雷达回波是怎么分出颜色?

气象雷达系统的故障在日常维护中比较常见,接下来通过翻译SDS让我们再次学习一下这个系统,以夯基础。

WXR系统提供下列视觉信息显示在CDS上:
气象雷达的操作和回波的原理一样。WXR向飞机前方180度区域发射射频脉冲,目标对象将脉冲反射回来给接收器,接收器处理返回波信号用于显示气象、地形和风切变事件。
气象雷达收到的反馈信号转换成四种不同的颜色出现在导航显示器(ND),这四种不同颜色给机组提供了回波信号的强度。
前视风切变提醒和警告在ND和PFD上显示为琥珀色和红色。同样前视风切变提醒和警告也伴随音频警告。
以下部件提供气象雷达系统的控制:
以下部件给气象雷达收发机的前视风切变提供信号:
  • 在起飞和进近阶段,无线电高度表发送高度数据来激活或者不激活PWS

  • 在起飞阶段,自动油门电门组件激活PWS

  • 在进近阶段,起落架手柄电门发送起落架放下离散信号来激活PWS

  • 空地继电器发送空地离散信号用于飞行航段计算。

气象雷达收发机发送以下信号用于前视风切变:
  • 将PWS的警告和提醒送到GPWS来优先于其他输出

  • 当有PWS警告时,TCAS音响抑制

  • 给REU提供音频用于PWS

WXR数据显示在ND上,来自气象雷达收发机的气象数据发送到气象雷达/地形(WXR/TERR)继电器。近地警告计算机(GPWC)控制和开关该继电器。如果在EFIS控制面板上选择了TERR,或者GPWC有地形警戒或者地形净空警告输出,然后EGPWS地形数据就显示在ND上了。如果未选择TERR并且没有EGPWS警告,WXR数据就显示在ND上。
气象雷达天线发送射频脉冲信号并接收射频回波,收发机通过ADIRU得到俯仰和横滚角度用于稳定天线,一般情况下收发机从左ADIRU得到数据。
收发机是气象雷达系统基础部件,完成以下功能:
  • 探测风切变事件并给驾驶舱发送提示警告

  • 提供气象雷达WXR显示数据

气象雷达控制面板在P8后电子面板
以下部件和气象雷达系统有接口
  • P5后顶板导航/显示源选择面板的IRS选择电门

气象雷达天线位于雷达罩后边前隔板。前电子舱内气象雷达系统部件有:气象雷达收发机、气象雷达收发机支架。当拆装气象雷达收发机时,注意避免损伤到机长大气数据模块软管。
气象雷达控制面板有以下功能:
WXR控制面板有以下模式选择开关
  • TEST--启动收发机自测试,在ND上显示测试结果

  • WX--接收机工作在气象模式

  • WX+T--收发机在ND上显示气象信息和湍流数据,湍流只能显示40海里内的情况,如果EFIS面板上选择范围超过40海里,ND上仅显示气象信息。

  • MAP--收发机将地图和地形特征输出到ND上显示

  • IDNT--启动地杂波抑制电路

  • STAB--按压该开关启动天线稳定装置,当飞机姿态改变时进行修正天线位置

  • TFR--转换电门,摁压左侧的转换电门将右边模式、俯仰、和增益切换至左侧。

当AUTO电门摁下时,自动模式被选择。左边和右边的显示同时更新,当AUTO电门未摁下时,左侧和右侧人工控制,控制功能相互独立。在自动功能下,地面杂波被抑制。当瞬间摁压GC电门,地面杂波将被短暂地显示出来。当选择人工控制时(AUTO电门不在摁下位)这个电门不会被激活。
俯仰控制调整在±15度范围内调整天线的角度。控制面板上的俯仰角度控制仅在MANUAL方式下工作。
增益控制调整气象雷达收发机返回信号的增益,该电门有十个卡位,顺时针旋转使接收机增益增大。有的控制面板上的调节旋钮有一个“CAL“位置,在这个位置时,增益被收发机设置在一个校准水平上。
  • 发送故障数据及测试数据给DEU

  • 生成测试图形并在显示在DU上

气象雷达收发机提供一下显示给DEU
收发机安装底座主要的特点就是连接收发机与波导、提供冷却空气给收发机,一个测试开关可以进行风扇测试。
包括平板天线和天线底座。平板天线发射和接收无线电脉冲,其有一组辐射槽用于发射无线电脉冲。天线底座包含扫描马达、天线位置监视器、俯仰和扫描断开电门。
天线底座上的水平扫描电机驱动天线在±90度的范围内扫描,垂直方向也有一个电机使天线在±40度范围内上下扫描。这个值包含了来自控制面板的人工俯仰选择范围。
气象雷达使用来自惯导的姿态数据来稳定天线,正常情况下,WXR使用来自左惯导的姿态数据。在天线周边工作时,可以通过俯仰和扫描切断电门来切断天线驱动,确保天线不会作动,但这个电门不会抑制收发机的无线电发射。
禁止在风速超过15节时打开雷达罩,否则会造成人员和设备损伤。在机库禁止操作气象雷达,在15M的范围内有燃油泄漏禁止操作气象雷达。
该面板控制气象雷达以下功能
  • 提供气象雷达收发机的开关控制

