基于时空特征提取的人工增雨评价方法

本发明涉及气象数据处理，具体为基于时空特征提取的人工增雨评价方法。

背景技术：

1、人工增雨是人工影响天气业务中的重要技术手段，通常通过飞机、火箭或地面烟炉等方式向适宜云体中播撒催化剂，以促进云滴增长、冰晶形成或降水粒子增大，从而达到增加地面降水的目的。其作业效果的准确评价，是判断作业有效性、优化后续方案以及提高水资源调控效益的重要依据。

2、现有人工增雨评价方法主要包括统计检验、物理检验和数值模拟。统计检验对对照区选取依赖较强，在自然降水时空变化剧烈时易产生偏差。物理检验中相关物理量与地面实际增雨量的定量关系较难稳定建立。数值模拟虽物理基础较好，但计算成本高且受气象条件误差影响较大，难以满足业务化快速评价需求。

3、近年来，也有技术尝试结合风场资料计算人工增雨作业影响区，或利用回波特征数据、卫星反演数据、地面站数据等多源气象特征辅助作业决策。然而，此类技术多侧重于作业条件判断、播撒控制或影响范围估算，尚难以充分解决作业后增雨效果评价中的归因问题。特别是在复杂垂直风场、风切变、云系移动和自然降水同步演变条件下，实际受作业影响的区域会随时间发生变化，若仍采用固定半径、固定行政区域或人工经验选取评价区域，容易导致评价对象与真实作业影响范围不一致。此外，在云系移动和催化剂扩散作用下，候选对照区域也可能受到作业影响，从而削弱作业区与对照区之间的真实差异，造成增雨效果被低估或误判。同时，不同气象观测资料简单进行时空配准或统一插值，可能引入虚假同步关系，影响评价结论的稳定性和可信度。

4、因此，需要一种在复杂风场、云团移动和自然降水同步演变条件下，评价人工增雨作业是否产生了增雨效果的技术方案。

5、为此，提出基于时空特征提取的人工增雨评价方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于时空特征提取的人工增雨评价方法，通过动态构建作业影响廊道与筛选低污染虚拟对照区，并结合多维响应一致性检验，降低自然降水演变带来的干扰，提升评价结果的归因稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于时空特征提取的人工增雨评价方法，包括：获取待评价人工增雨作业的作业参数和气象观测数据，由作业参数确定作业时段、作业区域，由气象观测数据确定作业层风场、云团移动信息、回波特征增强区域和降水响应时滞。

4、基于作业时段、作业区域、作业层风场和云团移动信息，确定多个作业后时刻的作业可能影响范围并按时序连接，生成作业影响廊道；获取候选对照区域集合，计算候选对照区域在作业后预设时段内与作业影响廊道的时空重叠程度，生成作业污染风险值。

5、基于作业前预设时段内作业区域及各候选对照区域的气象观测数据生成气象状态相似度，并结合作业污染风险值确定低污染虚拟对照区。

6、基于作业区域，作业影响廊道和低污染虚拟对照区，确定作业区观测单元和对照区观测单元，由作业区观测单元和对照区观测单元在作业前后的降水变化差异生成初始增雨响应量。

7、根据初始增雨响应量与作业影响廊道、回波特征增强区域及降水响应时滞的一致性，生成作业响应一致性指数，并输出人工增雨评价报告。

8、优选的，所述作业参数和气象观测数据的获取，包括：提取待评价人工增雨作业的作业位置、作业航迹、播撒开始时间、播撒结束时间及播撒高度作为作业参数，提取分层风场数据、网格化气象回波特征数据、云顶亮温数据和地面降水观测数据作为气象观测数据；将播撒开始时间至播撒结束时间划分为多个子作业时段，根据播撒高度截取分层风场数据得到作业层风场；根据网格化气象回波特征数据中回波重心的空间坐标变化向量，计算云团移动方向和速度作为云团移动信息；将网格化气象回波特征数据在作业前后的回波强度特征差值超出预设阈值的空间连通区域，确定为回波特征增强区域；将地面降水观测数据中的降水突变时刻与所述播撒开始时间的时间差值作为降水响应时滞。

9、优选的，所述作业影响廊道的生成，包括：提取作业位置及作业航迹的地理坐标构建初始空间扩散基准；提取各子作业时段的作业层风向、风速和垂直风切变数据，基于所述云团移动信息计算多个时间节点上的空间位移向量；将所述空间位移向量叠加至所述初始空间扩散基准，生成人工增雨催化剂在多个时间节点上的空间偏移范围边界并进行坐标闭合，生成作业可能影响范围；将全部所述作业可能影响范围按时间顺序进行空间维度拼接，生成所述作业影响廊道。

