一种基于雷达数据的冰雹分级预警方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及气象监测预警，尤其涉及一种基于雷达数据的冰雹分级预警方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、目前，冰雹识别预警技术主要依赖多普勒天气雷达的常规反射率参量，采用通用经验阈值判断冰雹是否发生。部分技术引入单一双偏振参量辅助识别，但未结合区域气候特征进行本地化优化，无法有效区分冰雹与强降水等相似天气现象，且仅能实现冰雹有无的判断，无法进行分级预警。冰雹个例库的构建以人工事后整理灾情报告、地面观测记录为主，手动录入冰雹发生时间、地点、强度等信息，部分技术可实现雷达数据的半自动采集，但缺乏有效的数据质控机制，误报、空报样本易混入数据库，导致样本可靠性不足。

2、与本发明相关的现有技术主要分为两类：一是冰雹识别预警技术，依赖多普勒天气雷达的常规反射率参量，采用通用经验阈值判断冰雹是否发生，部分技术引入单一双偏振参量辅助识别，但未形成标准化的分级预警体系；二是冰雹个例库构建技术，以人工事后整理灾情报告、地面观测记录为主，手动录入冰雹发生时间、地点、强度等信息，部分技术可实现雷达数据的半自动采集，但缺乏有效的数据质控机制。现有技术未将冰雹分级预警与个例库动态迭代进行深度融合，识别精度和数据可靠性难以满足精细化业务需求。现有技术在实际应用中存在诸多缺点和不足，具体如下：

3、（1）冰雹识别精度低、分级能力弱：现有技术多采用单一雷达参量或通用经验阈值，未结合区域气候特征进行本地化优化，无法有效区分冰雹与强降水等相似天气现象，且仅能实现冰雹有无的判断，无法进行分级预警，难以满足不同强度冰雹灾害的精准防控需求；

4、（2）个例库构建效率低、数据质量差：个例库依赖人工事后整理，自动化程度低，数据录入滞后、规范性差，且缺乏有效的质控机制，误报、空报样本易混入数据库，导致样本可靠性不足，无法为后续预警优化提供有效支撑；

5、（3）预警时效性不足：部分技术需要人工介入判断，无法实现实时自动预警，难以满足冰雹突发性、短时性的预警需求，易错失防灾减灾最佳时机；

6、（4）系统无自进化能力：现有技术的识别阈值和判断逻辑固定，无法根据历史样本的积累进行动态优化，随着区域气候特征的变化，预警精度会逐渐下降。

7、因此，有必要研究一种基于雷达数据的冰雹分级预警方法、系统及存储介质来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于雷达数据的冰雹分级预警方法、系统及存储介质，通过标准化的技术流程，实现冰雹的精准分级预警、个例库的自动化构建与动态优化，解决现有技术的诸多短板，为气象防灾减灾提供稳定可靠的数据与技术支撑。

2、一方面，本发明提供一种基于雷达数据的冰雹分级预警方法，应用于气象监测预警系统，所述方法包括：

3、采集冰雹事件实况资料及对应的雷达基数据，获得历史冰雹事件的发生时间、经纬度位置、最大冰雹直径以及对应的雷达基数据；

4、对所述雷达基数据进行预处理，将所述雷达基数据中的原始极坐标观测数据转换为格点数据，重构得到常规雷达参量格点场和双偏振雷达参量格点场；

5、将所述冰雹事件的发生时间、经纬度位置与步骤二得到的雷达参量格点场完成时空配准，根据所述实况冰雹直径对匹配后的雷达格点进行分级赋值，生成带有等级标识的雷达图像数据集；

6、以独立风暴单体为统计单元，界定单体范围，基于所述带有等级标识的雷达图像数据集，在单体范围内提取常规雷达参量特征值和双偏振雷达参量特征值，统计不同冰雹等级的识别临界阈值；