  • 激活ND显示气象雷达数据

  • 提供不同导航显示方式选择

  • 提供WXR数据显示在ND上的不同范围的选择

气象雷达WXR地图电门

摁压WXR电门之后会产生:
  • 气象雷达收发机开始工作

  • 气象雷达数据显示在同侧的ND上

当把两侧EFIS面板上的气象雷达地图电门都关闭时,气象雷达收发机才会停止工作。
使用模式选择开关选择一个ND模式,气象雷达数据能在以下模式显示:
EFIS控制面板范围选择共有8个位置,它们是5、10、20、40、80、160、320、640海里,当选择640海里时,640NM显示在ND上,但WXR收发机仅在320海里范围内显示气象信息数据。也就是锁气象雷达探测量程最大为320NM。
WXR+T气象+湍流方式最大显示40NM范围内的湍流数据,如果在EFIS控制面板上选择超过40海里的范围时,ND显示气象数据。
收发机从交流转换汇流条2得到115VAC。持续激励电源产生未调节的28V直流和调节的28V直流。未调节的28V直流电源通过收发机里的继电器,同时也通过WXR控制面板提供内锁信号给开关S1,使S1闭合。
为了使气象雷达系统工作,摁压一个EFIS面板上的WXR电门即可。当摁压EFIS面板上的WXR电门时,同侧的DEU通过气象雷达控制面板提供接地,此时调节的28VDC电源接地,使得S2和S3闭合,KEEP-ALIVE电源通过S2发送调节的28VDC去激励气象雷达控制面板的电源供应。115VAC通过S3来激励以下:
当特定情况使得PWS功能工作,气象雷达系统将被自动打开,此时接地信号来自于收发机内的PWS卡,而不是DEU。
当两侧EFIS面板上的WXR电门都在OFF位时,DEU的ON离散信号将被移除、同样可以通过摁压FEIS面板上的TERR电门来关闭气象雷达系统。
  • 气象雷达系统的正常显示

ND在以下方式显示气象雷达系统数据
ND上的气象雷达数据显示飞机前方的气象或者地形,颜色显示来自气象和地形回波的强度,气象雷达有四种颜色的显示:
气象雷达计算和显示40海里内的湍流。
在ND左下侧有三行显示气象雷达数据。
第一行显示方式,方式显示以下数据:
第二行显示在控制面板上设置的天线俯仰值,天线俯仰像是0.0到±15度。
第三行显示增益,增益显示以下数据:
  • VAR-收发机通过增益选择电门获得的增益

  • BLANK-正常操作(增益电门在AUTO位)

所有的气象雷达信息均以深蓝色显示,无备用模式的显示。
如果PWS探测到风切变威胁,将会产生警报,警报可以使警告或者提示,机组接收到的警报基于下列条件:
  • 飞机的飞行阶段--起飞或者进近

在起飞阶段,如果在以下区域探测到风切变,PWS将给出警告
  • 在飞机计划磁航向任何一侧小于0.25海里

  • 在机头方向,大于0.5海里小于3海里的区域

在进近阶段,如果在以下区域探测到风切变,PWS将发出警告
  • 在飞机计划磁航向任何一侧小于0.25海里

  • 在机头方向,大于0.5海里小于1.5海里的区域

如果以下两种情况同时存在,在起飞和进近阶段,PWS会抑制新的风切变警告
  • 低于50英尺的无线电高度

如果在以下区域探测到风切变威胁,PWS会给出提示
  • 在飞机计划磁航向任意一侧小于25度范围内

  • 飞机前方超过0.5海里,小于3海里的范围内

如果以下两种情况同时存在,在起飞和进近阶段,PWS抑制新的风切变提示
  • 无线电高度下雨400英尺

所有的PWS警报在无线电高度大于1200英尺时会被抑制。
PWS警告--驾驶舱效应
PWS警告有以下视觉和听觉的通告
PWS提示--驾驶舱效应
PWS提示有以下视觉和听觉的通告
PWS使用下述数据来探测风切变
如果PWS探测到风切变状况,它将给机组提供视觉和听觉的通告
系统开/关--起飞阶段
当飞机在地面并且有以下情况之一时,PWS打开:
  • 在驾驶舱摁压FEIS面板上的WXR按钮

如果油门杆前推超过53度,EFIS面板上的WXR按钮将无法关闭PWS。当飞机爬升至无线电高度超过2300英尺时,PWS将会自动关闭。
系统开/关--进近阶段
当飞机下降高度低于2300英尺时,PWS自动打开。当以下任一情况发生时,PWS关闭:
  • 飞机爬升无线电高度超过2300英尺

