本發(fā)明涉及一種利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴電荷分布的方法。

背景技術(shù)：

對(duì)閃電活動(dòng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)有利于降低閃電造成的災(zāi)害損失，為此，人們對(duì)閃電監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)手段的研究從未停止。雷電活動(dòng)的特征與雷暴的電荷分布密切相關(guān)，研究雷暴云內(nèi)的電荷分布是揭示雷暴發(fā)展規(guī)律的重要途徑，也可為雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警、人工引雷提供理論基礎(chǔ)，因此研究雷暴云的電荷分布具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

雷暴電荷結(jié)構(gòu)的探測(cè)主要是利用探空氣球、火箭、飛機(jī)等運(yùn)載工具搭載電場(chǎng)探空儀進(jìn)行雷暴云穿云探測(cè)，其中又以探空氣球?yàn)橹?，由探測(cè)的電場(chǎng)廓線推斷云內(nèi)的電荷分布。也有一些利用天氣雷達(dá)、lma(lightningmappingarray)等多種探測(cè)設(shè)備對(duì)雷暴進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)閃電輻射源在雷暴中的位置推斷雷暴電荷結(jié)構(gòu)的研究。利用探空氣球進(jìn)行電場(chǎng)探空對(duì)于研究雷暴電荷結(jié)構(gòu)有著不可替代的作用，但現(xiàn)有的探測(cè)方式至少還存在以下尚需進(jìn)一步改進(jìn)或解決的問(wèn)題：(1)探測(cè)的時(shí)效性問(wèn)題，探空氣球攜帶電場(chǎng)探空儀進(jìn)行探空是最常用的手段，但探空氣球由于升速的限制，探空儀從進(jìn)入雷暴云底部至到達(dá)雷暴云頂部所需的時(shí)間約為20分鐘，由于雷暴單體的發(fā)展速度較快，探空儀上升時(shí)段內(nèi)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)會(huì)存在較大變化，探空儀探測(cè)結(jié)果并不能真正反映雷暴電荷分布；(2)探測(cè)的空間代表性問(wèn)題，探空氣球從云底到云頂上升過(guò)程中，受水平風(fēng)的影響，無(wú)法控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量結(jié)果并不一定是預(yù)定測(cè)量區(qū)域的值，且測(cè)量值也僅為探空氣球運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)的值，并不能反映整個(gè)雷暴區(qū)域的電荷分布；(3)探測(cè)的時(shí)間地點(diǎn)選擇問(wèn)題，雷暴必須出現(xiàn)在具備探測(cè)條件的地點(diǎn)才能進(jìn)行探空測(cè)量，“守株待兔”的探測(cè)方式僅能在有限的時(shí)間和區(qū)域內(nèi)獲取非常有限的信息；此外，利用探空氣球進(jìn)行電場(chǎng)探空的方式還存在效費(fèi)比低的問(wèn)題，需要大量的人力、物力進(jìn)行保障，使得雷暴電場(chǎng)探空難以進(jìn)行業(yè)務(wù)推廣。另外，包含完整天氣過(guò)程的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的spin-up時(shí)間一般需要3至6個(gè)小時(shí)，而一般雷暴云的生命史只有不到3個(gè)小時(shí)，因此采用數(shù)值模式來(lái)預(yù)報(bào)雷暴電荷結(jié)構(gòu)也非常困難。

為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴電荷分布的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴電荷分布的方法，實(shí)現(xiàn)利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)完成實(shí)時(shí)高效的雷暴電荷分布探測(cè)。

為達(dá)成上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴電荷分布的方法，其特征在于：該方法利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)回波數(shù)據(jù)為參量反演雷暴電荷分布。

其包括如下步驟：

s1：通過(guò)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)回波數(shù)據(jù)反演雷暴粒子類型；

s2：通過(guò)分析雷暴不同類型水成物粒子荷電敏感性，獲取水成物粒子荷電敏感因子，并由該因子建立水成物粒子荷電的參數(shù)化方案；

s3：建立雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)回波數(shù)據(jù)與水成物粒子荷電敏感因子之間的映射關(guān)系，其中雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)回波數(shù)據(jù)包括反射率因子、多普勒速度、譜寬、水成物粒子類型、高度等參量信息；

s4：根據(jù)映射關(guān)系將雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)回波數(shù)據(jù)中反射率因子、多普勒速度、譜寬、水成物粒子類型、高度參量信息逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換為水成物粒子荷電參數(shù)化方案所需的水成物粒子類型、碰撞速度、環(huán)境溫度、水汽含量及濃度相關(guān)參量，并將轉(zhuǎn)換后結(jié)果帶入水成物粒子荷電的參數(shù)化方案，逐點(diǎn)計(jì)算出各回波數(shù)據(jù)點(diǎn)的電荷量，實(shí)現(xiàn)雷暴電荷分布的反演至結(jié)束。