10、优选的，所述作业污染风险值的生成，包括：计算所述候选对照区域的边界与所述作业影响廊道在作业后预设时段内的地面投影边界的交集面积；将交集面积占候选对照区域总面积的百分比输入预设的风险转换函数，输出所述作业污染风险值；在所述交集面积等于零的条件下，所述作业污染风险值为预设基础值，且所述作业污染风险值随所述百分比的增加呈正相关递增。

11、优选的，所述低污染虚拟对照区的确定，包括：剔除所述作业污染风险值超出预设风险阈值的候选对照区域；针对未被剔除的候选对照区域，基于作业前预设时段内气象观测数据，获取候选对照区域的回波强度特征数值、云顶亮温特征数值及地面降水特征数值，计算与作业区域对应特征数值之间的欧氏距离；基于欧氏距离生成气象状态相似度，筛选出气象状态相似度超出预设相似度阈值的多个候选对照区域并进行空间合并组合，形成所述低污染虚拟对照区。

12、优选的，所述初始增雨响应量的生成，包括：将位于所述作业区域以及所述作业影响廊道覆盖范围内的气象特征网格节点和地面雨量站，划分为所述作业区观测单元；将位于所述低污染虚拟对照区覆盖范围内的气象特征网格节点和地面雨量站，划分为所述对照区观测单元；基于地面雨量站的地面降水观测数据，计算作业区观测单元在作业后预设时段与作业前预设时段的降水量差值，输出作业区降水趋势变化量；计算对照区观测单元在作业后预设时段与作业前预设时段的降水量差值，输出对照区降水趋势变化量；计算所述作业区降水趋势变化量与所述对照区降水趋势变化量之间的差值作为所述初始增雨响应量。

13、优选的，所述作业响应一致性指数的生成，包括：提取所述初始增雨响应量中对应数值大于零的地面雨量站，确定为降水增加站点；基于所述降水增加站点的空间坐标，计算位于所述作业影响廊道内部的所述降水增加站点的数量占所述降水增加站点总数量的比例数值，生成空间响应一致性参数；比对所述降水响应时滞与预设的催化物理响应时间区间，在所述降水响应时滞位于所述催化物理响应时间区间内部的条件下，生成时间响应一致性参数；计算所述回波特征增强区域的空间边界与所述作业影响廊道的空间重叠面积比例数值，生成物理响应一致性参数；对所述空间响应一致性参数、所述时间响应一致性参数以及所述物理响应一致性参数进行加权求和计算，生成所述作业响应一致性指数。

14、优选的，所述人工增雨评价结果的输出，包括：基于作业区降水趋势变化量和对照区降水趋势变化量建立回归评估模型，结合作业响应一致性指数计算得到增雨量估计数值；提取作业影响廊道内部，且地面降水观测数据中的降水突变时刻处于降水响应时滞对应区间内的空间区域，划定为疑似有效影响区；按照预设的一致性指数分级阈值对照表，将作业响应一致性指数映射至对应的评价等级标签，生成评价等级；输出包含增雨量估计数值、疑似有效影响区以及评价等级的人工增雨评价报告。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、1、本发明通过结合作业层风场、风切变和云团移动信息等动态气象参数，按时序计算并拼接多个时间节点上的空间位移向量，用于计算催化剂在三维大气环境中的平流扩散趋势。该机制改善了传统评估方法中仅依赖静态缓冲区划定影响范围的不足，为后续界定作业区与对照区提供了空间边界参考。

17、2、本发明通过计算候选对照区域与作业影响廊道地面投影的交集面积占比，并引入预设风险转换函数，将难以界定的对照区“污染”问题转化为可量化的数值指标。通过剔除高风险区域，并结合作业前气象状态相似度筛选低污染虚拟对照区，降低了天气系统自身的自然变化过程的影响，改善了因对照区受人工催化剂干扰而导致的评估偏差问题。

18、3、本发明通过构建空间、时间与物理三个维度的响应一致性参数并进行加权整合，生成作业响应一致性指数。结合双重差分逻辑所获取的初始增雨响应量来建立回归评估模型，建立了多维校验机制，降低了自然天气系统演变产生的干扰，提升了催化作业与降水增加之间因果联系的归因稳定性，改善了传统人工增雨评估中单一依据降水增量导致因果关系判定薄弱的问题。