基于多普勒雷达图像的降雨云团跟踪及外推技术研究

摘要

临近预报为描述现时天气状况和0~2小时的天气预报，它是一种预防紧急局部强风暴等灾害性天气的赋予社会经济效益的预报服务。灾害天气的短时临近预报和气象的自动预报业务一直是我国防灾减灾和提高气象预报质量的迫切需要，虽然我国在短时预报业务上已经取得了很大的进展，但是和国外先进技术相比还有不小的差距。
　　本文首先介绍了多普勒天气雷达的工作原理、结构和数据，反射率因子和降水强度之间的Z-R关系，分析了质心法以及衍生的SCIT和TITAN算法跟踪风暴单体的原理，研究了交叉相关法计算一般天气降水回波运动矢量场，针对回波迅速变化的情况，实验验证采用传统交叉相关法会产生无序矢量而基于差分图像的交叉相关法可以得到较一致的移动矢量，为改进交叉相关法在计算演变快的回波时的不足，本文引入了图像处理中的光流法，针对雷达图像间台风回波运动剧烈导致L-K光流约束条件无法满足的情况，采用金字塔分层技术改进L-K光流法实现图像间运动较大时的矢量计算，以上方法均用于雷达图像间矢量场计算为接下来的临近外推预报做基础。
　　本文随后研究了临近预报中的线性预报，针对线性预报中无法处理回波强度变化的情况，分析了根据质心位置反射率因子强度变化来进行线性外推的方法，实验验证方法可提高处于生消阶段回波的外推准确率。针对矢量场存在旋转的情况，采用二维二时间层半拉格朗日外推计算，同时改进实现策略，将计算起始点反射率因子插值次数降到一次，插值方法选为三次样条插值，在台风回波强度变化缓慢的情况下可以提高计算效率减少预警响应时间。
　　本文还实现了降雨云团的跟踪。预处理去掉雷达图像中短时间不会形成暴雨的区域，分割方法是采用一种基于区域的活动轮廓模型，它将水平集函数二值化然后进行高斯滤波平滑，避免了C-V模型中符号距离函数初始化复杂的计算，同时结合GAC和C-V模型实现局部分割和全局分割，分割得到平滑而有效的降雨区域边缘。跟踪是根据相邻时刻图像里降雨云团位置移动不大的特点，在区域重叠法的基础上加入面积项改进实现，可以实现多云团的跟踪，对云团的分裂合并，生成消失等情况均能有效跟踪。论文最后还讨论了降雨云团跟踪在分析未来天气和自动预报的运用，并展望了气象自动预报的发展前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究难点

1.4 本文的研究工作

第2章 多普勒雷达图像间矢量场计算

2.1 引言

2.2 多普勒天气雷达

2.3 质心法

2.4 交叉相关法

2.5 光流法

2.6 本章小结

第3章 多普勒雷达图像外推分析

3.1 引言

3.2 线性外推

3.3 曲线外推

3.4 本章小结

第4章 多普勒雷达降雨云团跟踪

4.1 引言

4.2 降雨云团演化过程

4.3 降雨云团的分割

4.4 降雨云团的跟踪

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

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