優(yōu)選地，所述雷暴電荷分布的反演以雙偏振多普勒天氣雷達(dá)雷暴探測(cè)得到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)，利用反射率因子zh、多普勒速度v、譜寬w、雙偏振回波信息(差分反射率因子zdr、雙程差分傳播相位常數(shù)kdp、雙程差分傳播相位φdp、相關(guān)系數(shù)ρhv、線性退偏振比ldr)、數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間位置信息以及數(shù)據(jù)點(diǎn)所在位置的溫度信息等為基本參數(shù)進(jìn)行雷暴電荷分布反演。

優(yōu)選地，所述雷暴電荷分布反演過(guò)程依賴于雷達(dá)回波參量與水成物粒子荷電敏感因子的映射關(guān)系，如式(1)所示，將雷達(dá)回波參量轉(zhuǎn)換為水成物粒子荷電敏感因子，再帶入水成物粒子荷電的參數(shù)化方案，求出粒子的荷電量。

f(wv,t,ρ,vc,tp)＝f(zh,v,w,tp,h)(1)

優(yōu)選地，所述水成物粒子荷電的參數(shù)化方案可根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法得到，參數(shù)化方案的精度影響電荷反演精度。

優(yōu)選地，所述利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴電荷分布的方法的具體反演算法步驟為：

確定反演區(qū)域，進(jìn)行格點(diǎn)劃分；

得到各格點(diǎn)的雷達(dá)坐標(biāo)，提取雷達(dá)回波參量，參量包括：回波反射率因子zh、多普勒速度v、譜寬w、雙偏振回波信息(差分反射率因子zdr、雙程差分傳播相位常數(shù)kdp、雙程差分傳播相位φdp、相關(guān)系數(shù)ρhv、線性退偏振比ldr)，對(duì)于無(wú)數(shù)據(jù)格點(diǎn)，采用插值算法進(jìn)行插值得到數(shù)據(jù)；

利用水成物粒子類型反演算法，如模糊邏輯法，通過(guò)雙偏振雷達(dá)回波參量對(duì)雷暴粒子類型進(jìn)行反演；

將回波反射率因子zh、多普勒速度v、譜寬w、水成物粒子類型、格點(diǎn)的高度h為參數(shù)，換算為水成物粒子荷電的參數(shù)化方案水成物粒子類型tp、碰撞速度vc、環(huán)境溫度t2、水汽含量wv及濃度ρ；

將水成物粒子類型tp、碰撞速度vc、環(huán)境溫度t、水汽含量wv及濃度ρ帶入水成物粒子荷電的參數(shù)化方案q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)，求取各格點(diǎn)帶電量，得到反演區(qū)域的電荷分布。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)探測(cè)的實(shí)時(shí)性高，雙偏振多普勒天氣雷達(dá)完成一次體掃僅需幾分鐘，一次rhi掃描僅需幾秒到十幾秒，可對(duì)雷暴發(fā)展過(guò)程的電荷分布演變進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；(2)探測(cè)的空間范圍廣，雷達(dá)可對(duì)其周圍上百公里半徑區(qū)域內(nèi)的雷暴進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取雷暴的總體結(jié)構(gòu)特征，由雷達(dá)回波數(shù)據(jù)得到的電荷分布為整個(gè)雷暴范圍內(nèi)的分布，而不僅僅是探空氣球運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)的電場(chǎng)曲線；(3)探測(cè)的效費(fèi)比高，利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)雷暴電荷分布，實(shí)際上是增加了雷達(dá)數(shù)據(jù)的二次產(chǎn)品，所需的投入主要在理論研究、試驗(yàn)分析和工程開發(fā)階段，一旦完成開發(fā)則無(wú)需更多的投入，使用中也無(wú)需投入額外的人力、物力，適合業(yè)務(wù)推廣。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的雷暴電荷分布反演方法基本步驟。

