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研究生:王閔毅
研究生(外文):Wang, Min-Yi
論文名稱:自動化分析雷達資料輔助定量預報颱風降雨之系統
指導教授:李天浩李天浩引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
中文關鍵詞:地形雜訊去除颱風中心估計風場摺疊處理
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中央氣象局的五分山雷達,是淡水河流域洪水預報人員掌握降雨發展趨勢的最重要觀測工具,但因雷達觀測資料有地面雜訊(ground-clutter)、距離模糊(range ambiguous)及徑向風速摺疊(radial velocity folding)的問題,因此雷達資料觀測品質的好壞,影響後續模式分析的結果甚鉅。本研究利用數值地形模型(Digital Elevation Model, DEM)資料,研擬去除地面雜訊資料的方法,並且開發地面雜訊輔助判斷的圖形使用者介面(Graphical User Interface, GUI),協助使用者視覺化判斷雷達回波是否為地面雜訊的工具;建立使用雷達回波資料決定颱風中心的算式;研擬還原都卜勒徑向風速摺疊的自動化程式;和開發視窗化作業環境與圖形展示介面,將算式程式和圖形展示整合在同一個操作平台上。
在去除地面雜訊的方法上,採取結合垂直遮蔽率的計算與抬高仰角方式的處理邏輯,修正雷達回波受地形影響而增強或減弱的部份,結果會較單純使用遮蔽率或抬高仰角的方式為佳。在颱風中心的估計方面,利用雷達回波PPI圖,以人機互動的方式,求出颱風眼眼牆內強回波與弱回波中心差距最小的點,做為估計的颱風中心,此法適用於颱風的環流結構尚未受地形影響的條件下使用。最後,本研究使用以颱風為中心之極座標系統,推導二維傅立葉級數,擬合都卜勒徑向風場,做為都卜勒風速摺疊次數的判斷依據,修正發生風速摺疊的資料,還原得到正確的都卜勒風速。此法對於眼牆附近以及地形雜訊可得到較好的修正結果,但對於雷達附近卻無法表現出都卜勒風速由負轉正急速變化的特性。
The Wu-Fen-Shan radar of Central Weather Bureau is one of the most important tools to facilitate flood forecasters to observe the trend of rainfall in Tan-Shui River basin. However, there are problems in radar observation data including ground-clutter, range ambiguity, and folding of Doppler velocity. Consequently, they will affect the performance of hydrologic models taking radar data as input. In this study, 4 tasks are designated, including removal of ground clutter using the DEM(Digital Elevation Model) data with the radar beam trajectories equation; construction of a terrain-radar beam graphical user interface(GUI) to help discriminating the ground clutter data from rainfall reflectivity; proposing a typhoon center calculation algorithm using reflectivity data; and dealiasing the Doppler wind velocity. Also the above algorithms are integrated with graphical display and GUI on the same platform for easy application.
On ground clutter removal, it combines the logics of correction by vertical blocked ratio and using the higher tilt radar beam to replace the terrain contaminated radar data. Result of which is better than that only using correction by vertical blocked ratio or by using the higher tilt data. On the estimation of typhoon center, the PPI reflectivity data is used to find the strong reflectivity center(SRC) and weak reflectivity center(WRC) within the user defined region. An algorithm is designed to move the region around and search for the closest distance between SRC and WRC. The typhoon center estimate equals the average of SRC and WRC. Lastly, this study uses a polar-coordinate with its origin located at typhoon center. With a two- dimensional Fourier series fits the Doppler radial wind field. The observed Doppler wind velocities are compared with the values of fitted Fourier series. This method results in good outcomes in eye wall region and at terrain affected region. However, it cannot depict the discontinuity changing from negative to positive value in Doppler wind velocity near radar.
