一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，利用TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角觀測數(shù)據(jù)，基于9°入射角海面后向散射系數(shù)(NRCS)不隨海面風、浪等動力環(huán)境因素變化的特性，通過分析無雨和降雨海面NRCS差異，確定了9°入射角海面NRCS降雨閾值，該閾值可用于確定波譜儀數(shù)據(jù)的降雨標志。確定降雨標志可用于剔除波譜儀部分受降雨干擾的無效數(shù)據(jù)，對保證波譜儀關(guān)于海面動力環(huán)境遙感產(chǎn)品的質(zhì)量，起著非常重要的作用。同時具有簡單實現(xiàn)的優(yōu)勢，適合于實際應(yīng)用。
【專利說明】
一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于海洋微波遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]降雨是一種常見的大氣現(xiàn)象，海面的降雨會引起波譜儀海面NRCS的變化，由于目前的波譜儀動力環(huán)境遙感模型僅適用無雨海面，所以海面降雨會干擾波譜儀對海面風、浪等動力環(huán)境的遙感觀測。海面降雨標志的確定，對于剔除波譜儀部分受降雨干擾的無效數(shù)據(jù)，保證遙感產(chǎn)品的質(zhì)量，具有非常重要的現(xiàn)實意義和科研價值。
[0003]波譜儀是一種小入射角星載雷達，入射角范圍在0°_11°，主要用于測量海面的風、浪等動力環(huán)境參數(shù)，全球第一顆波譜儀衛(wèi)星將搭載中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)，預計于2018年發(fā)射(Ren et al.，2015)。目前，對于小入射角雷達，只有TRMM衛(wèi)星PR雷達能夠?qū)崿F(xiàn)海面降雨量的遙感。PR雷達作為一種氣象雷達，是通過觀測大氣的反射率，利用Z-R關(guān)系(反射率-降雨量關(guān)系)來確定降雨量，進而確定降雨標志(Iguchi et al.2000；Li et al.2002；Setoand Iguchi 2007)。而對于動力環(huán)境遙感衛(wèi)星，如波譜儀，散射計和合成孔徑雷達(SAR)等，都是基于觀測的海面NRCS來遙感海面動力環(huán)境參數(shù)，并未配置測量大氣發(fā)射率的功能模塊。因此，波譜儀難以應(yīng)用與PR雷達相同的方法來確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志。
[0004]由于波譜儀不能觀測大氣發(fā)射率，所以只能從海面NRCS的角度來確定降雨標志。在降雨條件下，波譜儀觀測到的海面NRCS，是海面風、浪等動力環(huán)境因素和降雨的共同作用結(jié)果，而實際海面的動力環(huán)境始終處于變化之中，很難根據(jù)經(jīng)驗用一個預先設(shè)定的海面NRCS閾值來區(qū)分是否降雨。因此，當需要同時考慮降雨和動力環(huán)境因素對海面NRCS影響時，如何應(yīng)用簡單的海面NRCS降雨閾值，來確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志，是一個非常困難的問題。
[0005]針對上述問題，解決的關(guān)鍵在于如何消除動力環(huán)境因素對海面NRCS的影響。根據(jù)小入射角海面NRCS特性研究(Hesany et al.,2000；Tran,et al.，2007)，9°-11°入射角觀測的海面NRCS，基本不隨海面動力環(huán)境變化，這主要是因為在該入射角范圍內(nèi)，海面NRCS是準鏡面散射和布拉格散射的共同作用結(jié)果，準鏡面散射隨著粗糙度增大而減小，而布拉格散射隨著粗糙度增大而增大，從而導致不同動力環(huán)境下海面NRCS整體的不變性。因此，若選取該入射角范圍內(nèi)觀測數(shù)據(jù)來確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志，則可以擺脫海面動力環(huán)境因素對NRCS的影響，保證海面NRCS變化量僅與降雨量相關(guān)，從而有利于確定海面NRCS降雨閾值。然而迄今為止，仍然沒有研究將其用于確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供了一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法包括以下步驟:
[0009]SOl.收集研究區(qū)域TRMM衛(wèi)星PR雷達2A25標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)；
[0010]S02.從步驟SOl獲得的數(shù)據(jù)中選取海面觀測數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“TRMM2A25Method Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示海面觀測數(shù)據(jù)；
