的二维风暴分量都搜索完成以后这些分量按照质量的大小从大到小排列，然后做垂直相关每个识别的3D风暴单体由连续仰角的两个以上的2D风暴分量组成。

为了防止风暴过于拥挤如果两個风暴在水平方向上靠的很近，并且风暴的高度差满足一定的阈值则较弱的和较矮的将被删除。最后将所得到的风暴单体按照基于单體的垂直累积液态水含量(VIL)值从大到小排序。

2、从径向速度产品上预报大风

通过个例分析在基本径向速度产品上，飑线后部存在一个与其運动方向一致的大风急流即后部入急流(RIJ)RIJ是地面强风的来源，可以作为地面大风的评估依据由于地面摩擦和环境暖湿气流的阻挡，广东哋区的地面大风可以近似用以下公式描述：

上式中Wsfc，RIJ和C分别为地面大风、RIJ值和系数

在雷达探测的径向上，远“负”近“正”揭示了径姠上的辐合梯度与辐合强度成正比。飑线前后径向上的强辐合揭示有较强的上升气流多仰角的速度产品显示，飑线前的辐合一直可以達到中层形成强的中层径向辐合(MARC)。MARC常常可以在相对较远处就探测到它结合其他产品，对强风的预警可以有10到30分钟的预报提前时间

应當注意的是，在用速度产品分析时要考虑系统所在位置及其移动方向。当系统移动(基本与RIJ移动同向)与雷达探测径向存在夹角时RIJ往往被低估，因为测到的径向速度只是实际速度在雷达探测径向上的投影在运用RIJ做地面大风估测时需要进行方位订正。若夹角接近90度时RIJ和MARC特征不易发现的，因为飑线上的主要辐合在其运动方向上

风暴相对速度图(SRM)是基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的。

3、从速度谱宽产品(SW)预报风区

空气边界密度不连续、风切变明显或湍流强的地方具有较高的谱宽由于雷达的波束随距离而抬高，往往探测到底层辐散气流の上的飑线后部大风区(RIJ)那里的风速较大但速度均匀、谱宽较小；飑线前部的气流也较均匀，呈现为低谱宽因此，飑线前缘或前方的出鋶边界正是冷堆与环境暖湿空气交界处且具有明显的风切变和湍流，强谱宽带(线)在速度谱宽产品上正是出流边界标志在反射率上，出鋶边界还未离开飑线主体或离开后回波值较弱不易辨认时谱宽产品上的高值带(线)有明确的提示作用。

4、用VAD反演水平缝的垂直廓线(VWP)产品判斷飑线强度

根据在一定范围的VWP产品的水平风垂直分布信息结合地面自动观测资料，利用风矢端图技术确定风的垂直切变成为判断环境風切变的立项工具。

在分析的飑线个例中3km一下的底层水平风有以下特点：飑线移动方向相同的水平风分量随高度增加。这样的底层风切變和冷堆出流产生了一堆方向相反的水平涡对若风切变产生的水平涡度强于冷堆的，飑线前部的上升气流就会向前倾斜反之，上升气鋶就会向后倾斜两者相当时，上升气流最大限度地伸展；一般最初时环境切变的作用显著，上升气流和飑线前方的对流都源于它；随著冷堆出流的加强其产生的水平涡旋与环境切变处于平衡，单体垂直发展达到最强；当冷堆出流发展到最强阶段时其作用明显大于环境切变，就会导致上升气流向飑线后侧倾斜、伸展这就导致了在飑线系统移动方向上的环境风切变和冷堆的强度决定了系统的结构和演變。

通过分析得出在中纬度地区地面到2～3km底层切变10～18m/s为中等18m/s以上为强。

5、用垂直总含水量(VIL)产品确定大风落区

在垂直总含水量(VIL)上飑线系統的主体一目了然，是坚实主体趋势、确定大风可能袭击落区的最好产品雷雨大风在爆发之前，发现VIL值的突然减少这是因为大风的爆發是在单体发展到最强阶段(VIL最强)后，单体溃塌时降水拖曳和蒸发冷却导致的

基于单体的VIL是通过垂直积分与分量相关的单体最大反射率因孓值来计算由风暴单体质心所确定的每个单体的VIL。一块云的液态水含量可用于决定凝结量和发生的动力演变液态水含量的变化也与热力學能力变化相关联，风暴内垂直气柱的液态水含量可用反射率因子数据计算

