天氣雷達(dá)產(chǎn)品色標(biāo)的改進(jìn)

天氣雷達(dá)產(chǎn)品色標(biāo)的改進(jìn)

0產(chǎn)品色標(biāo)的選擇的意義目前，天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)在短期報警、臺風(fēng)分析、數(shù)值同源性研究等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮著重要作用。目前,國內(nèi)的天氣雷達(dá)主要由四個廠家生產(chǎn),各個廠家雷達(dá)產(chǎn)品色標(biāo)的不同給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來諸多不便。因此,研究一套適應(yīng)性強、效果好的產(chǎn)品色標(biāo)具有實際意義。本文首先探討了國內(nèi)雷達(dá)廠家色標(biāo)的配置規(guī)律,針對不足之處,提出了兩種改進(jìn)色標(biāo),并運用實例對改進(jìn)色標(biāo)的效果進(jìn)行對比分析。1基本產(chǎn)品的顏色配置規(guī)律選取國內(nèi)四個雷達(dá)廠家(簡稱A、B、C、D)的基本產(chǎn)品色標(biāo)作為色標(biāo)配置規(guī)律的探討對象,得到了基本產(chǎn)品色標(biāo)有如下配置規(guī)律。1.1色標(biāo)區(qū)間的間隔強度色標(biāo)的區(qū)間范圍必須涵蓋雷達(dá)所能探測的反射率因子范圍,在-5dBz~70dBz;色標(biāo)數(shù)量均在16色左右(含背景色);色標(biāo)區(qū)間的間隔一般取值為5dBz,但在強度低值或高值區(qū),也可采用較大的區(qū)間間隔(如:B是0~10dBz,C和D是60dBz~70dBz);色標(biāo)的顏色選取遵從冷色向暖色過渡,表征強度值的遞增,色調(diào)包含藍(lán)、綠、黃、紅、紫色系。1.2重復(fù)脈沖頻率prf的限制速度色標(biāo)以零為對稱點的正負(fù)雙向取值,正速度代表了目標(biāo)物遠(yuǎn)離雷達(dá),負(fù)速度代表了目標(biāo)物靠近雷達(dá),色標(biāo)的最大值受到重復(fù)脈沖頻率(PRF)的限制;色標(biāo)的數(shù)量也為16色左右;色標(biāo)區(qū)間間隔低值區(qū)和高值區(qū)可采用不等間距,但在中值區(qū)一般采用等間距;因雷達(dá)探測的誤差,理論上的零速度值以接近零的小區(qū)間代替;色標(biāo)的取色也均遵從冷色向暖色過渡,代表了速度值由最大負(fù)速度到零再到最大正速度的遞增,色調(diào)包含藍(lán)、綠、黃、紅色系,零速度區(qū)間則以白色或灰色表示。1.3譜寬色標(biāo)配置規(guī)律譜寬色標(biāo)的區(qū)間范圍設(shè)為0~15m/s,即可滿足需求;色標(biāo)數(shù)量也為16色左右;色標(biāo)的區(qū)間間隔一般采用等間距;4個雷達(dá)中,B、C和D的譜寬色標(biāo)顏色與反射率的色標(biāo)顏色完全相同,說明譜寬色標(biāo)的配置可以參考反射率色標(biāo)的配置,可減少使用人員對色彩信息的負(fù)擔(dān)量。目前,四個廠家的基本產(chǎn)品色標(biāo)在配置方法和原理上基本一致,但仍存在一些差異和不足,例如:在同區(qū)間顏色的選擇上,存在一定差異;速度和譜寬的色標(biāo)間隔存在差異;零速度區(qū)間取值不同;色標(biāo)的區(qū)間分配和取色上仍存在著不足和差異。2色標(biāo)改進(jìn)原則為了能使得雷達(dá)產(chǎn)品圖像能更科學(xué)、更有效地為預(yù)報人員使用,按照災(zāi)害性天氣強度標(biāo)準(zhǔn),仿照交通信號燈的“綠燈行、黃燈緩、紅燈?！钡幕驹O(shè)想,確定了色標(biāo)改進(jìn)應(yīng)該滿足的基本原則:在強度上,用不同的色標(biāo)來區(qū)分水汽、層狀云、對流云、強雷暴和冰雹;在速度上,通過零速度線可以判別風(fēng)向、層結(jié)穩(wěn)定度、輻合輻散等。