[0011]S03.從海面觀測數(shù)據(jù)中分別選取無雨和降雨海面數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“Rain Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示無雨數(shù)據(jù);當設(shè)置值為I時，表示降雨數(shù)據(jù)；
[0012]S04.從無雨海面數(shù)據(jù)，提取9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)，所述的9°入射角是指8.5°-9.5°的入射角范圍；
[0013]S05.從ECMWF模式預報數(shù)據(jù)中，提取與9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)時間和空間上同步的動力環(huán)境參數(shù)，
[0014]S06.從降雨海面數(shù)據(jù)，分別提取9°入射角降雨海面NRCS數(shù)據(jù)和同步的平均降雨量數(shù)據(jù)；
[0015]S07.從步驟SOl和S05獲得的數(shù)據(jù)中，選取典型動力環(huán)境參數(shù)下的9°入射角無雨海面NRCS，典型海面風速設(shè)定為l-13m/s，典型海面有效波高設(shè)定為0.3-3.5m;
[0016]S08.從步驟S06獲得的數(shù)據(jù)中，選取有效平均降雨量下的9°入射角降雨海面NRCS，有效平均降雨量設(shè)定為大于lmm/hr;
[0017]S09.利用概率統(tǒng)計方法估計典型動力環(huán)境參數(shù)下9°入射角無雨海面NRCS的95%置信區(qū)間；
[0018]S1.利用概率統(tǒng)計方法估計有效平均降雨量下9°入射角降雨海面NRCS的95 %置信區(qū)間；
[0019]Sll.計算9°入射角無雨海面NRCS置信區(qū)間下限和9°入射角降雨海面NRCS置信區(qū)間上限的平均值，作為9°入射角海面NRCS降雨閾值，將9°入射角海面NRCS降雨閾值用于研究區(qū)域波譜儀數(shù)據(jù)確定降雨標志，當波譜儀9°入射角海面NRCS大于降雨閾值時，標志為無雨海面;當波譜儀9°入射角海面NRCS小于降雨閾值時，標志為降雨海面。
[0020]進一步的，所述步驟S05中的動力環(huán)境參數(shù)包括動力環(huán)境參數(shù)指海面風速和海面有效波尚。
[0021 ] 進一步的，所述步驟S05中同步時間窗口為10分鐘，同步空間窗口為5km。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023](I)本發(fā)明提供了一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，利用TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角觀測數(shù)據(jù)，基于9°入射角海面NRCS不隨海面風、浪等動力環(huán)境因素變化的特性，通過比較無雨和降雨海面NRCS差異，確定了9°入射角海面NRCS降雨閾值，該閾值可用于確定波譜儀數(shù)據(jù)的降雨標志；(2)確定波譜儀數(shù)據(jù)的降雨標志，可用于剔除波譜儀在降雨條件下的受干擾的無效數(shù)據(jù)，以保證動力環(huán)境遙感產(chǎn)品的質(zhì)量；(3)擺脫了小入射角雷達需要從大氣反射率來遙感降雨量的慣性思維，為解決今后建立降雨條件下動力環(huán)境遙感模型問題奠定了研究基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0024]圖1是確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志方法的技術(shù)路線圖；
[0025]圖2(a)是提取的TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)隨典型海面風速變化關(guān)系；
[0026]圖2(b)是提取的TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)隨典型海面有效波尚變化關(guān)系；
[0027]圖3是提取的TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角降雨海面NRCS數(shù)據(jù)隨有效平均降雨量變化關(guān)系;
[0028]圖4是提取的TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角海面NRCS數(shù)據(jù)在不同降雨閾值下得到的漏警率(圖4a)和虛警率(圖4b)。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0030]如圖1所示，一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，包括以下步驟:
[0031]—種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，其特征在于其包括以下步驟:
[0032]SOl.收集研究區(qū)域TRMM衛(wèi)星PR雷達2A25標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)；
