摘 要：本文給出了風暴單體識別算法及其在工程上實現(xiàn)的方法，采用限制遞歸法對同一層上的風暴分量進行識別，引入用STL的有關(guān)技術(shù)來進行數(shù)據(jù)處理，可同時兼顧識別效率和工程實現(xiàn)的便利性。

關(guān)鍵詞：風暴識別；工程實現(xiàn)

中圖分類號：TN959.4

氣象雷達在對中小尺度強對流性風暴造成的激烈天氣現(xiàn)象（比如冰雹、大雨等）的監(jiān)測中可以發(fā)揮很大的作用[1]。本文給出了根據(jù)雷達探測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行風暴體識別的算法以及在工程上實現(xiàn)的方法。

1 風暴單體識別算法

在氣象雷達的探測模式中有平掃（PPI）、高掃（RHI）和體掃（VOL），風暴單體識別是基于體掃探測模式產(chǎn)生的體掃基數(shù)據(jù)。這種體掃基數(shù)據(jù)由若干仰角層上的平掃數(shù)據(jù)組成，能夠反映該掃描體積內(nèi)的三維回波結(jié)構(gòu)。雷達氣象學上將反射率因子超過一定閾值，并且有一定連續(xù)區(qū)域的定義為風暴單體。風暴單體由一系列不同仰角層上相關(guān)聯(lián)的風暴分量組成，而風暴分量由同一仰角層上反射率滿足一定條件的方位相關(guān)的風暴段組成，風暴段是一維徑向上反射率因子大于一定閾值的連續(xù)區(qū)域。

2 工程實現(xiàn)方法

在工程上按照風暴段、風暴分量、風暴單體的順序?qū)A(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理。

2.1 風暴段識別

風暴段識別實現(xiàn)方法如下：

（1）從體掃數(shù)據(jù)第一層第一根徑向開始，沿著徑向開始搜索反射率因子大于閾值Dz的庫，記錄此庫以后連續(xù)滿足大于閾值條件Dz的庫，直到遇到小于閾Dz的庫出現(xiàn)。將記錄的符合條件的庫作歸入一個風暴段。依照此方法搜索遍歷完所有層所有徑向的庫，并記錄所有搜索到的風暴段；

（2）對于記錄的所有風暴段進行遍歷檢索，如果其長度（具體對應(yīng)庫的個數(shù)）小于特定閾值L，則將其刪除；

（3）對于經(jīng)過步驟（1）、（2）保留下所有段再次進行檢索，對于滿足以下1）和2）條件的風暴段進行合并：1）同屬于一根徑向；2）首尾距離相隔不多于2個距離庫。

對風暴段的識別完成，計算以下物理特征量為風暴分量的處理作準備：風暴段所在的方位角θ以及起始點位置rb；風暴段內(nèi)最大的反射率因子Zemax以及其所在徑向位置rmax ze；風暴段長度L和反射率因子權(quán)重長度Lze（如式（1）所示）；風暴段的幾何中心ro（如式（2）所示），反射率因子權(quán)重中心rzeo（如式（3）所示）；風暴段內(nèi)的最大徑向速度Vsmax和最小徑向速度Vsmin。