且色標(biāo)區(qū)間范圍還需根據(jù)可測最大速度值確定。在譜寬上,需要通過大值、突變來表現(xiàn)強湍流和切變。基于上述原則,本文在廠家雷達(dá)色標(biāo)的基礎(chǔ)之上,對三種基本產(chǎn)品的色標(biāo)方案進(jìn)行了改進(jìn),并設(shè)定了經(jīng)典型(E)和精細(xì)型(F)兩種方案。2.1強度和速度色標(biāo)如圖1所示,強度色標(biāo)范圍設(shè)定為-5dBz~70dBz,70dBz以上單獨用一色標(biāo)。考慮到陣風(fēng)鋒等弱回波,低值區(qū)間間隔不宜過大,考慮到層云、混合云和對流云要突出強回波中心,中/高值的區(qū)間間隔也不宜過大。因此,-5dBz~60dBz區(qū)間間隔定為5dBz,60dBz~70dBz區(qū)間間隔定為10dBz。強度色標(biāo)的不同顏色代表了不同的探測目標(biāo)物,藍(lán)色系代表了水汽及薄云回波、綠色系代表了層狀云回波、黃色系代表了對流云回波、紅/紫色系代表了雷暴及強雷暴回波中心。因此將強度色標(biāo)分為四段,其中-5~15dBz為藍(lán)色系,15~30dBz為綠色系,30~45dBz為黃色系,45~>70dBz為紅/紫色系。藍(lán)色系呈“深→鮮→淡”過渡(背景色為黑色),綠、黃、紅/紫色系則呈“淡→鮮→深”過渡,每種色系的具體顏色如圖1所示,圖中R、G、B分別為目標(biāo)顏色的紅、綠、藍(lán)分量。2)速度色標(biāo)在實際業(yè)務(wù)中,天氣雷達(dá)可采用不同的PRF進(jìn)行探測,但PRF又制約了雷達(dá)最大可測速度。因此,速度色標(biāo)的范圍應(yīng)隨PRF動態(tài)變動,如圖2所示,V單脈沖式中:PRF為單脈沖的脈沖重復(fù)頻率。雙脈沖式中:V3)譜寬色標(biāo)利用譜寬產(chǎn)品可判斷速度劇烈變化的區(qū)域、湍流和風(fēng)切變等。譜寬色標(biāo)范圍也應(yīng)隨PRF動態(tài)變動,如圖3所示,本文譜寬色標(biāo)范圍定為:0~V2.2典型相臨色標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換精細(xì)型色標(biāo)提供了更為精細(xì)顏色,本文利用余弦插值法對經(jīng)典型的三種基本產(chǎn)品色標(biāo)進(jìn)行插值,被插值的對象為相鄰近的色標(biāo),如式(3)~式(6),F、E為起始和終止顏色,將從F到E的實際需要表達(dá)的屏幕像素長度歸一化為1,則所有中間位置值P∈[0,1],本文P取值為0.5,α為插值系數(shù),R、G、B分別為目標(biāo)顏色的紅、綠、藍(lán)分量。以強度色標(biāo)為例,從圖4可以看到,經(jīng)典型相臨色標(biāo)之間重新增加了一種漸變色,色標(biāo)數(shù)量增加,整體顏色過渡更加平滑,特別是兩種不同色系之間,重新增加了一種混合色(如圖中的8、14、20、26)有利于減緩兩種色系轉(zhuǎn)變時的跳躍性。精細(xì)型的速度色標(biāo)和譜寬色標(biāo)以同樣方法插值。3種色標(biāo)方案的對比為了驗證兩種改進(jìn)色標(biāo)(經(jīng)典型E和精細(xì)型F)的雷達(dá)圖像效果,本文通過具體個例對6種色標(biāo)方案(A、B、C、D、E、F)進(jìn)行對比。3.1反射率低值區(qū)反射率分布不均勻,容易分辨,很容易分辨圖5紅色箭頭所指為陣風(fēng)鋒的“窄帶回波”,對比6張圖像,可以發(fā)現(xiàn),圖像a~d中窄帶回波均不明顯,不易分辨,而圖e、f都可以較清晰地分辨出該窄帶回波,說明改進(jìn)后的兩種色標(biāo)在反射率低值區(qū)比其他四種色標(biāo)更具優(yōu)勢。從圖中還可以看出,在雷達(dá)站附近及南側(cè)存在兩塊較大對流云回波,圖e、f比a-d中的對流云回波從外圍到中心,顏色過度更加明顯,層次感更強,強回波中心更加突出。