7、实时接收雷达基数据，按照步骤二相同的预处理方式得到实时雷达参量格点场，按照步骤四相同的单体划分方式实时划分独立风暴单体，提取单风暴单体的常规雷达参量特征值和双偏振雷达参量特征值，并与所述识别临界阈值进行比对，采用多参量联合判定机制输出冰雹分级预警结果。

8、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述雷达基数据包含常规雷达参量与双偏振雷达参量；所述将冰雹事件与雷达格点数据完成时空配准时，双偏振雷达参量仅选取湿球0℃层高度以上的冰雹生长区格点数据参与匹配，常规雷达参量采用整层格点数据参与匹配；

9、所述提取特征值时，常规雷达参量提取单体范围内的最大值，双偏振雷达参量仅提取湿球0℃层高度以上冰雹生长区的最小值；

10、所述实时预警时，仅提取湿球0℃层高度以上的双偏振雷达参量数据。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述统计不同冰雹等级的识别临界阈值时，采用分位数统计法，对于常规雷达参量采用低分位数统计阈值，对于双偏振雷达参量采用高分位数统计阈值；

12、所述实时预警时，同一冰雹等级需常规雷达参量和双偏振雷达参量均同时满足各自阈值条件方可触发预警；

13、优先校验大冰雹阈值条件，全部满足则输出大冰雹预警，未满足再校验小冰雹阈值条件；

14、所述低分位数为10%~40%中的任一分位数，所述高分位数为60%~90%中的任一分位数。

15、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述根据实况冰雹直径对匹配后的雷达格点进行分级赋值时，直径小于2cm的小冰雹格点赋值为1，直径大于或等于2cm的大冰雹格点赋值为2。

16、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述湿球0℃层高度在探空资料中直接获取。

17、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述常规雷达参量包括组合反射率、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水密度，所述双偏振雷达参量包括差分反射率、相关系数。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：基于质控后的冰雹样本库，通过定期更新或增量更新自动迭代更新所述识别临界阈值，其中所述定期更新为每一个自然年自动执行一次全样本阈值更新，所述增量更新为当新增有效冰雹个例累计达到预设数量时即时触发阈值更新，且系统留存每一轮阈值迭代版本记录。

19、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：

20、预警结束后，结合地面灾情信息对入库预警样本进行人工校验订正，判定预警为命中、空报或漏报；订正冰雹实际等级，对预警等级与实况等级不符的样本标记为等级偏差样本；完善冰雹发生时间、位置、最大直径、持续时长信息；并剔除空报样本、等级偏差样本及存疑无效样本。

21、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种基于雷达数据的冰雹分级预警系统，包括：

22、数据采集模块，用于采集冰雹事件实况资料及对应的气象数据，所述气象数据包括雷达基数据，所述雷达基数据包含常规雷达参量与双偏振雷达参量；

23、数据预处理模块，用于对所述雷达基数据进行预处理，包括将雷达原始极坐标观测数据转换为等经纬度格点数据，重构得到常规雷达参量格点场和双偏振雷达参量格点场，并基于垂直累积液态水含量和风暴顶高度计算得到垂直累积液态水密度格点场；

24、样本标识模块，用于将冰雹事件的发生时间、经纬度位置与雷达格点数据完成时空配准，其中双偏振雷达参量仅选取湿球0℃层高度以上的冰雹生长区格点数据参与匹配，常规雷达参量采用整层格点数据参与匹配，并根据实况最大冰雹直径对匹配后的雷达格点进行分类赋值，生成带有等级标识的雷达图像数据集；

25、特征提取模块，用于以独立风暴单体为统计单元，采用区域连通域识别法界定单体范围，在单个连通域风暴单体范围内提取常规雷达参量的最大值和双偏振雷达参量的最小值；

26、阈值统计模块，用于采用分位数统计法计算不同冰雹等级的识别临界阈值，其中对于常规雷达参量采用25%分位数或箱线图下边缘作为统计基准，对于双偏振雷达参量采用75%分位数或箱线图上边缘作为统计基准；

