基于多尺度小波边缘检测的对流降水和闪电的分析

摘要

对流降水和闪电有着很好的相关性,在一些地形复杂或人烟稀少的地区,雨量筒不够密集,雷达受盲区限制且造价昂贵,卫星分辨率低,通过闪电和地面降水关系的研究,可以使用闪电对降水进行估算,避免因强降水造成比如洪灾、泥石流等地质灾害,对提高灾害性天气预警水平提供一种新的手段和补充.本文借鉴小波分析的边缘提取理论并加以改进,实现基于多尺度小波边缘检测的对流云回波有效识别,并反演对流降水进而分析与闪电的相关关系.(1)首先对天气雷达反射率因子基数据进行预处理,采用临近和线性的混合插值方法内插到直角坐标系下的网格上,格点的分辨率为1km×1km.在每个格点的垂直方向上选最大的强度值投影到底层格点上.(2)对雷达反射率因子数据进行多层小波变换,计算各层的模极大值,提取小波变换各层中沿水平方向和垂直方向的小波系数,由公式计算相应位置的模值和幅角.(3)对各层进行单尺度自适应块阈值和非模极大值抑制边缘检测思想进行图像处理,得到各层的图像Edgej,并对其归一化处理.(4)第J层进行小波二维图像重构:三个高频分量用Edge替换,然后与低频分量进行小波图像重构后,对各元素求模,归一化处理后得到该层图像IMJ.(5)将IMJ带入J-1层替换该层的三个高频分量,与该层低频分量进行图像重构后带入前一层替代高频分量并进行图像重构直至第一层,则该层得到的重构图像即为边缘图像.(6)由于噪声的存在,对边缘图像进行自适应块阈值化和中值滤波后并进行填充,得到多尺度小波边缘检测出的对流云雷达回波图像.采用合肥雷达站的对流云降雨Z=300I1.4关系反演每6min一次的对流降水量;(7)与雷达数据时间对应,选取相应的时段,0~5min,6~11min并以此类推,统计每一时段内的闪电频数.对南京2009年7月6日到7日一次强雷暴降水过程中对流降水和闪电的关系进行个例分析,选取对流活动较剧烈的22:00~1:00这180min,统计每个6min时间间隔内的闪电频数和降水强度及总降水量并进行相关分析,计算得到RPF的范围在7.47×107~4.46×l08kg,平均值为1.72×l08kg.通过非线性回归近似拟合可以得到南京地区这一时段对流性天气中降水强度、总降水量和与对应时段内闪电频数的回归方程为:I=1.728lnF+1.122,r=0.8044;Q=2.372lnF+3.378,r=0.7355.式中I为降水强度,Q为总降水量,F为闪电数,r为相关系数.