如果EFIS上的WXR没有被选择,所有天线的扫描都将用于寻找风切变;如果WXR被选择,天线使用一次扫描来搜寻风切变,另一次扫描搜寻正常的气象回波。PWS操作不会影响机组选择的WXR方式和范围。
如果PWS探测到风切变,ND上便会显示一个风切变符号。符号时红黑条,黄色的条从符号的边沿一直延伸到罗盘边沿,黄色的条帮助机组看到风切变符号。
ND的方式选择必须在正确的方式下才能显示风切变数据,以下是能显示风切变数据的ND方式:
PWS提示和警告在高于1200英尺时被抑制。
在地面80海里计算空速和400英尺无线电高度范围内,新的PWS提示将被抑制。在100海里计算空速和50英尺无线电高度范围内,新的PWS警告被抑制。这些抑制无论是在起飞和进近方式时都会被实施。注意:这些抑制不会消除已经存在的PWS提示和警告。
在起飞和进近PWS模式中天线扫描是一样的。当PWS被激活时,PWS改变扫描。WXR和PWS扫描减小到±60度之间。
在起飞和进近时当WXR没有被选择且PWS自动激活,扫描模式可能变为PWS模式,扫描角度位±60°
WXR系统警报信息和显示
当收发机处理数据时发现不满足要求,警报信息便会显示在ND上,WXR系统将会持续显示警报信息。在ND上只能显示一个警报信息,当收发机处理来自多个源不满足信号时,最高级别的警报信息将会显示。以下是优先级不同的警报信息:
  • WXR WEAK显示收发机增益校准错误

警报信息在以下警报行显示
  • 第一行琥珀色显示WXR

WXR系统故障信息和显示
以下部件的失效会显示WXR fail
  • 方式、俯仰、增益信息消失

故障信息显示在以下警报行
  • 第一行显示琥珀色的WXR

  • 第二行显示琥珀色的FAIL

以下部件失效将会导致PWS失效
前视风切故障将会使得ND上显示琥珀色的PWS FAIL
DEUs通过以下部件对比ND的范围
上述任一范围的不一致将会导致第三警报行显示琥铂色的范围不一致信息。
WXR范围不一致信息可能是:
范围不一致时以下情况发生:
  • 方式、俯仰、增益信息显示

气象雷达收发机功能描述
气象雷达收发机产生射频脉冲并发送它们给天线,天线发生脉冲并且接收回波给收发机。收发机处理回波使得数据显示在ND上,ND上的气象雷达数据显示飞机前方的气象状况。
EFIS控制面板通过数据总线发送WXR系统开/关离散给DEU,DEU发送离散信号给WXR收发机使得气象雷达打开。离散信号通过WXR控制面板以确保面板在位。如果导航显示在正确的模式,DEU仅发送ON离散信号。EFIS面板发送范围数据给气象雷达收发机。
WXR控制面板通过数据总线发送控制数据给气象雷达收发机,气象雷达控制面板发送以下信号:
以下给收发机的输入用于前视风切变
  • 地面接近警告系统抑制离散

  • 自动油门1电门组件油门位置离散

  • 自动油门2电门组件油门位置离散

GPWS决定驾驶舱听觉警告和提示的优先级,如果PWS CPU检查到风切变情况,WXR收发机发送警告或者提示给GPWS。
自动油门组件决定油门位置,当飞机在地面,任一油门移动超过53度,PWS会自动打开。

PWS CPU使用无线电高度输入来打开或者关闭PWS,当飞机在进近时,高度低于2300英尺,PWS打开,当飞机起飞时,高度高于2300英尺,PWS关闭。

WXR收发机从ADIRU处获得天线姿态数据用于稳定天线,当导航/显示源选择面板上的IRS选择电门在NORMAL或者BOTH ON L,收发机使用左侧的ADIRU用于天线稳定数据。当把IRS选择电门放在BOTH ON R,稳定数据从右ADIRU处获取。IRS选择电门发送一个接地离散给WXR收发机。
WXR中央处理组件CPU使用控制数据来控制收发机操作和天线驱动。CPU发送以下控制信号给发射电路:
同时,WXR CPU使用ADIRU姿态数据产生扫描和俯仰信号,这些信号被发送给天线用于天线稳定。WXR CPU也从天线组件处获得天线位置信号。
PWS CPU使用以下系统的输入来打开气象雷达前视风切变功能:
PWS CPU控制天线扫描和发射机脉冲重复频率来探测飞机前方风切变事件,由于高脉冲重复频率,探测区域被限制在一个非常小的范围内。当PWS CPU探测到一个风切变事件时,它将发送警告或者提示给GPWS,GPWS有一个警告和提示的优先逻辑。如果当前无更高级别的警告和提示,PWS CPU将会发送风切变显示给DEU,发送听觉信号给REU。同样,PWS CPU会发送一个听觉抑制给TCAS计算机来抑制来自TCAS的任何音响信号。
振荡器/发射器电路产生射频脉冲模式并且通过收发机将其发出。
射频脉冲从发射器电路通过环形回路,在射频发生期间,环形回路连接天线至发射器。环形回路同样连接天线到接收回路来获得折射回来的射频脉冲。通过环形回路,射频到达WXR天线。
天线接收射频返回信号,信号然后通过环路去往接收电路、接收电路处理返回信号并将处理后的信号发送给CPU,CPU使用射频返回信号的强度来计算降水强度并产生WXR显示信号。
CPU将输出数据发送给ARINC453发射器,453发射器以高速数据总线1号和2号将这些数据发送给DEU。
BITE模式连续获得系统状态数据。系统状态和故障将显示在ND报警行。
  • 天线控制:WXR收发机中的CPU控制和监控天线操作。

  • 天线稳定:WXR收发机使用ADIRU的姿态输入来确保天线稳定,CPU使用姿态输入来计算和控制扫描和俯仰运动,它将扫描和俯仰驱动信号发送给天线。

  • 天线操作:天线电源供应来自于WXR收发机115VAC,天线电源供应组件发送26VDC用于天线电机驱动器。电机驱动器发送26VDC给扫描和俯仰步进电机,电机驱动器也给天线位置监控器供电。