式中M為風暴段所包含的距離庫數(shù)，ri為第i個距離庫的徑向距離，Zei為第i個距離庫上的反射率因子值。

2.2 風暴分量識別

風暴分量識別實現(xiàn)方法如下：

對屬于同一仰角層的風暴段進行搜索，同時滿足以下三個條件的風暴段可以合并到同一個風暴分量中。

（1）合并到同一風暴分量中的風暴段必須相鄰，且相鄰的最大方位間距不能超過Az（取1°）；

（2）合并到同一風暴分量中的風暴必須首尾重疊，重疊距離不小于L（取1km）；

（3）風暴分量所包含的風暴段個數(shù)必須大于N個（取12）。

同一仰角層中，每根徑向上可能同時出現(xiàn)多個風暴段，而同一仰角層又有多條徑向，這就造成在進行分量識別時候情況較復(fù)雜。為了避免重復(fù)搜索而增大計算量，在風暴段的結(jié)構(gòu)體中加入了BOOL型bAdd字段，用于標示風暴段是否被搜索過。風暴分量結(jié)構(gòu)體中也加入了類似的字段，也是基于同樣的考慮。以下是利用限制遞歸法對風暴分量的工程實現(xiàn)步驟：1）從一個風暴段開始，搜索空間相鄰徑向上的可以組合成分量的風暴段（可能是多個），然后采用遞歸的形式，以搜索到的風暴段為開始繼續(xù)同樣的搜索，直到搜索結(jié)束，所有搜索到的符合條件的風暴段組合成一個風暴分量，對已經(jīng)搜索到的風暴段進行標記。2）對風暴段子模塊中搜索到的所有風暴段進行遍歷，如果該風暴段沒有被搜索過，則進行步驟1），直到遍歷完所有的風暴段。

需要計算或記錄以下各物理特征量，為風暴單體識別作準備：風暴分量內(nèi)最大反射率因子Zemax及其所在高度Hzemax（如式（4）所示，Hzemax是對地球表面而不是雷達站所在的X-Y平面），風暴分量內(nèi)最大最小速度Vmax、Vmin，風暴分量的幾何面積S（如式（5）所示）和反射率因子權(quán)重面積Sze率（如式（6）所示）。

式（5）中 是風暴分量內(nèi)Zemax所對應(yīng)的徑向距離，α是仰角，Rm是地球半徑。

式（5）和式（6）中M為風暴分量內(nèi)的風暴段數(shù)，Li、Lzei、Ri、Rzei、θi分別為第i個風暴段的幾何長度、反射率因子權(quán)重長度、幾何中心、反射率因子權(quán)重中心和風暴段的方位角。

2.3 風暴單體識別

風暴單體識別工程實現(xiàn)方法如下：風暴單體識別主要是基于對不同仰角層上垂直相關(guān)的風暴分量進行識別處理的。遍歷所有的風暴，找出相鄰仰角層的風暴分量進行處理。處理過程可以按以下步驟進行：

（1）以第一仰角層記錄的第一個風暴分量C1開始，搜索第二仰角層的風暴分量C2，若其反射率權(quán)重中心與C1水平距離小于R1，則C1、C2就作為垂直相關(guān)的風暴分量。以此方法遍歷所有層的所有風量，搜索出所有的垂直相關(guān)的風暴分量組合為一個風暴單體。

（2）按照步驟（1），遍歷所有未曾搜索過的風暴分量，找出所有風暴單體；

（3）對小于體積閾值V的風暴單體予以刪除，以排除噪聲小區(qū)域地物雜波的干擾。

3 工程實現(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計

風暴識別和分析需要處理較大的數(shù)據(jù)量，為了提高識別速度，除了上述的算法上的優(yōu)化外，在設(shè)計使用STL的有關(guān)技術(shù)來進行數(shù)據(jù)的處理。在識別過程有些元素的個數(shù)預(yù)先未知，這就需要用到動態(tài)數(shù)組或者鏈表。MFC的動態(tài)數(shù)組CArray，支持隨機查找，但在數(shù)據(jù)量較大，頻繁地進行刪除增加的情況下可能會使程序運行速度變慢。而MFC的CPtrList，由于不支持隨機查找，在查找的時候效率很低。STL的vector，可以預(yù)先申請空間，并且有函數(shù)可以得到實際存儲元素的個數(shù)，并且支持隨機查找，使用方便，且可以有效避免反復(fù)申請內(nèi)存而造成的程序效率低下。

參考文獻：

[1]張培昌.雷達氣象學[M].北京：氣象出版社，1985.

作者簡介：屈凱峰（1980.03-），男，安徽合肥人，工程師，碩士研究生，研究方向：雷達終端軟件和數(shù)據(jù)處理，

作者單位：安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088