基于多波段雷达协同观测的雷暴预警指标自适应修正方法与流程

本发明涉及气象雷达探测与数据处理，尤其涉及一种基于多波段雷达协同观测的雷暴预警指标自适应修正方法。

背景技术：

1、在强对流天气监测领域，利用无衰减长波段雷达协同修正短波段雷达的雨衰误差，是提升雷暴预警精度的核心手段。然而，现有协同修正技术在实际工程落地中存在诸多显著缺陷。

2、首先，现有技术通常采用静态空间就近匹配，未充分考虑雷暴云团在多部雷达扫描时间差内的快速平流移动，导致多波段数据在投影时产生严重的相对时空错位，从根本上造成了修正基准失真。其次，传统方法往往直接将不同波段间的反射率差值视为纯物理衰减，完全忽略了雷达硬件系统之间固有的定标偏差；与此同时，现有算法普遍缺乏针对地形刚性阻断边界的识别机制，极易对被山丘等复杂地形完全遮挡的视距外盲区进行盲目的算法推演，进而凭空制造出大量的虚假补偿回波。最后，目前的衰减补偿模型大多局限于沿单一雷达探测径向进行一维空间积分。在雷暴等强对流核心区，降水粒子微物理结构的剧烈突变会使得常规的空间距离度量产生畸变，单一的一维径向修正无法准确捕捉衰减特征在三维拓扑结构中的真实梯度走向，极易在强衰减核心区及其边缘地带引发过度补偿或补偿不足。

3、因此，本领域急需一种全新的自适应修正方法，以有效克服多波段雷达协同观测中固有的时空错位、硬件定标误差、地形遮挡干扰以及单向空间衰减模型失真等技术缺陷，进而重构出高精度的统一基准数据场，为雷暴预警提供准确支撑。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明的实施方式提供了一种基于多波段雷达协同观测的雷暴预警指标自适应修正方法，包括以下步骤：

2、获取包含s波段数据与待修正x或c波段数据的多波段雷达三维体扫数据并映射至三维空间网格，通过对所述s波段与待修正x或c波段数据进行强回波极值协同定位确定三维基准锚点，并计算该三维基准锚点处所述s波段数据与待修正x或c波段数据的反射率因子差值作为强度衰减特征；

3、以所述三维基准锚点为极点，沿其对应的雷达径向探测方向构建具有限定母线长度的三维方位角约束锥；在所述三维方位角约束锥内，对反射率因子的径向递减梯度进行流形拟合，生成主导衰减边界曲线；

4、以所述三维基准锚点和主导衰减边界曲线为拓扑基准，将强度衰减特征转化为空间衰减深度，并沿雷达径向探测方向执行空间外推，生成最大衰减补偿边界，并界定出理论补偿三维域；

5、结合数字高程模型数据和雷达天线仰角生成三维地形遮挡场，从中提取波束遮挡率达到极值的地形遮挡极限边界，并利用所述地形遮挡极限边界对所述理论补偿三维域执行拓扑截断，生成有效补偿三维域；