  • 天线驱动:天线有一个扫描电机和一个俯仰电机,扫描电机驱动天线水平移动的齿轮,它使得天线在飞机中线90度范围内移动。俯仰电机驱动天线在垂直方向上移动的齿轮,它使得天线在上下40度范围内移动,该范围包括人工调节的±15°

  • 天线位置反馈:WXR收发机CPU使用监控器的位置信息来比较精确的天线位置和期望的位置,当两个位置不一致时,WXR收发机发送一个天线故障。

  • 断开电门:断开电门在天线底座上,扫描断开电门从电机驱动器上断开扫面电机。俯仰断开电门从电机驱动器上断开俯仰电机。因为从电机驱动器上断开了电机,天线将不会移动。注意:电门断开后并不会断开射频发射。

WXR收发机中的CPU控制BITE模式,以下是BITE模式的功能:

  • 从接口部件处获得状态信息

  • 当从WXR控制面板得到指令时,开始自测试

  • 发送一个测试模式给DEU,显示在ND上

  • 发送系统状态数据给DEU,显示在ND上

  • 来自电源供应的过热现象

  • 来自WXR面板的控制方式和范围(通过总线0传输)

  • 来自EFIS控制面板的范围输入(通过总线1和2传输)

  • 来自CPU的天线扫描和俯仰位置

测试期间,WXR发射少许脉冲来使得BITE监控WXR操作。

在WXR控制面板上,选择以下功能:

  • 将模式选择设置在TEST位(有些机型选择WXR)

  • 将增益选择在ATUO位

在EFIS面板上,选择以下功能:

  • 将范围选择设置在40海里

  • 将方式选择设置在正确的ND方式(扩展APP、扩展VOR、扩展MAP、中央MAP),将内侧ND亮度调节到中间位置。

在EFIS面板上,摁压WXR电门来给WXR收发机提供电源。在WXR面板上,将方式选择设置在TEST位来启动测试。注意:如果在给WXR收发机提供电源之前将WXR模式选择在TEST位,那么就必须将模式选择设置到其他模式,然后再设置回TEST位来启动测试。
在测试期间,以下情况将会发生:
  • 收发机发射少许脉冲使得BITE监控是否能正确操作

  • 收发机生成一个测试图形并将其发送给DEU,显示在ND上

  • 收发机发送测试信息、模式、增益、天线角度信息给DEU,显示在ND上

  • WXR测试图像显示在ND上

风切变符号显示在TEST图像上,如果测试时PWS发现风切变威胁,TEST将被终止,此时PWS显示实际的显示数据和警报通告。
测试图像将会持续显示直到你在WXR面板或者EFIS面板上选择其他的模式。

对于有效的WXR自测试,CDS将会有以下显示:

  • 警报信息第一行显示WXR

  • 警报信息第二行显示TEST

对于一个失败的测试,ND上显示以下指示:
  • 警报信息第一行显示WXR

  • 警报信息第二行显示FAIL

以下是可能在第三行显示的信息

  • ATT--姿态输入故障

如果测试失败,WXR不会产生听觉输出。
}

1.本发明涉及天气预测技术,尤其涉及基于时序雷达回波强度的天气短临预测方法及天气预测系统。

2.气象雷达是专门用来探测大气中云雨的分布和变化、降水强度、云层的高度和厚度、不同大气层里的风向风速和其他气象要素的雷达。主要有测雨雷达、测风雷达和测云雷达。
3.雷达回波,即雷达发射的电磁波,在传播过程中被目标物所散射,而被雷达接收机接收到的那部分电磁波,在雷达显示器上可显示出反映雷达回波特征的信号或图像。不同的天气系统或天气现象的回波特征不同,雷达正是根据这个原理实现气象探测的。
4.天气雷达回波强度取决于某些雷达参数,降水体的散射特性,散射体至雷达的距离以及波束在传播路径中受大气介质的衰减。从天气目标的回波强度及其分布,可以推断天气系统的性质;此外回波强度是雷达测量降雨量的基本数据。因此,在雷达观测中对回波强度的分析至关重要。
5.雷达回波强度越大,回波颜色越亮表示大气越不稳定,容易产生雷雨,冰雹等强对流天气的可能性越大。
6.现有技术中,通过雷达回波数据来预测未来的雷达回波数据,是目前比较常用的短临预测模式,然而虽然雷达回波数据对于专业人士来说,可以通过读译了解其反映的未来降水的趋势,但是对于没有专业知识的用户来说并不直观,因此如何基于雷达回波强度数据,来为普通用户提供直观理解的天气短临预测结果,是本领域技术人员亟待解决的问题。