[0033]S02.從步驟SOl獲得的數(shù)據(jù)中選取海面觀測數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“TRMM2A25Method Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示海面觀測數(shù)據(jù)；
[0034]S03.從海面觀測數(shù)據(jù)中分別選取無雨和降雨海面數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“Rain Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示無雨數(shù)據(jù);當設(shè)置值為I時，表示降雨數(shù)據(jù)；
[0035]S04.從無雨海面數(shù)據(jù)，提取9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)，9°入射角包括8.5-9.5° ;
[0036]S05.從ECMWF模式預報數(shù)據(jù)中，提取與9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)時間和空間上同步的動力環(huán)境參數(shù)，動力環(huán)境參數(shù)指海面風速和海面有效波高，同步時間窗口為10分鐘，同步空間窗口為5km;
[0037]S06.從降雨海面數(shù)據(jù)，分別提取9°入射角降雨海面NRCS數(shù)據(jù)和同步的平均降雨量數(shù)據(jù)；
[0038]S07.從步驟SOl和S05獲得的數(shù)據(jù)中，選取典型動力環(huán)境參數(shù)下的9°入射角無雨海面NRCS，典型海面風速設(shè)定為l-13m/s，典型海面有效波高設(shè)定為0.3-3.5m。
[0039]S08.從步驟S06獲得的數(shù)據(jù)中，選取有效平均降雨量下的9°入射角降雨海面NRCS，有效平均降雨量設(shè)定為大于lmm/hr。
[0040]S09.利用概率統(tǒng)計方法估計典型動力環(huán)境參數(shù)下9°入射角無雨海面NRCS的95%置信區(qū)間。
[0041]S10.利用概率統(tǒng)計方法估計有效平均降雨量下9°入射角降雨海面NRCS的95%置信區(qū)間。
[0042]Sll.計算9°入射角無雨海面NRCS置信區(qū)間下限和9°入射角降雨海面NRCS置信區(qū)間上限的平均值，作為9°入射角海面NRCS降雨閾值，當9°入射角海面NRCS大于降雨閾值時，標志為無雨海面;當9°入射角海面NRCS小于降雨閾值時，標志為降雨海面。
[0043]S12.將9°入射角海面NRCS降雨閾值用于研究區(qū)域波譜儀數(shù)據(jù)確定降雨標志。
[0044]下面以中國南海2010年01月期間TRMM衛(wèi)星PR雷達200軌數(shù)據(jù)為例，具體步驟如下:
[0045]SOl.收集中國南海2010年01月期間TRMM衛(wèi)星PR雷達200軌2A25標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)；
[0046]S02.從步驟SOl獲得的數(shù)據(jù)中選取海面觀測數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“TRMM2A25Method Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示海面觀測數(shù)據(jù)；
[0047]S03.從海面觀測數(shù)據(jù)中分別選取無雨和降雨海面數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“Rain Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示無雨數(shù)據(jù);當設(shè)置值為I時，表示降雨數(shù)據(jù)；
[0048]S04.從無雨海面數(shù)據(jù)，提取9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)，9°入射角包括8.5-9.5° ;
[0049]S05.從ECMWF模式預報數(shù)據(jù)中，提取與9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)時間和空間上同步的動力環(huán)境參數(shù)，動力環(huán)境參數(shù)指海面風速和海面有效波高，同步時間窗口為10分鐘，同步空間窗口為5km;
[0050]S06.從降雨海面數(shù)據(jù)，分別提取9°入射角降雨海面NRCS數(shù)據(jù)和同步的平均降雨量數(shù)據(jù)；
[0051]S07.從步驟SOl和S05獲得的數(shù)據(jù)中，選取典型動力環(huán)境參數(shù)下的9°入射角無雨海面NRCS，典型海面風速設(shè)定為l-13m/s，典型海面有效波高設(shè)定為0.3-3.5m，典型動力環(huán)境代表海面常見環(huán)境，基于典型動力環(huán)境確定出的方法具有良好的適用性。如圖2(a)和(b)所示，9°入射角無雨海面NRCS基本不隨典型海面風速和有效波高等動力環(huán)境參數(shù)變化，表明確定降雨標志的過程中，可以擺脫海面動力環(huán)境因素對NRCS的影響。