3.2零速度線的特點圖6為一次暖平流的速度圖像,對比圖6a)~圖6f)可以看出零速度區(qū)間大小對零速度線的辨別有較大影響,色標(biāo)A的零速度區(qū)間為[-1,1],間隔過大,造成零速度線過寬;色標(biāo)B、C的零速度區(qū)間分別為[-0.2,0.2]和[0,0],區(qū)間過小,造成零速度線無法識別;色標(biāo)D、經(jīng)典型E和精細(xì)型F的零速度區(qū)間均為[-0.5,0.5],但色標(biāo)D零速度區(qū)間的上下區(qū)間色標(biāo)為鮮黃和鮮綠,兩種顏色造成了零速度線(白色)不易辨別,而經(jīng)典型E和精細(xì)型F的色標(biāo)均能較好地看到零速度線,且零速度線的寬度也較為合理。從圖中還可以看到,在雷達(dá)站東北-西南向還存在著對稱的極大風(fēng)速區(qū)。對比a)~f)圖像可以看出,隨PRF動態(tài)變化的速度色標(biāo)區(qū)間e)和f)比固定的色標(biāo)區(qū)間a)~d)效果明顯要好。同時,極大風(fēng)速區(qū)的速度值超過了最大可測速度,因此出現(xiàn)速度模糊現(xiàn)象,經(jīng)典型E的速度圖像顏色過渡明顯,正負(fù)速度區(qū)視覺對比強烈,也能有效地分辨出速度大值區(qū)及速度模糊區(qū),而精細(xì)型F的圖像色標(biāo)更加精細(xì),外圍到中心的顏色過渡更加平滑。圖7為六種色標(biāo)的垂直風(fēng)切變和逆風(fēng)區(qū)的RHI圖像,可以看出,在3km高度處存在明顯的垂直風(fēng)切變(白色箭頭所指),在5km高度處存在逆風(fēng)區(qū)(白色圈出),對比a)~f)張圖像,可以看出改進(jìn)后的色標(biāo)e)、f)可以明顯地分辨出垂直風(fēng)切變,說明在色標(biāo)顏色的選取上e)、f)比a)~d)更具優(yōu)越性;對于逆風(fēng)區(qū),a)的零速度區(qū)間過寬(為[-1,1])導(dǎo)致了逆風(fēng)區(qū)消失,b)、c)、d)的零速度區(qū)間上下色標(biāo)顏色對比性不強,因此逆風(fēng)區(qū)的視覺效果也較差,而e)、f)均能較好較清晰地分辨出逆風(fēng)區(qū),說明零速度區(qū)間設(shè)置在[-0.5,0.5]是較為合理的,且改進(jìn)后零速度區(qū)間上下色標(biāo)的選取比較理性,在視覺上占據(jù)優(yōu)勢。3.3第5條中[5.4,7.4]的邊緣圖8為陣風(fēng)鋒的譜寬場圖像,圖中白色箭頭所指為陣風(fēng)鋒鋒線位置,可以看出在a)、c)、d)、e)、f中均能比較清晰顯示出一條弧線狀的邊緣,而b)中這條弧線狀不明顯,原因是由于b)中[5.4,7.4]的色標(biāo)間隔過大;對于大譜寬區(qū),c)、d)、e)和f)的顏色比a)、b)明視度更強,更容易在視覺上引起預(yù)報員的重視;對于小譜寬區(qū),改進(jìn)后色標(biāo)e)、f)的圖像明顯比a)~d)過渡性要強,說明,隨譜寬值遞增,顏色呈“深藍(lán)→藍(lán)→淡藍(lán)→淡綠→綠→深綠”的過渡會使圖像的效果更加理想。4驗色標(biāo)改進(jìn)效果本文首先探討了國內(nèi)天氣雷達(dá)產(chǎn)品色標(biāo)的配置方法與規(guī)律,根據(jù)天氣分析的需要,結(jié)合交通信號啟示,并從不足之處入手,提出了經(jīng)典型和精細(xì)型兩種基本產(chǎn)品的改進(jìn)色標(biāo);最后,運用具體實例例對六種色標(biāo)方案的圖像效果進(jìn)行對比,檢驗色標(biāo)改進(jìn)后的效果,得到了如下結(jié)論:(1)改進(jìn)后的強度色標(biāo)可以使回波外圍到中心的過渡性增強,使對流云的強回波明視度增高、強回波中心突出,可以增強陣風(fēng)鋒弱回波的辨識度。(2)改進(jìn)后的速度色標(biāo)范圍隨PRF動態(tài)變化,可以較好顯示出不同PRF下速度圖