7.为此,本发明的主要目的在于提供一种基于时序雷达回波强度的降水评估方法及天气预测系统,以根据雷达回波数据给出直观的天气短临预测结果。
8.为了实现上述目的,根据本发明第一个方面,提供了一种基于时序雷达回波强度的天气短临预测方法,步骤包括:
9.s1数据处理装置根据第一法则,对时序雷达回波强度数据进行筛选,以获取预测的雷达回波数据并存储;
10.s2数据处理装置执行预设的第二法则,搜索预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据;
11.s3数据处理装置对时序降水数据进行插值处理后,再根据预设的第三法则,将时序降水数据等级化处理,获取等级数组;
12.s4数据处理装置执行等级数据筛选程序,对等级数组进行筛选处理,以获取等级
13.s5数据处理装置根据预设的多种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对所述等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果。
14.在可能的优选实施方式下,其中所述第一法则包括:
15.根据公式f(lon,lat)={p|0≤p≤w},card(p)=v规则,对时序雷达回波强度数据进行筛选,其中lon为经度,lat为纬度,p为雷达回波强度数组,其范围是[0,w],单位是dbz,card(p)表示数组个数v个。
在可能的优选实施方式下,其中第二法则包括:
s21判断在本点范围内若无法搜索到预测的雷达回波数据,则给出认为本点范围内无降雨的短临预测结果;
s22并扩大至本点附近范围内搜索预测的雷达回波数据,若仍未搜索预测的雷达回波数据,则给出认为本点附近范围内无降雨/雪的短临预测结果;
s23并扩大至本点周围范围内搜索预测的雷达回波数据,若仍未搜索预测的雷达回波数据,则给出认为本点周围范围内无降雨/雪的短临预测结果;
s24若步骤s21能搜索到预测的雷达回波数据,则据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据,并进一步执行步骤s3;
s25若步骤s22能搜索到预测的雷达回波数据,则给出存在降雨/雪的短临预测结果。
在可能的优选实施方式下,其中时序降水数据的插值处理步骤包括:
计算公式且1≤i<n,以获得插值后的时序降水数据,其中,n为插入的个数,i为插入数据的下标,rm和r
分别是要插入的前后相邻的数据,ii为要插入的数据,z为整数集合。
在可能的优选实施方式下,其中所述第三法则包括:
s31根据预设降水量的阀值层分出降水等级数值;
s32判断各时序降水数据所处对应的降水级别,以转换成对应等级数值,并依序排序成等级数组。
在可能的优选实施方式下,其中所述数据筛选程序包括:将等级数组转换成[{level,start,count},
]格式的等级数据,其中level为等级,start为开始等级的数组下标,count为该等级的持续时间。
在可能的优选实施方式下,其中所述数据处理装置采用redis存储系统的geo数据结构及pipline管道链路,根据第一命令来批量存储预测的雷达回波数据。
在可能的优选实施方式下,其中公式公式:
f(lon,lat)={p|0≤p≤w},card(p)=v中的w为70,v为20,且若雷达回波强度数组的v个数据的值均为0时,则不进行存储。
为了实现上述目的,根据本发明第二个方面,还提供了一种基于时序雷达回波强度的天气短临预测方法,步骤包括:
s1数据处理装置根据第一法则,对时序雷达回波强度数据进行筛选,以获取预测
的雷达回波数据并存储;
s2数据处理装置执行预设的第二法则,搜索预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据;
s3数据处理装置根据预设的第三法则,将时序降水数据等级化处理后,获取等级数组;
s4数据处理装置执行等级数据筛选程序,对等级数组进行筛选处理,以获取等级数据;
s5数据处理装置根据预设的多种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对所述等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果。
为了实现上述目的,根据本发明第三个方面,还提供了一种天气预测系统,其包括:数据收发单元,其接收客户端发送的短临天气短临预测指令,数据处理单元,接收指令,控制数据采集单元采集时序雷达回波强度数据,数据处理单元,其执行第一法则,以根据公式f(lon,lat)={p|0≤p≤w},card(p)=v规则,对数据采集单元发送的时序雷达回波强度数据进行筛选,以得出预测的雷达回波数据,数据存储单元,其至少部分存储模块采用redis存储系统的geo数据结构及pipline管道链路结构建立,以批量存储数据处理单元传输的预测的雷达回波数据,数据处理单元,进一步执行第二法则,搜索数据存储单元中存储的预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据,之后,数据处理单元根据计算公式:
对时序降水数据进行插值处理后,再判断各时序降水数据所处预设降水等级数值的级别,以转换成对应等级数值,并排序成等级数组后,执行等级数据筛选程序,将等级数组转换成[{level,start,count},
]格式的等级数据,之后,数据处理单元调取数据存储单元存储的天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果,并令数据收发单元向客户端发送。
通过本发明提供的该基于时序雷达回波强度的降水评估方法及天气预测系统,能够将雷达回波强度数据,转变为本地短临降水趋势的变化数据,并给出直观的及天气预测结果,以方便用户理解。
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的基于时序雷达回波强度的降水评估方法的流程示意图;
图2为本发明的基于时序雷达回波强度的降水评估方法中的降水区域划分示意图;
图3为本发明的基于时序雷达回波强度的降水评估方法中解释通过经纬度计算方向的示意图;
图4为本发明的天气预测系统结构示意图。
