多普勒天气雷达回波数据可视化技术研究

发布时间：2020-08-08 19:09

【摘要】：近年来,大量相关科学技术投入到气象领域。其中,多普勒天气雷达是目前探测中小尺度对流天气系统的重要观测工具之一,可帮助气象人员对强对流天气做出准确及时的分析和判断,降低气象灾害造成的经济损失。随着我国静止轨道气象卫星的升级换代,如何在有限时间内从探测的海量气象数据中汲取有价值的信息,并将枯燥晦涩的数据转换成直观的图形或图像,对气象工作者是一项严峻的挑战。目前,在现有发展成熟的多普勒天气雷达业务系统中,雷达回波数据常以简单且直观的二维平面图像进行展示,严重约束对雷达回波细节、空间三维轮廓结构分布的显示。纵观现有少量的雷达三维可视化研究,学者大多都采用具有局限性的常规栅格作为三维重建的框架模型。其局限性体现在两方面:其一插值计算消耗内存资源,降低处理效率;其二插值后的数据量剧增,导致后续处理涉及更多数据点。此外,多普勒天气雷达一次完整的体积扫描不仅能探测气象目标,也能探测到地物、飞鸟和昆虫等非气象目标,因此,为了提高回波数据的准确性,有必要对非气象目标进行过滤。基于此,本文面向多普勒天气雷达回波数据可视化研究,主要工作和成果如下:1.分析天气雷达体扫数据的特点,分析多种把雷达数据从极坐标插值到笛卡尔坐标系下的插值方法,以反射率场空间连续性和结构特征为衡量标准,评估了各种插值方法的优劣,结果发现基于光谱分析的傅里叶插值法效果最优,最接近观测值。2.针对原始栅格三维可视化的低效率,提出了一种新的基于“点、线、扇区、雷达簇”结构的雷达建模方案。基于新建模方案,本文将雷达体扫资料中的正立方体替代为六面体单元,并通过比较等值线交点与四边形顶点解决面二义性改进传统等值面算法。与传统MC算法相比,本文算法具有解决面二义性、减少体素数量和提高重建速度等优点。3.基于雷达建模方案,利用引入“锥帽体”包围盒、修改采样结束条件和采用变步长采样法来加速并改进光速投射算法。与GPU加速的光线投射算法对比,本文算法不仅能够保证图像绘制的质量,而且降低了首屏绘制和用户视点改变时重绘的耗时,提高绘制速度。4.介绍雷达回波的特征,通过对预处理后的雷达回波点计算水平纹理、垂直梯度和径向速度,识别并剔除回波数据中存在的非降水回波,最后利用上层仰角回波数据填补并平滑“回波空洞”,提高算法识别的效果。本文基于雷达数据特征,提出一种新的建模方案,结合回波质量控制算法,能高效且准确地对雷达回波进行二、三维可视化,为气象预测提供重要的依据。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN959.4
【图文】：

示意图,等值面,三维重建,示意图

多普勒天气雷达回波数据可视化技术研究单和不存在二义性问题等优点，但同时体素的剖分替换直接导致三角面片数加，创建效率降低。基于体数据是由若干层平行切片构成的特点，Ekou[5]和 Fu出了轮廓拼接的算法，首先连接每一层切片数据点使形成闭合的轮廓，然后垂直连接上下相邻两层连接好的轮廓线，直到遍历所有层级完成面的绘制。，Herman 提出了 Cuberille 算法，首先将体数据分为主信息和背景数据，然后信息数据的每一个采样点构建体素单元，基于 Z-Buffer 算法判断面投影到计屏幕后的遮挡关系，完成等值面的构建。近年来，国内外学者纷纷将基于面绘制的三维重建算法应用在各个邻域，图 1-1A 为基于多面体的体素腰椎截面图[7]，1-1B 为基于等值面的大脑三维重果图[8]：

剖面图,软件系统

点阵模型和立体空间点阵模型，实现雷达扫面数据的]。基于福建省三维模拟地形，吴陈锋等首先建立了多架，并详细阐述其中坐标转换、地图投影、自动预警]。骆兴江开发了一套集实时回波实现，雷达远程、危达软件系统，该软件具有功能丰富、界面友好、系统[25]。毛远翔和路明月等结合 Web 与雷达气象数据三维维计算分析和三维可视化渲染，并提出矢量剖面图生足气象工作者分析需求且能实现业务化运行的天气雷包括 IRIA 软件和 GRLevelX 软件。前者由 VAISALA适用多普勒天气雷达，也适用非多普勒天气雷达。IR等子系统，而且提供了各种雷达产品的生成与用户交ftware 软件公司研制的 GRLevelX 天气雷达数据分析软检测降水、强风暴、龙卷风和热带气旋的，并可将实风暴追踪者、风暴观测者、应急管理人员、天气爱好致认可。下图1-2为GRLevelX软件对一次暴风雨的三

数据排列,天气雷达,径向,放大图

多普勒天气雷达回波数据可视化技术研究系存储雷达回波信息最合适。通常，体扫数据包括多个不同仰I 包含当前仰角上 360 个方位角的径向数据。雷达的每条径向上固定长度的数据单元，每个数据单元称为“库”。假设单个雷标为 ( r , , )，其中r 为库长距离，为仰角，为方位角，下的一条径向数据排列及数据点坐标。

【参考文献】