基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法与流程

本发明涉及雷达气象学，尤其涉及基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法。

背景技术：

1、近年来，冰雹天气突发性强、破坏力大，在强对流探测中，双偏振雷达通过获取差分反射率等参数，能够识别云内水成物相态及三维微物理结构，三维闪电定位数据则可反映风暴内部电荷活动，其云闪放电点通常与冰雹生长区域密切相关，这两种探测数据从微物理及电学等维度，为分析冰雹云演变及冰雹预警提供了重要的数据基础。

2、目前，公开号为cn120233320a的中国发明专利公开了一种基于闪电跃增与支持向量机的冰雹预警方法及系统，包括：通过雷达组网数据获取组合反射率因子、垂直积分液态水含量及回波顶高数据，识别强对流回波区并计算闪电时间变率及其标准差，结合闪电跃增条件筛选潜在冰雹事件，进一步提取垂直积分液态水含量最大值vilmax、跃增量gvil及密度vild作为特征参量，输入基于历史样本训练的支持向量机分类模型进行二次判定，有效降低传统2σ算法的虚警率，提升冰雹预警准确性，但是现有技术中，识别多依赖单一反射率或垂直累积液态含水量阈值，未结合粒子相态的空间演变，虚警率较高，引入闪电数据的方法多停留在简单频次或位置参考层面，未挖掘闪电放电点与冰雹风险场的三维空间拓扑关联，缺乏动态网络建模，常规垂直累积液态含水量算法未考虑冰雹空间风险分布的不均匀性，采用等权累加导致无法精确剥离非冰雹区干扰，难以满足高精度的定点定量预警需求。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：识别多依赖单一反射率或垂直累积液态含水量阈值，未结合粒子相态的空间演变，虚警率较高，引入闪电数据的方法多停留在简单频次或位置参考层面，未挖掘闪电放电点与冰雹风险场的三维空间拓扑关联，缺乏动态网络建模，常规垂直累积液态含水量算法未考虑冰雹空间风险分布的不均匀性，采用等权累加导致无法精确剥离非冰雹区干扰，难以满足高精度的定点定量预警需求。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，获取配准后的双偏振雷达三维体扫数据和三维闪电定位数据，计算三维空间网格内各个格点属于霰粒子相态的后验概率，基于后验概率提取冰雹风险场；

4、步骤s2，从三维闪电定位数据中提取云闪放电点作为触发事件，将落入所述冰雹风险场内的触发事件标记为有效锚点；

5、步骤s3，将所述有效锚点和冰雹风险场中除有效锚点外的格点作为无向图的节点，基于后验概率计算无向图中各个无向边的边权值，并对无向图中的各个节点进行权重传播与更新，生成空间权重场；

6、步骤s4，计算双偏振雷达三维体扫数据中各个格点的液态含水量，并与空间权重场中对应格点的归一化权重值进行乘积运算得到修正型液态含水量，沿垂直方向对同一水平位置上各个格点的修正型液态含水量进行累加求和，得到各个水平位置的修正型垂直累积液态含水量；

7、步骤s5，基于所述修正型垂直累积液态含水量确定冰雹预警落区和预冰雹预警等级指标，生成预警信息。

8、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述步骤s1具体包括：

9、利用预设空间分辨率对目标探测区域进行三维网格划分，得到三维空间网格矩阵；

10、将所述三维空间网格矩阵中的最小空间单元作为格点；

11、获取双偏振雷达三维体扫数据和三维闪电定位数据，将所述双偏振雷达三维体扫数据的极坐标转换为大地坐标，并将所述三维闪电定位数据转换为与所述三维空间网格矩阵相同的大地坐标；