圖2是本發(fā)明水成物粒子荷電的參數(shù)化方案設(shè)計(jì)流程圖。

圖3是本發(fā)明涉及的模糊邏輯法粒子類型識(shí)別流程圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)算法的具體流程。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

由于雙偏振多普勒天氣雷達(dá)對(duì)雷暴進(jìn)行探測(cè)時(shí)，回波參量中并不能直接獲取雷暴的電學(xué)特征，雙偏振多普勒天氣雷達(dá)本身不具備直接探測(cè)雷暴電荷的能力；但如果將雷暴的起電理論和雙偏振多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，建立雷暴起電機(jī)制和雷達(dá)回波參量之間的聯(lián)系，利用回波參量對(duì)雷暴電荷分布進(jìn)行反演，則可以間接得到雷暴的電荷分布，從而實(shí)現(xiàn)由雙偏振多普勒天氣雷達(dá)對(duì)雷暴電荷分布的探測(cè)。本發(fā)明方法即基于以上思路提出的，圖1給出了實(shí)施本發(fā)明方法的基本步驟。由于本方法是基于水成物粒子荷電參數(shù)化方案，因此，如圖1所示：

首先需要利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴粒子類型分布；

再根據(jù)模擬仿真或?qū)嶒?yàn)得到水成物粒子荷電參數(shù)化方案；

由于雷達(dá)回波參數(shù)并不能直接作為水成物粒子荷電參數(shù)化方案需要的參數(shù)，因此需要建立雷達(dá)回波參量與水成物粒子荷電敏感因子的映射關(guān)系：

f(wv,t,ρ,vc,tp)＝f(zh,v,w,tp,h)

再將逐點(diǎn)雷達(dá)回波參數(shù)轉(zhuǎn)換為水成物粒子參數(shù)化方案所需的參數(shù)：

(zh,tp,v,h,w)＝>(wv,t,ρ,vc,tp)

將轉(zhuǎn)換后的值帶入水成物粒子荷電參數(shù)化方案，逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)電荷量：

q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)

圖1中所述的雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波反演雷暴粒子類型，可采用如圖2所示的模糊邏輯法實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)反演區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，逐網(wǎng)格點(diǎn)讀取的雙偏振雷達(dá)回波參數(shù)，通過(guò)參數(shù)模糊化、計(jì)算類型分值、獲取最大分值類型等步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)各網(wǎng)格點(diǎn)粒子類型的反演。

圖1中所述的水成物粒子荷電參數(shù)化方案為可調(diào)參數(shù)的方案，方案精度對(duì)雷暴電荷反演精度有很大影響，該參數(shù)化方案可通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式得出，圖3給出了一種設(shè)計(jì)水成物粒子荷電參數(shù)化方案的基本思路，首先找出影響不同水成物粒子荷電及雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分布的敏感性參量，如水成物粒子類型及密度、溫度、風(fēng)速、水汽含量等參量；再根據(jù)這些敏感性參量與不同水成物粒子的荷電分布結(jié)構(gòu)，采用函數(shù)擬合或機(jī)器學(xué)習(xí)方法(如bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等)，構(gòu)建由敏感性參量分析不同水成物粒子荷電分布結(jié)構(gòu)的參數(shù)化方案，即得到水成物粒子荷電量的方程：

q＝f(wv,t,ρ,vc,tp)

并采用函數(shù)擬合或機(jī)器學(xué)習(xí)方法形成的參數(shù)化方案計(jì)算的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分布與雷電數(shù)值模式模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，對(duì)參數(shù)化方案進(jìn)行優(yōu)選改進(jìn)。

圖4給出了利用該方法實(shí)現(xiàn)雷暴電荷分布反演的具體流程，首先對(duì)需要反演電荷分布的雙偏振多普勒雷達(dá)雷暴探測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為n；然后逐點(diǎn)讀取雷達(dá)回波參數(shù)；再通過(guò)讀取的雷達(dá)回波參數(shù)進(jìn)行雷暴粒子類型反演并進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，得到水成物粒子參數(shù)化方案的輸出參數(shù)；將粒子類型和轉(zhuǎn)換后的參數(shù)帶入水成物粒子參數(shù)化方案；最好計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)的電荷量。通過(guò)逐點(diǎn)計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)的電荷量，即得到整個(gè)反演區(qū)域的電荷分布。

當(dāng)然上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。