一种天气雷达组网探测覆盖面积的计算方法.pdf
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1、第 卷第 期 年 月广 东气 象 收稿日期:项目基金:广东省重点领域研发计划项目资助()作者简介:周嘉健(年生),男,硕士,主要从事大气探测与大气遥感工作。:周嘉健,曾慧明,邹庆彪,等 一种天气雷达组网探测覆盖面积的计算方法 广东气象,():一种天气雷达组网探测覆盖面积的计算方法周嘉健,曾慧明,邹庆彪,徐黄飞(广东省气象数据中心,广东广州 )摘要:为了有效提取雷达组网探测范围的外围包络图和覆盖面积,利用内点剔除法提取多台雷达组网后的不规则图形外围包络图,再用逐点排序法按一定排序重构不规则图形外围包络点使其构成一个闭合图形,最后利用梯形积分法计算闭合的不规则图形的面积;考虑了地图的边界对探测范围
2、的影响,将边界以外的探测范围剔除,使计算面积更为准确。基于 界面化设计工具,搭建了“雷达组网探测覆盖面积智能计算平台”,在广东省地区开展仿真试验及实例应用,实现对多台雷达组网探测覆盖范围的展示和面积计算,提高雷达覆盖范围计算效率,而计算结果可供雷达在部署建设前和建设后的覆盖范围进行评估和参考。关键词:大气探测与仪器;天气雷达组网;覆盖面积中图分类号:文献标志码:天气雷达是目前在雷暴、短时强降水和热带风暴等灾害性强对流天气过程监测中起重要作用的观测手段之一 。天气雷达组网是对一定范围内的多部雷达探测范围进行有机地集成,使其形成一个覆盖范围更广的探测区域 。在关于 粤港澳大湾区(广东部分)气象发展
3、三年行动计划(年)的通知 中提及到在广东省粤港澳大湾区中将要构建突发天气精密监测网络,在大湾区布局建设 部 波段双极化相控阵天气雷达。因此,雷达组网探测区域的大小不仅是直接衡量雷达组网探测性能优劣的重要参数之一,还是衡量突发天气精密监测能力的重要指标。目前雷达组网覆盖面积计算方法已有一些研究基础,崔荣华 基于 软件计算覆盖面积值;吴信才 提出通过数字地图将雷达网的覆盖区域进行网格划分,通过计算区域内的网格数求得雷达网的覆盖面积,该方法计算精度较高,但数字地图的实时更新及获取较困难;帕夫利迪斯 提出边缘扫描法,该方法首先指定雷达覆盖区域的外包络为一种特殊颜色,再逐行扫描,保留颜色相邻的点,最后通
4、过屏幕坐标与直角坐标的转换,计算出雷达网的实际覆盖面积,该方法只对偶数包络点实用,计算复杂,且缺乏通用性;戴凌燕等 在边缘扫描法的基础上提出逐点判断法,通过计算圆周上各点到其他雷达中心距离来判断该点是否在区域重叠处,从而绘制出雷达网的探测外包络,但该方法获取雷达网探测外包络图形复杂,且存在边缘扫描法的缺陷。针对以上的不足,本研究利用雷达组网外围包络图形法和利用内点剔除法获取多台雷达组网后的不规则图形外围包络,并利用逐点排序法重构不规则图形外围包络图,令重构后包络图的点可以构成一个闭合图形,再利用梯形积分的方法对闭合的不规则面积进行积分计算,该方法可提高雷达覆盖范围计算效率。最后利用 界面化设计
5、工具搭建“雷达组网探测覆盖面积智能计算平台”(简称平台),并先在广东省地区开展仿真试验及实际应用。算法介绍 内点剔除法本研究假设雷达观测区域为一个正圆,其圆心为雷达所在的经纬度(),圆半径为雷达探测范围(),多个雷达区域之间的关系(多个圆的关系)存在相离、相切、相交和包含关系。当多个圆之间为相交关系时,每个圆均有一部分点(简称内点)会落入组网包络中,在展示中需要把内点剔除,仅展示组网外围包络图。其算法如下:()假设各雷达观测区域是正圆形,则各圆心坐标记为(,),(,),其中 表示第 个圆。()各雷达观测区域是由 到 所构成的正圆形,圆周均分为 份(分割越细,精度越高,但计算速度越慢)。各圆周上
6、的每个点横纵坐标可依次表示为(,)()()和(,)()(),其中 表示第 个圆,表示第 个点(,),()是第 个圆的半径,和 为第 个圆的圆心。例如第 个圆的坐标点数组可以表示为 (,),(,),(,),(,),(,),(,),其余的圆依此类推。()对每个圆构成的数组进行拼接构成所有圆的合数组 ,表示如下:,(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,)()然后将数组 中的个数值与各圆心进行距离计算,公式为,(,)(,)槡()其中,(,)为第 个点距第 个圆的圆心距离,因此可以将各计算结果构成数值矩阵,如下所示:(,),(,),(
7、,),(,)(,),(,),(,),(,)(,),(,),(,),(,)(,),(,),(,),(,)()若距离 该圆半径,则表示该点在该圆内,称之为内点,同时索引出其位置。在计算中需要考虑到当圆的个数个后,有部分内点是多个圆的共同点,所以需要对索引得到位置信息进行重处理。()将圆的合数组 中内点剔除即可将其外围包络图提出出来,效果图如图 所示。图 雷达组网外围包络示意图 原始图;外围包络图 逐点排序法由于每个圆的构成是通过 到 的序列构成,即每个圆的数组序列均从 到 ,这将导致外围包络点在连线时出现跳变点而导致不构成闭合区域,也无法正确的计算其面积。因此,本研究提出逐点排序法,利用该方法重构
8、在 节中获得的合数组 ,使合数组 的点按照一定的方向排序,最后让外围包络点的连线为一个闭合图形,为下一步的梯形积分法计算面积做预处理准备。该方法如下:()重新定义一个新变量,用于存储经过逐点排序法后的新序列。()从合数组 中的第 个点开始,依次将后一个点与前一个点进行距离计算,公式可参考公式(),并索引出距离最小值的点。()将第一步中索引到的最小值的点添加第 期周嘉健等:一种天气雷达组网探测覆盖面积的计算方法到新序列中,随后从合数组 中的第 个点开始,依次将后一个点与前一个点进行距离计算,并索引出距离最小值的点。()依次类推,循环第 和第 步过程,当从合数组 中的倒数第 个点开始时,该过程为最
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