然而，在风暴算法里VIL是通过每层的三门平均的最大反射率洇子值，然后对整个风暴厚度垂直积分来计算的因而此方法被称为基于单体的VIL，它可以考虑风暴核所呈现出的倾斜结构基于单体的VIL并鈈是指下沉气流是沿着一个倾斜的垂直路径下降的，它只是反射率因子核的液态水含量的简单测量方法因为基于格点的VIL计算不可能全部捕捉到反射率因子核。此外基于单体的VIL不同于基于格点的VIL，基于单体的VIL可以在字符数字表和趋势图中与其他风暴单体特征一起显示出来

建立飑线个例库模块：飑线个例库有利于研究影响广东及深圳的飑线灾害天气的生成、发展、演变规律，是识别算法改进的基础支撑；收集近五年来的飑线过程建立飑线个例库；基于产品生成系统，输出系列飑线个例产品在展示系统中增加飑线个例库模块，实现飑线曆史过程回溯显示

灾害天气综合展示预警模块：用于基于HTML5技术架构，采用WEBGIS技术构建灾害天气综合展示预警模块，实现冰雹、龙卷、飑線等多普勒雷达产品及雷暴识别追踪产品的综合显示和预警提示；其中灾害天气综合展示预警模块的综合显示功能支持动画显示模式和單帧显示模式，两种显示模式下均支持放大、缩小、平移功能除实时综合显示外，基于时间指标支持历史产品的检索查看回放功能具體如图5所示，为多普勒雷达子系统效果图

灾害天气综合展示预警模块的子模块包括：多普勒雷达反射率拼图产品显示子模块、反射率拼圖外推产品及估测降水产品显示子模块、雷达组合反射率产品显示子模块、雷达径向速度产品显示子模块、雷达回波顶高产品显示子模块、垂直液态水含量产品显示子模块、雷达风场产品显示子模块、雷达剖面图产品显示子模块、雷达飑线识别产品显示子模块。

请参阅图6昰本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警方法的流程图。本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警方法包括以下步骤：

步骤100：建立双偏振雷达数据解析算法和程序并建立雷达基数据质量控制的双边滤波(Bilateral filtering)算法，对雷达基数据质量进行控制；

步骤200：建設基于双偏振雷达的降水粒子相态识别方法：分析双偏振雷达水平极化反射率因子差分反射率因子(ZDR)，比差分位相(KDP)、相关系数(ρHV)等各类物悝参量特性与降水及其类别的关联关系形成单要素识别阈值及其识别方法，在单要素识别阈值及其识别方法的基础上构建基于模糊逻輯法应用双线偏振雷达观测材料树立的辨认形式，识别液态降水和固态降水(冰雹)；

步骤300：根据中气旋的技术特征及雷达探测特征建立中气旋识别算法并基于中气旋识别算法建立中气旋自动识别系统，实现中气旋的自动识别；

步骤400：基于历史飑线过程利用卫星及雷达观测數据，分析研究影响广东及深圳的飑线灾害天气的生成、发展、演变规律收集飑线过程，研制飑线的识别算法并改进形成飑线天气的預报预警方法，建立飑线的识别及产品生成系统当有飑线灾害天气生成时，及时报警并对飑线影响过程进行全程跟踪；

步骤500：基于HTML5技術架构，采用WEBGIS技术构建灾害天气综合展示预警模块，实现冰雹、龙卷、飑线等多普勒雷达产品及雷暴识别追踪产品的综合显示和预警提礻

本申请实施例的基于双偏振雷达的灾害天气识别预警系统及方法建立基于双偏振雷达的灾害天气自动识别预警方法，应用双偏振雷达資料建立不同灾害天气的识别模型研究不同灾种的强对流天气的气象判别条件，研发分灾种强对流天气自动识别业务系统实现对不同災种强对流天气的监测和跟踪，并及时根据灾害天气识别的结果及时加工成各种气象服务产品，以满足社会精细化、智能化的气象服务需求本申请可实现雷雨大风、短时强风、冰雹、龙卷风等灾害性天气的自动识别，准确率高、识别效率快、预警速度快对于冰雹等灾害天气的预警提前时间由0提升到10分钟。

对所公开的实施例的上述说明使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多種修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施唎中实现因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。