27、实时预警模块，用于实时接收雷达基数据并完成预处理，通过区域连通域识别法实时划分独立风暴单体，提取单风暴单体的常规雷达参量最大值和双偏振雷达参量最小值，并与所述识别临界阈值进行比对，采用多参量联合判定机制输出冰雹分级预警结果，其中同一冰雹等级需常规雷达参量和双偏振雷达参量均同时满足各自阈值条件方可触发预警，且优先校验大冰雹阈值条件；

28、所述数据采集模块通过数据接口与所述数据预处理模块电连接，所述数据预处理模块通过数据总线与所述样本标识模块、所述特征提取模块、所述实时预警模块电连接，所述阈值统计模块通过信号线与所述实时预警模块电连接，所述系统由处理器执行各模块功能。

29、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于雷达数据的冰雹分级预警方法的步骤。

30、与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

31、通过融合常规雷达参量与双偏振雷达参量，结合湿球0℃层高度精准限定双偏振参量采样范围，规避融化层混合相态及湿冰雹的数值干扰，本发明显著提升了冰雹识别的精度。采用差异化统计规则，常规参量取最大值用25%分位数统计阈值，双偏振参量取最小值用75%分位数统计阈值，匹配了不同参量的冰雹响应机理，提升了本地化阈值的准确性和适配性，实现了小冰雹、大冰雹的精准分级预警，有效解决了现有技术识别精度低、分级能力弱的技术问题。

32、通过采用多参量与逻辑联合判定机制，要求同一冰雹等级的全部参量同时满足阈值条件方可触发预警，有效避免了单参量误判导致的空报。通过高等级优先的判定规则，优先校验大冰雹阈值条件，全部满足则输出大冰雹预警，未满足时再校验小冰雹条件，有效解决了强发育小冰雹与弱发育大冰雹的雷达参量数值重叠导致的判定冲突问题，保证了分级预警的唯一性与准确性，提升了预警的可靠性。

33、通过构建预警事件自动采集入库、人工事后质控剔除无效样本的质量控制流程，结合地面灾情信息进行人工校验订正，判别预警命中、空报、漏报情况，修正冰雹实际等级，剔除无效及存疑样本，保证了冰雹个例数据库的样本质量与数据可靠性，大幅提升了个例库的构建效率和数据质量，解决了现有技术个例库构建效率低、数据质量差的技术问题，为后续预警优化提供了有效支撑。

34、通过实时接收雷达基数据并完成预处理，采用区域连通域识别法实时划分独立风暴单体，提取单风暴单体的常规雷达参量最大值和双偏振雷达参量最小值，与识别临界阈值进行比对，自动输出冰雹分级预警结果，构建了全程自动的预警流程，无需人工介入，满足了冰雹实时预警的业务需求，显著提升了预警时效性，解决了现有技术预警时效性不足的技术问题。

35、通过定期更新和增量更新双模式自动迭代更新识别临界阈值，基于质控后的高质量冰雹样本库，每一个自然年自动执行一次全样本阈值更新，或当新增有效冰雹个例累计达到预设数量时即时触发增量阈值更新，系统留存每一轮阈值迭代版本记录，实现了识别精度的持续优化，能够适配本地对流气候特征的变化，赋予了系统自进化能力，解决了现有技术系统无自进化能力、预警精度逐渐下降的技术问题，确保了预警系统的长期稳定运行。

36、通过构建"历史建模-阈值统计-实时预警-事后质控-迭代优化"的完整闭环工作流程，实现了本地化、自适应的冰雹精准识别与预警更新，形成了系统性技术方案，实现了冰雹分级预警的全流程自动化与长期动态优化，提升了预警时效性与长期稳定性。相比现有技术，本发明可产出高精度、高可靠的冰雹预警产品，为农业、交通、电力等行业提供精准的灾害预警服务，减少冰雹灾害造成的人员伤亡和财产损失，具有显著的社会价值和经济价值。

37、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。