[0052]S08.從步驟S06獲得的數(shù)據(jù)中，選取有效平均降雨量下的9°入射角降雨海面NRCS，有效平均降雨量設(shè)定為大于lmm/hr，因為小于lmm/hr平均降雨量對海面NRCS影響甚小，難以對波譜儀數(shù)據(jù)海面動力環(huán)境遙感產(chǎn)品產(chǎn)生干擾，因此這里僅選取大于lmm/hr平均降雨量下的海面NRCS。如圖3所示，9°入射角降雨海面NRCS隨有效平均降雨量降低，表明無雨和降雨海面NRCS存在差異。
[0053]S09.利用概率統(tǒng)計方法估計典型動力環(huán)境參數(shù)下9°入射角無雨海面NRCS的95%置信區(qū)間，估計的置信區(qū)間約為[5.5，7.5]。
[0054]S10.利用概率統(tǒng)計方法估計有效平均降雨量下9°入射角降雨海面NRCS的95%置信區(qū)間，估計的置信區(qū)間約為[1.0，7.0]。
[0055]Sll.計算9°入射角無雨海面NRCS置信區(qū)間下限和9°入射角降雨海面NRCS置信區(qū)間上限的平均值，作為9°入射角海面NRCS降雨閾值，計算的降雨閾值約為6.2dB，當9°入射角海面NRCS大于降雨閾值時，標志為無雨海面；當9°入射角海面NRCS小于降雨閾值時，標志為降雨海面。圖4是提取的TRMM衛(wèi)星PR雷達9°入射角海面NRCS數(shù)據(jù)在不同降雨閾值下得到的漏警率和虛警率?？梢钥闯?，當降雨閾值為6.2dB時對應(yīng)的漏警率約為8.1% (圖4a)，虛警率約為6.7% (圖4b)，表明能有效區(qū)分無雨和降雨海面。
[0056]將9°入射角海面NRCS降雨閾值用于研究區(qū)域波譜儀數(shù)據(jù)確定降雨標志，可用于剔除波譜儀在降雨條件下的受干擾的無效數(shù)據(jù)，以保證動力環(huán)境遙感產(chǎn)品的質(zhì)量。
【主權(quán)項】
1.一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，其特征在于其包括以下步驟: SO1.收集研究區(qū)域TRMM衛(wèi)星PR雷達2A25標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)； S02.從步驟SOI獲得的數(shù)據(jù)中選取海面觀測數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“TRMM2A25Method Flag”因子，當設(shè)置值為O時，表示海面觀測數(shù)據(jù)； 503.從海面觀測數(shù)據(jù)中分別選取無雨和降雨海面數(shù)據(jù)，選取方法:提取產(chǎn)品中的“RainFlag”因子，當設(shè)置值為O時，表示無雨數(shù)據(jù);當設(shè)置值為I時，表示降雨數(shù)據(jù)； 504.從無雨海面數(shù)據(jù)，提取9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)，所述的9°入射角是指8.5° -9.5°的入射角范圍； 505.從ECMWF模式預報數(shù)據(jù)中，提取與9°入射角無雨海面NRCS數(shù)據(jù)時間和空間上同步的動力環(huán)境參數(shù)， 506.從降雨海面數(shù)據(jù)，分別提取9°入射角降雨海面NRCS數(shù)據(jù)和同步的平均降雨量數(shù)據(jù)； 507.從步驟SOl和S05獲得的數(shù)據(jù)中，選取典型動力環(huán)境參數(shù)下的9°入射角無雨海面NRCS，典型海面風速設(shè)定為l-13m/s，典型海面有效波高設(shè)定為0.3-3.5m; 508.從步驟S06獲得的數(shù)據(jù)中，選取有效平均降雨量下的9°入射角降雨海面NRCS，有效平均降雨量設(shè)定為大于lmm/hr; 509.利用概率統(tǒng)計方法估計典型動力環(huán)境參數(shù)下9°入射角無雨海面NRCS的95%置信區(qū)間； 510.利用概率統(tǒng)計方法估計有效平均降雨量下9°入射角降雨海面NRCS的95%置信區(qū)間； 511.計算9°入射角無雨海面NRCS置信區(qū)間下限和9°入射角降雨海面NRCS置信區(qū)間上限的平均值，作為9°入射角海面NRCS降雨閾值，將9°入射角海面NRCS降雨閾值用于研究區(qū)域波譜儀數(shù)據(jù)確定降雨標志，當波譜儀9°入射角海面NRCS大于降雨閾值時，標志為無雨海面;當波譜儀9°入射角海面NRCS小于降雨閾值時，標志為降雨海面。2.如權(quán)利要求1所述的一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，其特征在于所述步驟S05中的動力環(huán)境參數(shù)包括動力環(huán)境參數(shù)指海面風速和海面有效波高。3.如權(quán)利要求1所述的一種確定波譜儀數(shù)據(jù)降雨標志的方法，其特征在于所述步驟S05中同步時間窗口為10分鐘，同步空間窗口為5km。
【文檔編號】G01S13/95GK105938194SQ201610556806
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】任林, 楊勁松, 鄭罡, 王雋
【申請人】國家海洋局第二海洋研究所