12、将转换后大地坐标对应的双偏振雷达三维体扫数据和三维闪电定位数据分别映射至所述格点，生成配准后的双偏振雷达三维体扫数据和三维闪电定位数据；

13、将配准后的双偏振雷达三维体扫数据中的差分反射率、差分相移率、相关系数和水平反射率，作为双偏振参数；

14、将所述双偏振参数输入预设模糊逻辑分类器计算各个格点属于霰粒子相态的隶属度；

15、对所述隶属度进行归一化处理，得到各个格点的后验概率；

16、基于所述后验概率提取冰雹风险场。

17、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述基于所述后验概率提取冰雹风险场具体包括：

18、将后验概率大于预设第一概率阈值的格点作为候选格点；

19、遍历所述三维空间网格矩阵，提取各个候选格点在空间上存在公共面的相邻候选格点；

20、将相邻候选格点合并为连通域；

21、将体积大于预设体积阈值的连通域作为冰雹风险场。

22、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述步骤s2具体包括：

23、提取配准后的三维闪电定位数据中云闪放电点的三维坐标，将所述云闪放电点作为触发事件；

24、将所述冰雹风险场中各个格点的经度范围、纬度范围和高度范围，作为三维坐标范围；

25、提取三维坐标位于所述三维坐标范围内的触发事件，作为目标触发事件，并将所述目标触发事件的三维坐标所在的格点作为目标格点；

26、若所述目标格点的后验概率大于预设第二概率阈值，则将所述目标格点对应的目标触发事件标记为有效锚点。

27、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述步骤s3具体包括：

28、将各个有效锚点所在的格点作为锚点节点，并将所述冰雹风险场中除所述锚点节点外的剩余格点作为普通节点；

29、将所述冰雹风险场内在空间上存在公共面的任意两个节点作为相邻节点；

30、在所述相邻节点之间建立无向边连接，得到无向图；

31、将预设第一初始值作为无向图中各个锚点节点的初始锚点权重；

32、将预设第二初始值作为无向图中各个普通节点的初始普通权重；

33、基于所述后验概率计算无向图中各个无向边的边权值；

34、基于所述边权值对所述无向图中的各个节点进行权重传播与更新，得到各个节点的目标权重；

35、对所述目标权重进行最大最小归一化处理，得到归一化权重值；

36、基于所述无向图中各个节点的归一化权重值，生成空间权重场。

37、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述基于所述后验概率计算无向图中各个无向边的边权值具体包括：

38、遍历所述无向图中的各个无向边，并将当前无向边连接的相邻节点的后验概率进行乘积计算，得到乘积结果；

39、将乘积结果作为当前无向边的边权值。

40、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述基于所述边权值对所述无向图中的各个节点进行权重传播与更新具体包括：

41、基于所述边权值，将所述锚点节点的初始锚点权重向相邻的普通节点进行迭代传递；

42、在每次迭代中，计算当前迭代次数下各节点更新前后的权重差值绝对值；

43、当所述权重差值绝对值小于预设收敛阈值，或当前迭代次数大于或等于预设最大迭代次数时，停止所述迭代传递；

44、当所述权重差值绝对值大于或等于预设收敛阈值，且当前迭代次数小于预设最大迭代次数时，继续进行下一次迭代传递；

45、提取停止迭代时所述无向图中各个节点的当前权重，作为目标权重；

46、所述迭代传递具体包括：

47、针对所述无向图中的普通节点，将普通节点连接的各无向边的边权值，与对应相邻节点的当前权重分别进行乘积后求和，将求和结果除以普通节点连接的所有无向边的边权值之和得到商值，将所述商值作为普通节点更新后的权重；

48、针对所述无向图中的锚点节点，保持当前锚点节点的初始锚点权重不变。

49、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述步骤s4具体包括：

50、读取所述双偏振雷达三维体扫数据中各个格点的水平反射率因子；

51、将所述水平反射率因子代入预设含水量经验公式，计算得到各个格点的液态含水量；

52、将各个格点的液态含水量与空间权重场中对应格点的归一化权重值进行乘积运算，得到各个格点的修正型液态含水量；

53、沿垂直方向对同一水平位置上各个格点的修正型液态含水量进行累加求和，得到各个水平位置的修正型垂直累积液态含水量。

54、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述步骤s5具体包括：

55、将修正型垂直累积液态含水量大于预设含水量阈值的水平位置作为预警位置；

56、将存在公共边的相邻预警位置合并为二维连通区域；

57、计算各个二维连通区域的面积；

58、提取面积大于预设面积阈值的二维连通区域的外边缘轮廓；

59、将外边缘轮廓包围的水平区域作为冰雹预警落区；

60、基于所述修正型垂直液态含水量的数值确定冰雹预警等级指标，并生成包括所述冰雹预警落区和所述冰雹预警等级指标的预警信息。

61、作为本发明所述的基于雷达与闪电数据分析的冰雹定点定量识别预警方法的一种优选方案，其中，所述生成包括所述冰雹预警落区和所述冰雹预警等级指标的预警信息具体包括：

62、遍历冰雹预警落区内的各个水平位置，提取各个水平位置对应的修正型垂直累积液态含水量的最大值；

63、基于预设映射关系表，在所述预设映射关系表中查找与所述最大值对应的冰雹直径区间；

64、输出所述冰雹直径区间对应的等级标签，作为冰雹预警等级指标；

65、获取所述冰雹预警落区的外边缘轮廓的经纬度坐标集合，并获取所述冰雹预警等级指标对应的预警颜色代码和预警文字描述；

66、将所述经纬度坐标集合、所述预警颜色代码和所述预警文字描述进行数据封装，生成预警信息。

67、本发明的有益效果：本发明通过构建基于闪电触发机制与无向图权重传播的三维空间动态网络模型，实现了冰雹风险场与闪电放电点的深层空间拓扑关联，有效克服了传统方法仅依赖单一阈值或简单闪电频次参考导致的虚警率高的问题，显著提升了冰雹核心区识别的精准度，将图传播生成的空间归一化权重引入垂直累积液态含水量的计算，突破了常规算法等权累加的局限，精准剥离了非冰雹区的液态水分干扰，实现了冰雹强度的定量修正，在现实气象防灾减灾应用中，使冰雹预警从宏观模糊的区域提示升级为高精度的三维定点落区与等级量化预报，直接为农业减灾、城市应急及交通保障提供更加精准的决策支撑，大幅降低了虚警带来的社会应对成本，有效提升了强对流冰雹灾害的精细化防范能力。