6、根据所述三维空间网格内的待修正节点相对所述主导衰减边界曲线及有效补偿三维域的空间拓扑关系，自适应划分待修正节点的节点补偿类型；

7、依据所述节点补偿类型对所述待修正节点的反射率因子执行补偿，重构形成统一波段基准的三维数据场，并输出雷暴预警指标。

8、根据一个优选地实施方式，所述获取多波段雷达三维体扫数据并映射至三维空间网格的步骤，具体包括：

9、从所述多波段雷达三维体扫数据中，提取相邻体扫周期的回波质心移动矢量，构建目标观测空域的三维雷暴平流场；

10、基于所述三维雷暴平流场，利用半拉格朗日时间插值算法，将所述待修正x或c波段数据与所述s波段数据对齐至同一基准时间截面；

11、将时间对齐后的多波段雷达三维体扫数据，基于同一地理基准原点执行空间插值，映射至所述三维空间网格。

12、根据一个优选地实施方式，所述确定三维基准锚点的过程，具体包括：

13、沿垂直空间维度对三维空间网格进行极值投影生成二维反射率平面；

14、以所述二维反射率平面中的s波段数据为基准，提取强回波参照包络面，在所述强回波参照包络面内，提取待修正x或c波段数据中的局部强回波核心作为二维局部锚点；

15、基于极值投影映射关系，反向追溯所述二维局部锚点在所述三维空间网格中的极值节点作为所述三维基准锚点。

16、根据一个优选地实施方式，所述计算反射率因子差值作为强度衰减特征的步骤，结合了剔除硬件定标误差的系统互校准，包括：

17、获取无雨衰标定回波，所述无雨衰标定回波包括晴空回波或层状云稳定降水回波；

18、基于所述无雨衰标定回波，建立与所述三维空间网格对应的所述s波段数据与待修正x或c波段数据之间的系统定标偏差矩阵；

19、计算所述三维基准锚点处的初始反射率因子差值，并从所述系统定标偏差矩阵中，提取与所述三维基准锚点对应的定标偏差值；

20、利用所述定标偏差值对所述初始反射率因子差值进行修正，以剔除硬件固有误差，并将修正后的反射率因子差值作为所述强度衰减特征。

21、根据一个优选地实施方式，所述在所述三维方位角约束锥内，对反射率因子的径向递减梯度进行流形拟合，生成主导衰减边界曲线，包括：

22、在所述三维方位角约束锥内，以所述三维基准锚点为起算原点，沿雷达径向探测方向离散化提取所述待修正x或c波段数据的反射率空间分布序列；

23、对所述反射率空间分布序列执行空间差分计算，获取反射率因子随径向穿透深度的衰减变化率，以构建三维径向递减梯度场；

24、将所述三维径向递减梯度场映射至局部流形空间，以消除由强对流微物理结构突变引起的欧氏距离度量畸变；

25、在所述局部流形空间内，由所述三维基准锚点出发，沿最速下降方向追踪流形测地线路径；

26、沿着所述流形测地线路径执行空间曲线平滑，并将平滑后的所述流形测地线路径逆映射至所述三维空间网格，确立为所述主导衰减边界曲线。

27、根据一个优选地实施方式，所述将强度衰减特征转化为空间衰减深度，并界定出理论补偿三维域的步骤，具体包括：

28、以三维基准锚点为起点，沿所述主导衰减边界曲线进行路径积分以计算累积衰减量，当所述累积衰减量达到强度衰减特征对应的反射率因子差值时，将三维基准锚点至积分终点的空间曲线弧长，确立为所述空间衰减深度；

29、以所述三维基准锚点为空间极点，在所述三维方位角约束锥的张角范围内，以所述空间衰减深度为推演半径，沿雷达径向探测方向执行空间曲面外推，生成所述最大衰减补偿边界；

30、利用所述三维基准锚点、所述三维方位角约束锥的约束侧面，与所述最大衰减补偿边界进行空间闭合包络，界定出体积有限的所述理论补偿三维域。

31、根据一个优选地实施方式，所述对所述理论补偿三维域执行拓扑截断，生成有效补偿三维域的步骤，具体包括：

32、获取与所述三维空间网格匹配的数字高程模型数据，结合所述雷达天线仰角及等效地球半径模型，计算沿雷达径向探测方向所述三维空间网格内各三维坐标位置的波束遮挡率，以构建所述三维地形遮挡场；

33、在所述三维地形遮挡场中，设定表征信号刚性阻断的波束遮挡率极值，提取波束遮挡率达到所述波束遮挡率极值的三维坐标位置并构建连通曲面，确立为所述地形遮挡极限边界；

34、以所述地形遮挡极限边界对所述理论补偿三维域执行拓扑截断，剔除沿雷达径向探测方向处于视距外的三维子空间，将视距内的三维子空间确立为所述有效补偿三维域。

35、根据一个优选地实施方式，所述自适应划分待修正节点的节点补偿类型的步骤，具体包括：

36、若待修正节点位于所述有效补偿三维域外，将其节点补偿类型划分为域外免补偿类型；

37、若待修正节点位于所述有效补偿三维域内或其边界上，计算其至所述主导衰减边界曲线的空间正交投影距离，并与预设的拓扑影响半径进行比对：

38、若所述空间正交投影距离不大于所述拓扑影响半径，将其节点补偿类型划分为核心衰减主导补偿类型；

39、若所述空间正交投影距离大于所述拓扑影响半径，将其节点补偿类型划分为边缘衰减协同补偿类型。

40、根据一个优选地实施方式，所述对所述待修正节点的反射率因子执行补偿，并输出雷暴预警指标的步骤，具体包括：

41、若待修正节点为所述域外免补偿类型，保持所述待修正节点的反射率因子不变；

42、若待修正节点为所述核心衰减主导补偿类型或边缘衰减协同补偿类型，则获取所述待修正节点在所述主导衰减边界曲线上正交投影点处的累积衰减量，作为基准补偿值；

43、其中，若所述待修正节点为所述核心衰减主导补偿类型，将所述基准补偿值直接叠加至所述反射率因子；

44、若待修正节点为所述边缘衰减协同补偿类型，根据所述空间正交投影距离对所述基准补偿值进行衰减加权，并叠加至所述待修正节点的反射率因子；

45、基于补偿后的反射率因子重构所述统一波段基准的三维数据场，计算所述三维数据场的垂直积分液态水含量，作为所述雷暴预警指标输出。

46、本发明具有以下有益效果：

47、1、本发明通过构建三维方位角约束锥并引入流形拟合技术，将传统的单向衰减扩展至三维拓扑空间，有效消除了强对流天气核心区微物理结构突变引起的误差，显著提升了雷达回波强度衰减补偿的准确性。

48、2、本发明结合数字高程模型构建地形遮挡场执行拓扑截断，并引入晴空回波进行系统偏差基准标定。该机制有效剔除了雷达硬件固有的定标误差，从根本上避免了对受山体地形遮挡的视距外盲区进行盲目误补偿。

49、3、本发明利用雷暴平流场和半拉格朗日时间插值实现多频段雷达的精准时空对齐，根据空间拓扑关系自适应划分节点类型执行针对性修正，成功重构出高精度的统一基准数据场，大幅提高了雷暴天气的预警可靠性。