为了使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的技术方案,下面将结合实施例来对本发明的具体技术方案进行清楚、完整地描述,以助于本领域的技术人员进一步理解本发明。显然,本案所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思及相互不冲突的前提下,本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例,在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的揭露及保护范围。
此外本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“s1”、“s2”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。同时本发明中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“布设”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况,结合现有技术来理解上述术语在本案中的具体含义。
请参阅图1至图3所示,本发明提供的该基于时序雷达回波强度的降水评估方法步骤包括:
s1数据处理装置根据第一法则,对时序雷达回波强度数据进行筛选,以获取预测的雷达回波数据并存储;
s2数据处理装置执行预设的第二法则,搜索预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据;
s3数据处理装置根据预设的第三法则,将时序降水数据等级化处理,获取等级数组;
s4数据处理装置执行等级数据筛选程序,对等级数组进行筛选处理,以获取等级数据;
s5数据处理装置根据预设的多种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对所述等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果。
其中本发明中的该数据处理装置泛指具有数据收发,存储功能,并能对数据进行运算处理能力的计算机设备,如服务器,移动终端(包括手机,平板电脑,电子可穿戴设备,智能汽车)等。
具体来说,通过雷达回波数据进行短临预测,需要按经纬度提取雷达回波的时序数据,再根据z-r关系得出降水的时序数据。然而全国范围格点数据,按1x1公里的精度存储,需要存储个点的数据,采用传统的存储方式需要14分钟才能完成,但雷达数
据6分钟一次更新,因而如何快速存储大量数据,如何快速通过经纬度提数据是关键。
为此本发明根据雷达回波数据的结构特点,优选采用redis存储系统的geo数据结构及pipline管道链路来构建数据处理装置的存储单元,并要求数据处理装置根据第一法则即,对时序雷达回波强度数据进行筛选,以获取预测的雷达回波数据并存储,理论上可以将存储时间缩短到25秒,满足了快速存储大量数据以及快速通过经纬度提数据的要求。
其中该第一法则包括:根据公式f(lon,lat)={p|0≤p≤w},card(p)=v规则,对时序雷达回波强度数据进行筛选,其中lon为经度,lat为纬度,p为雷达回波强度数组,单位是dbz,card(p)表示数组个数v个。其中在优选实施方式中,该w优选为70即其范围是[0,70],v为20即20个数组个数,其中每个数据时间间隔为6分钟,数组的数据覆盖时间范围为2小时。
因为要存储的数据量巨大,首先要针对存储数据进行筛选,如果雷达回波强度数组的20个数据均为0,则不进行存储。根据经纬度和雷达回波强度数据一一对应的关系,使用redis geo数据结构存储。
redis geo主要用于存储地理信息位置,由于经纬度和雷达回波强度数据的关系,采用此结构存储,不但可以快速存储,也便于提取。存储命令如下:
其中,geoadd是操作命令,key是关键字,longitude是经度,latitude是纬度,member是存储内容。在存储的时候,如果member内容相同,会被覆盖,为了防止覆盖,member的存储形式为:longitude##latitude##member。在原先内容的基础上加了经纬度,就可以避免内容相同被覆盖的情况,其中,##为分隔符。
由于存储数据的格式统一,存储命令都是geoadd,所以可以采用redis的pipline管道链路进行批量存储。批量存储,即存储命令一次性执行,比起一条数据执行一次存储命令的执行速度更快。
s2数据处理装置执行预设的第二法则,搜索预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据。
进一步来说,存储的目的是方便数据的使用,以直观方式地展现降水趋势的变化,方便用户的理解。如图2所示,在步骤s2中,该数据处理装置执行的第二法则中,通过分析降水范围的特点,将降水区域划分为以下3类:
1)本点降水:以当前点为中心,1km范围内搜索到的预测的雷达回波数据。
2)附近降水:以当前点为中心,1km到5km范围内搜索到的预测的雷达回波数据。
3)周围降水:以当前点为中心,5km到130km范围内搜索到的预测的雷达回波数据。
如果在以当前点为中心,130km范围内搜索不到预测的雷达回波数据,则可以认为2小时内,该地区无降水。
为此相对应的本实施例中该第二法则设计的逻辑步骤包括:
s31判断在本点范围内若无法搜索到预测的雷达回波数据,则给出认为本点范围内无降雨的短临预测结果;
s32并扩大至本点附近范围内搜索预测的雷达回波数据,若仍未搜索预测的雷达回波数据,则给出认为本点附近范围内无降雨/雪的短临预测结果;
s33并扩大至本点周围范围内搜索预测的雷达回波数据,若仍未搜索预测的雷达
回波数据,则给出认为本点周围范围内无降雨/雪的短临预测结果;
若步骤s31能搜索到预测的雷达回波数据,则据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据,并进一步执行步骤s4;
若步骤s32能搜索到预测的雷达回波数据,则给出存在降雨/雪的短临预测结果。
