基于天气雷达数据的强对流三维流场描述与应用研究

作     者：顾恺 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王萍

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：多普勒雷达 强对流天气 三维流场 表面重建 曲面匹配 三维可视化 VTK 

摘      要：强对流天气一直是天气预报与分析中的难点和重点。它突发性强、破坏力大,对人民财产与人身安全构成很大威胁。强对流天气是由空气的剧烈的垂直运动而导致的,以上升和下沉气流为主。本文基于多普勒天气雷达数据,旨在描述出强对流天气的三维流场。在相邻体扫时刻同一降水物粒子的反射率因子基本不变的假设下,通过曲面匹配获得了三维流场各粒子的位移向量,从而近似描述出强对流天气的三维流场。本文的主要工作可以归纳如下:(1)对多普勒天气雷达数据进行预处理:通过单体分割提取单体后,对九个仰角的反射率因子数据进行双线性插值,获得七十层的三维反射率因子格点数据。(2)对反射率因子大于阈值的点云进行表面重建:对于反射率因子大于等于阈值的点云进行去噪处理,之后对点云尝试了两种曲面重建方法:Delaunay三角剖分和Marching Cubes方法。通过本文设计的评价曲面重建效果的指标,结合一些测试案例,比较了两种方法的优劣。(3)通过一种新的曲面匹配方法来描述强对流天气的三维流场:本文提出了一种新的基于融合法向量特征与曲率特征的、精确到点对点的曲面匹配方法。除此之外,本文还设计了一个“相对坐标向量,进行匹配区域的限制。最终把欧式距离作为相似性度量实现了曲面间的匹配,组成“匹配点对。对于每组“匹配点对,通过两点间的坐标差获得这一降水物粒子在两个相邻体扫时刻的间隔内的三维位移向量。对于这些位移向量,本文通过VTK,三维可视化出这些位移向量,可以方便气象预报人员多角度直接观察强对流天气的各个时刻的三维流场,也可以给出定量描述。另外,本文通过模拟数据进行曲面匹配效果的测试。(4)基于三维流场描述的两种应用研究:基于本文的通过曲面匹配方法描述三维流场的方法,进行了两个方面的应用研究:印证了本文方法具有揭示对流单体“三阶段发展规律的能力,并进行了三维雷达回波外推的初步尝试。