目錄
謝誌 一
摘要 三
Abstract 四
目錄 六
表目錄 八
圖目錄 八
第一章 緒論 1-1
1-1研究動機 1-1
1-2研究目的 1-2
1-3問題說明 1-2
1-4研究架構 1-4
第二章 地形雜訊分析 2-1
2-1雷達波束特性 2-1
2-2地形雜訊處理 2-4
2-2-1以抬高仰角方式去除地形雜訊 2-5
2-2-2以遮蔽率方式去除地形雜訊 2-8
2-3輔助地形雜訊辨識之展示介面 2-25
第三章 颱風中心估計 3-1
3-1颱風中心特性 3-1
3-2颱風中心雷達回波特性 3-3
3-3估計方法 3-7
第四章 颱風徑向風速摺疊處理 4-1
4-1都卜勒風速資料問題說明 4-1
4-2一維傅利葉函數處理法 4-4
4-3二維傅立葉函數處理法 4-13
五、結論與建議 5-1
5-1研究結論 5-1
5-2建議事項 5-2
參考文獻 i
附錄A:五分山雷達資料特性 A-1
附錄B:雷達基本資料展示 B-1
附錄C:TREC方法之簡介與展示介面 C-1
附錄D:GBVTD方法簡介與展示介面 D-1
附錄E:以最小誤差平方法求雙傅立葉級數之係數 E-1
表目錄
表2-1記錄波束受地形影響資料點檔案的欄位格式 2-11
表2-2 0.5°遮蔽率檔內之記錄格式 2-11
圖目錄
圖2-1雷達波束寬度之定義 2-2
圖2-2 G/Gm與/b關係表示圖 2-3
圖2-3以高仰角處理地形雜訊示意圖 2-6
圖2-4 1996年7月31日12點03分(UTC) 第一層仰角PPI回波圖(未經修正,全台灣) 2-6
圖2-5 1996年7月31日12點03分(UTC) 第一層仰角PPI回波圖(未經修正,北台灣) 2-7
圖2-6 1996年7月31日12點03分(UTC) 第一層仰角PPI回波圖(經抬高仰角方式修正,北台灣) 2-7
圖2-7 1996年7月31日12點03分(UTC) 第一層仰角經地形修正處理後的回波高度圖 2-8
圖2-8 處理地形遮蔽率所需DTM資料範圍 2-10
圖2-9 波束和地形關係與垂直遮蔽率之計算示意圖 2-12
圖2-10 雷達波束與地形關係示意圖 2-13
圖2-11 某一距離單元內波束受地形影響資料點分布示意圖 2-14
圖2-12 波束方位角與DTM座標點關係示意圖 2-16
圖2-13 0.1度仰角時波束迎向雷達面與背向雷達面位置圖 2-17
圖2-14 遮蔽率處理示意圖 2-20
圖2-15 以遮蔽率的方法還原不受地形影響的回波圖 2-23
圖2-16 50%遮蔽率標準下處理的結果 2-23
圖2-17 70%遮蔽率標準下處理的結果 2-24
圖2-18 90%遮蔽率標準下處理的結果 2-24
圖2-19 1996年7月31日12點03分(UTC) 第二層回波資料僅使用抬高仰角方式處理地形雜訊的PPI圖 2-26
圖2-20 1996年7月31日12點03分(UTC) 第二層回波資料同時使用垂直遮蔽率與抬高仰角方式去除地形雜訊的處理結果 2-26
圖2-21 展示介面中,波束剖面位置示意圖 2-28
圖2-22 觀察者與回波位置在空間中的相對位置圖 2-28
圖2-23 虛擬雷達回波與地形關係展示程式操作畫面 2-29
圖2-24 雷達波束前進到山的前緣,下方藍色線為波束下方的地形剖面線 2-31
圖2-25 比圖2-24前進一公里後,-6dB的範圍已與地形接觸 2-32
圖2-26 比圖2-25再前進一公里後,-3dB的範圍已被地形遮蔽 2-32
圖3-1 賀伯颱風之回波PPI圖 3-2
圖3-2 賀伯颱風之風場PPI圖 3-2
圖3-3 晴空時間所記錄之回波與雷達徑向間距關係圖 3-3
圖3-4 雷達與颱風中心連線之回波分布 3-4
圖3-5 颱風眼區域選取範圍示意圖 3-5
圖3-6 以三維空間方式展示颱風眼附近之回波資料結構 3-6
圖3-7 回波值個數累積機率百分比與雷達的記錄數值(record value)關係圖 3-6
圖3-8 使用弱回波中心的方法找颱風中心 3-9
圖3-9 以強弱回波中心平均位置估計颱風中心 3-9
圖3-10 考慮雷達最小可記錄回波值決定門檻值示意圖 3-10
圖3-11 決定門檻值之流程圖 3-11
圖3-12 移動方網格找強回波與弱回波平均中心 3-14
圖3-13 紅色點標示最後得到的颱風中心位置 3-14
圖3-14 1996年7月31日12時3分(UTC)一到三層平均回波中心位置比較圖 3-15
圖3-15 2001年9月16日9時15分(UTC)第一層仰角的颱風中心 3-15
圖3-16 2001年9月16日17時41分(UTC)第一層回波圖 3-16
圖3-17 2001年9月16日17時41分(UTC)第一層颱風中心 3-16
圖3-18 桃芝颱風路徑與估計颱風中心位置比較圖 3-17
圖3-19 納莉颱風路徑與估計颱風中心位置比較圖 3-18
圖3-20 GBVTD-simplex法與強弱回波中心法估計賀伯颱風1996年7月31日12時3分(UTC)颱風中心所得結果比較圖 3-20
圖4-1 雷達徑向風場PPI展示圖 4-2
圖4-2 (a)無摺疊效應時所得到的VAD圖;(b)有摺疊效應時之VAD圖 4-4
圖4-3風場摺疊示意圖 4-6
圖4-4 1996年7月31日12時03分(UTC)第三層原始風場PPI圖 4-6
圖4-5 1996年7月31日12時03分(UTC)經初步處理風場摺疊後的風場PPI圖 4-7
圖4-6 利用風速摺疊檢測模組,檢視有問題之風速 4-8
圖4-7利用展示介面風速摺疊檢測模組,以VAD圖檢視原始之風速資料 4-8
圖4-8利用展示介面風速摺疊檢測模組,以VAD圖檢視修正之風速資料 4-9
圖4-9 零值線示意圖。A為雷達中心,O為颱風中心 4-10
圖4-10 1996年7月31日12時03分(UTC)經加入零值線邏輯判斷處理風場摺疊後的風場PPI圖 4-12
圖4-11 1996年7月31日12時03分(UTC)經加入零值線邏輯判斷處理風場摺疊後,距離颱風中心28公里處,所得到的VAD展示 4-12
圖4-12 1996年7月31日12時03分(UTC)利用雙傅立葉函數所模擬出來第三層的風場PPI圖 4-17
圖4-13 1996年7月31日12時03分(UTC)實際觀測的風速值及雙傅立葉函數擬合的風速值示意圖 4-17
圖4-14 1996年7月31日12時03分(UTC)利用雙傅立葉函數套配修正所得到第三層的風場PPI圖 4-18
圖4-15 1996年7月31日12時03分(UTC)利用雙傅立葉函數套配處理風場摺疊後,距離颱風中心28公里處,所得到的VAD展示圖 4-18
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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