基于回波外推的人工防雹作业区域特征提取方法与流程

本发明涉及人工防雹作业，尤其涉及一种基于回波外推的人工防雹作业区域特征提取方法。

背景技术：

1、现有的人工防雹作业流程一般是：

2、1、获取到雷达体扫基数据及探空数据。

3、2、数据质量控制。

4、3、计算垂直液态水含量(vil，vertically integrated liquid)、回波顶高(et，echotops)、组合反射率(cr，composite reflectivity)。

5、4、根据阈值条件组合判断识别出满足阈值的区域，定义为可能发生冰雹的区域。

6、5、给出提示区域后，人影工作人影查看区域，可以自己选择对区域进行剖面，查看区域垂直特征。

7、6、因为冰雹生长区域一般在0度层以上及-16度层以下。人影工作人员根据经验，查看垂直高度范围上的回波结构后，结合探空数据中的0度层高度，可以对冰雹发生可能性给出判定结果。

8、7、若工作人员认为该区域可以作业，则下发作业指令，申请空域等。

9、以上人工防雹作业流程复杂，时效性较低，区域识别方法误识别率较高，手动操作不够科学可靠。

10、发明专利申请cn108802733a公开了一种基于气象雷达数据对冰雹探测的算法，利用气象雷达资料识别判断冰雹及冰雹强度的一种方法，将对气象部门针对冰雹天气及时预警和进行人工影响干预具有科学的指导作用。该算法通过对wsr-88d多普勒天气雷达系统和我国当前swan气象雷达系统对冰雹探测算法的综合与改进，同时通过研究发生大冰雹云层中vil密度的阈值，得出适合本地化的冰雹探测算法阈值，提高对冰雹天气的预警时间和准确度。

11、又例如，发明专利cn108051872b公开了一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法和装置，其中方法包括获取地基微波辐射计垂直探测目标区的实测数据，完成数据一致性检查；利用实测数据和云阈值识别混合相态云区和计算出气压廓线；利用实测数据结合计算出的气压廓线，计算出云中各个水汽压廓线；利用水汽相变模型，反演云中水汽相变过程。该方法得出目标区混合相态云中水汽随时间和空间的一个相变过程，反映出云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势，适用于降水相态预测预报、分析云微物理演变特征以及确定人工增雨(防雹)播云部位和选择合适的作业时机。

12、由此可见，现有的人工防雹作业中，人工防雹作业区域的选取的仅使用简单的多阈值判定方法，并且需要人影(人工影响天气)工作者手动选取范围，以明确区域垂直结构特征，再进一步判断是否进行人工防雹作业，最后发出操作指令。这种作业方法的时效性较低，作业区域的选取也具有较大的局限性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种基于回波外推的人工防雹作业区域特征提取方法，可自动给出区域垂直结构特征，减少人影工作流程，提高人影工作效率，提升人工防雹作业指挥能力。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于回波外推的人工防雹作业区域特征提取方法，包括以下步骤：

4、s1.获取多普勒雷达回波数据和探空数据，并去除干扰数据；

5、s2.基于预设阈值条件识别风暴单体，所述预设阈值条件包括雷达反射率和回波面积；

6、s3.基于雷达回波数据计算相关参数，所述相关参数包括组合反射率cr、垂直累计液态水含量vil、回波顶高et、第一预设雷达反射率延伸高度h1和第二预设雷达反射率对应的回波顶高度hstorm；