其中,georadius是操作命令,key是关键字,longitude是经度,latitude是纬度,radius是半径距离,m|km|ft|mi是距离单位(m是米,km是公里,ft是英尺,mi是英里),withcoord表示将位置元素的经度和维度也一并返回,withdist表示在返回位置元素的同时,count表示限定返回的记录数,asc表示查找结果根据距离从近到远排序,desc表示查找结果根据从远到近排序。
本发明示例以搜索130公里范内的降水数据为例,按照从近到远排序,获得最近的1个点的数据,其命令例如下:
由于georadius可以直接返回搜索结果距定位点的距离,根据距离的数值可以选择使用哪种描述方法。
例如以本点降水为例的描述方法步骤包括:
首先,搜索结果的数据点距定位点在1公里范围内,使用本点降水的判断方法。
再次,据根据z-r关系,将时序雷达回波强度转为时序降水数据。其关系如下,其中z是回波强度,单位是dbz,r是降水量,单位是mm。
例如,预测的雷达回波强度数据如下:
经过z-r关系处理后的时序降水数据结果如下:降水毫米数
s3数据处理装置根据预设的第三法则,将时序降水数据等级化处理,获取等级数组。
进一步来说,可选的,为了使数据趋势保证平滑,在优选实施方式中可先采用插值处理,将每6分钟一个的降水数据插值为每分钟一个的降水数据,也就是将原来20个的预测数据,插值为120个数据后,再进行时序降水数据等级化处理。
为此该时序降水数据的插值处理步骤包括:
计算公式且1≤i<n,以获得插值后的时序降水数据,其中,n为插入的个数,i为插入数据的下标,rm和r
分别是要插入的前后相邻的数据,ii为要插入的数据,z为整数集合。
例如,上面的时序降水数据经过插值计算后,如下:
进一步地,通过z-r关系和插值计算后,将原来的雷达回波数据转为降水数据,虽然通过降水数据可以看到降水趋势的变化,但是无法判断降水的等级,以及其开始和持续时间,所以还不够直观。
为此本示例中提供了第三法则,来将时序降水数据等级化处理,以获取等级数组,其中该第三法则步骤包括:
s31根据预设降水量的阀值层分出降水等级数值;
s32判断各时序降水数据所处对应的降水级别,以转换成对应等级数值,并依序排序成等级数组。
具体来说,在气象学中降水级别通常分为无降水、毛毛细雨(零星小雪)、小雨(雪)、中雨(雪)、大雨(雪)、豪雨(雪)、超大豪雨(雪)、暴雨(雪)8个级别。其级别与阀值的对应关系如下,其中,l从0到7对应8各等级,降水量r的单位为毫米mm。
例如,上面插值计算后的数据经过等级化处理后所形成的等级数组,结果如下:
s4数据处理装置执行等级数据筛选程序,对等级数组进行筛选处理,以获取等级数据。
进一步地,将插值后的降水数据等级化处理后所形成的等级数组,还需要进行筛选出某个等级开始坐标和连续数目才能更直观的用于评价,因此本实施例中该数据筛选程序包括:将等级数组转换成[{level,start,count},......]格式的等级数据,其中level为等级,start为开始等级的数组下标,count为该等级的持续时间。如这个等级数组代表的是2个小时,则每个数据就是1分钟的数据。
比如2在数组中第一次出现的位置以及连续出现了多少次,就代表了从第几分钟开始并持续了多少分钟。
这样就可以很明确地看到某个等级的降水从什么时间开始,持续了多长时间。
本示例下,用于计算机处理的代码逻辑处理过程如下,其中levels是等级化处理后的数据,target为要筛选的等级。
例如,上面等级数组经过筛选后获得的等级数据结果如下:
其含义为,以降水等级2从开始将持续下20分钟,之后将上升到降水等级3并持续下45分钟,之后下降至降水等级2持续下55分钟。(总计120分钟,即预测了2小时内的短临天气情况)
s5数据处理装置根据预设的多种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对所述等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果。
具体来说,本实施例根据步骤s2中的第二法则设置有3种范围的短临预测过程。
即以当前点为中心,1km范围,示例了预设的6种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,以说明采用此类表述特征及对应预测结果可被用于判断等级数据,以供给出一种直观表述天气短临预测结果的可能,因此本领域技术人员还可以根据实际情况,在不脱离本发明构思的前提下,做出更多的表述特征及其对应预测结果的方案,因此本实施例并未做出限制。
本示例中该6种天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果包括:
(1)恒定持续:一直持续某个等级的降水。描述为,一直在下xx雨(雪),出门记得带伞。
(2)单调递增:降水趋势是从低等级向高等级。描述为,现在一直下xx雨(雪),雨(雪)渐大,多少分钟后转为xx雨(雪)。
(3)单调递减:降水趋势是从高等级向低等级。描述为,现在一直下xx雨(雪),雨
(雪)渐小,多少分钟后转为xx雨(雪)。
(4)凹字形:降水趋势是从高等级向低等级,然后又从低等级向高等级。描述为,现在一直下xx雨(雪),雨(雪)渐小,多少分钟后转为xx雨(雪),但再过多少分钟后转为xx雨(雪)。
(5)凸字形:降水趋势是从低等级向高等级,然后又从高等级向低等级。描述为,现在一直下xx雨(雪),雨(雪)渐大,多少分钟后转为xx雨(雪),但再过多少分钟后转为xx雨(雪)。
(6)无降水:一直持为0的降水。描述为,未来两小时不会下雨(雪),放心出门。
而该降水趋势判断的方法如下。
首先,经过处理后的等级数据结果称为等级数组,即levelobjs。再次判断levelobjs的个数,length=levelobjs.size,如果length=1,则认为该降水趋势为恒定持续。如果length=2,当
因此对应该等级数据[{2,0,20},{3,20,45},{2,65,55}]可被判断为属于第(5)种天气短临预测表述特征,即对应前述降雨等级所对应的雨量表述:0无降水、1毛毛细雨(零星小雪)、2小雨(雪)、3中雨(雪)、4大雨(雪)、5豪雨(雪)、6超大豪雨(雪)、7暴雨(雪)。其等级数据含义为:小雨(雪)-20分钟-中雨(雪)-45分钟-小雨(雪)55分钟。