7、s4.基于探空数据获取0度所在位置的高度信息h0，结合回波顶高et计算负温区厚度et-h0；

8、s5.基于所述相关参数和负温区厚度选取符合冰雹预警阈值的风暴单体，标记为冰雹单体；

9、s6.对冰雹单体进行外推，获取冰雹单体区域外推的移动矢量信息s＝(-b,a)；

10、s7.选取冰雹单体内第一预设雷达反射率延伸高度h1最大值处作为冰雹单体中心点c(x0,y0)，并结合移动矢量信息s＝(-b,a)计算相应的雷达反射率数据；

11、s8.基于雷达回波数据中不同仰角的多层数据，逐层取冰雹单体区域内的回波，将不同层的雷达反射率数据组合，从而得到包含防雹作业区域特征的冰雹单体剖面信息。

12、进一步地，步骤s1中，干扰数据包括地物杂波、干扰径向和孤立回波。

13、进一步地，步骤s1中，去除干扰数据的方法包括：

14、使用基于偏度的方法去除地物杂波，避免地物杂波中强回波部分对识别冰雹的干扰；

15、使用基于模糊逻辑的识别方法去除干扰径向，避免错误数据对识别冰雹的干扰；

16、使用连通区域判定方法去除连通区域面积小于预设面积的孤立回波，避免孤立生物回波被误识别为冰雹。

17、进一步地，步骤s2包括以下子步骤：

18、s201.取雷达反射率大于第三预设雷达反射率的区域，根据区域连通性划分为多个子区域；

19、s202.判定当前回波面积是否大于预设回波面积，若是，则保留子区域；否则舍去子区域；

20、s203.判定子区域内是否有雷达反射率大于第一预设雷达反射率的回波，若有，则取雷达反射率值最大处位置并进行标记，分别记为a1,a2,……an,an+1；否则舍弃该子区域；

21、s204.对a1,a2,……an,an+1之间的距离进行计算，若an与an+1之间距离小于预设距离，且an点的雷达反射率值小于an+1点的雷达反射率值，则将an点所在区域并入an+1区域；此时风暴单体内最小值则为该风暴单体阈值，至此获得满足条件的全部风暴单体。

22、进一步地，步骤s201中，第三预设雷达反射率小于第一预设雷达反射率，且大于第二预设雷达反射率。

23、进一步地，步骤s5中，选取符合冰雹预警阈值的风暴单体的方法包括：筛选风暴单体内包含满足冰雹预警阈值的格点，所述冰雹预警阈值包括组合反射率cr、垂直累计液态水含量vil、回波顶高et、第一预设雷达反射率延伸高度h1和负温区厚度et-h0所对应的阈值。

24、进一步地，步骤s6中，对冰雹单体进行外推的方法包括lucas-kanade光流法。

25、进一步地，步骤s7中，计算雷达反射率数据的方法包括：选取冰雹单体内第一预设雷达反射率延伸高度h1最大值处作为冰雹单体中心点c(x0,y0)，根据移动矢量信息s＝(-b,a)和冰雹单体中心点c(x0,y0)计算直线方程(ax+by)-(ax0+by0)＝0，并获取过此直线方程的雷达反射率数据。

26、进一步地，步骤s8之后还包括以下步骤：

27、s9.计算不同区域的用弹量，提取0℃和-16℃高度的探空数据，基于冰雹单体剖面信息选择目标冰雹单体；

28、s10.发布防雹指令至防雹操作炮点，所述发布防雹指令包括用弹量、击打中心和方位仰角；防雹操作炮点进行防雹作业。

29、进一步地，步骤s9中，不同区域的用弹量的计算方法包括：

30、

31、其中，n为用弹量，htop为冰雹单体区域内回波顶高et的平均值，h-5为探空数据获得的-5℃对应的高度值，s为冰雹单体区域面积。

32、本发明的有益效果在于：

33、1、由于冰雹的发生、发展迅速，其表现在空间上的特征是：冰雹云体垂直发展快、垂直发展高度高、且为固态降水。因此使用天气雷达对冰雹进行观测时，其回波特征则是：反射率大、同时可见较大反射率在0℃高度以上有较好的垂直发展。本发明从科学的角度，调整了单体识别的阈值与方法，改善了冰雹单体的识别效果。同时，本发明将探空数据和雷达数据结合，进一步对冰雹单体和普通单体进行了科学、有效的区分，提升了冰雹的识别能力。

34、2、由于冰雹垂直发展特征明显，合理选取冰雹剖面并展示剖面结果，对人影工作者基于经验进一步判断某一区域是否为冰雹提供了有效的指示。现有人影工作操作繁琐、人影工作人员操作压力大，本发明在自动给出冰雹剖面及人影作业用弹量参考后，减少了人工选取剖面的操作时间和步骤，有效帮助人影工作人员进行冰雹与否的判断。本发明预先计算好用弹量、方位角信息，人影工作人员只需一键式发布操作信息，降低了人影操作员压力，使得整个流程更为科学和高效。

35、3、本发明通过外推的方式合理选取了预警区域特征剖面，实时锁定预警区域，并根据预警区域回波的垂直空间分布特征实时指导人工防雹作业，提升了人工防雹作业指挥的能力。

36、4、本发明结合探空数据和雷达扫描数据，科学合理地给出了冰雹的垂直结构信息，对防雹作业有较好的指示性意义；通过科学、合理的方法筛选出与冰雹特征相关性最大的单体，避免了无效信息的干扰，降低了防雹预警的虚警率；可实现对冰雹单体剖面的自动选取，节省了人影工作者通过手动选取的时间；冰雹单体剖面的选取较人工选取更为科学，避免了人为手动选取时造成的主观性影响。