可见上述等级数据被判断为属于第(5)种天气短临预测表述特征后,在该天气短临预测结果中填入相关数据即可获得最终天气短临预测结果,即:现在一直下小雨(雪),雨(雪)渐大,20分钟后转为中雨(雪),但再过45分钟后转为小雨(雪)。
另一方面,根据步骤s2中的第二法则,若本点范围无降水,则进一步进入:
数据处理装置可以通过调取redis的geo数据获得附近1km到5km范围内的最近点的时序降水数据,再实进行等级化处理,获取等级数组,以供通过上述6种情况做判断,来获取最终天气短临预测结果。
也可以经数据处理装置通过调取redis的geo数据获得附近1km到5km范围内的最近点的时序降水数据后,直接判断该时序降水数据所处第三法则中对应降雨等级所对应的雨量表述:。从而直接描述为,您附近正在下xx雨(雪),出门记得带伞。其中xx雨(雪)为雨量表述,如:毛毛细雨(零星小雪)、小雨(雪)、中雨(雪)、大雨(雪)、豪雨(雪)、超大豪雨(雪)、
另一方面,根据步骤s2中的第二法则,若附近范围无降水,则进一步进入:
数据处理装置可通过如同附近降水描述的手段,搜索5km到130km范围内的最近点的时序降水数据,再实进行等级化处理,获取等级数组,以供通过上述6种情况做判断,来获取最终天气短临预测结果。
也可以经数据处理装置通过调取redis的geo数据获得附近5km到130km范围内的最近点的时序降水数据后,直接判断该时序降水数据所处第三法则中对应降雨等级所对应的雨量表述。
同时优选实施方式下,数据处理装置还可通过georadius命令返回符合范围要求的信息的经纬度,再根据中心点的经纬度,由于georadius可以直接返回搜索结果的距离和经纬度,再根据结果的经纬度和定位点的经纬度可以计算出方向、距离,并最终结合方向、距离与雨量表述,来给出天气短临预测结果。
具体的,结合图3来说,计算一个经纬度点相对另一个经纬度点的过程,是先计算两点的方位角度,再根据方位角度判断方位。其方位角度和方位的关系如下。方位角度以ox轴为0度,逆时针旋转一周,范围是0~360
本发明针对的是中国区域,因此一北半球为例,经度由西向东增大,纬度由南向北增大。
假设p为定位点,其经纬度为(x1,y1),t为搜索的结果点,其经纬度为(x2,y2)。
首先,如果p和t的经度相等,即x1=x2,那么此时如果y1>y2,则说明t在p的正南方,其方位角度为270
,否则,t在p的正北方,其方位角度为900。
再次,如果x1>x2,说明t在p的西边,那么此时如果y1>y2,则说明t在p西边偏南,其方位角度为180
+偏位角度,否则,t在p西边偏北,其方位角度为180
最后,如果x1<x2,说明t在p的东边,那么此时如果y1>y2,则说明t在p东边偏南,其方位角度为360
偏位角度,否则,t在p东边偏北,其方位角度为偏位角度。
其中偏位角度的计算方法如下。
然后,再根据第一个点的降水判断当前的降水情况。描述为,距您xx方向xx公里正在下xx雨(雪)。从而给出直观的天气短临预测结果。
请参阅图4所示,对应实施例一的方法,本发明另一方面还提供了一种天气预测系统,其包括:数据收发单元,其接收客户端发送的短临天气短临预测指令,数据处理单元,接收指令,控制数据采集单元采集时序雷达回波强度数据,数据处理单元,其执行第一法则,以根据公式f(lon,lat)={p|0≤p≤w},card(p)=v规则,对数据采集单元发送的时序雷达回波强度数据进行筛选,以得出预测的雷达回波数据,数据存储单元,其至少部分存储模块
采用redis存储系统的geo数据结构及pipline管道链路结构建立,以批量存储数据处理单元传输的预测的雷达回波数据,数据处理单元,进一步执行第二法则,搜索数据存储单元中存储的预测的雷达回波数据,再据根据z-r关系,将预测的雷达回波数据转为时序降水数据,之后,数据处理单元根据计算公式:
对时序降水数据进行插值处理后,再判断各时序降水数据所处预设降水等级数值的级别,以转换成对应等级数值,并排序成等级数组后,执行等级数据筛选程序,将等级数组转换成[{level,start,count},
]格式的等级数据,之后,数据处理单元调取数据存储单元存储的天气短临预测表述特征及其对应的天气短临预测结果,对等级数据做相似判断,直至分辨其所归类的表述特征,以得出对应的天气短临预测结果,并令数据收发单元向客户端发送。
综上所述,通过本发明提供的该基于时序雷达回波强度的降水评估方法及天气预测系统,能够将雷达回波强度数据,转变为本地短临降水趋势的变化数据,并给出直观的及天气预测结果,以方便用户理解。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员可以理解,除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外,完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以,本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件,而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构;也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
此外实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:u盘、移动硬盘、只读存储器(rom,read-only memory)、随机存取存储器(ram,random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外,本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明实施例的思想,其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

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