水气预测解决方案


方案简介

        在水库或者河道的上游范围(≤20km)内部署 3 台 GNSS面雨量仪,呈三角形分布,间隔最大不超过 15km,将监测区域至于区域的中心,GNSS 面雨量仪通过对多颗GNSS卫星信号结合PPP实时定位技术进行解算,将解算结果发送到平台的预测模型中,精确分析出大气中的水汽分布情况,对未来短期进行降雨量精准预测,用户可通过 WEB 平台和微信小程序即可浏览。

基本原理

        大气水汽是能够表征极端天气和气候变化的重要参数,对极端天气事件的发展、发生的过程起到重要作用。大气水汽监测和分析是极端天气精准预测的关键。一般地,大气水汽主要分布在对流层内,具有空间分布复杂和含量变化迅速等特点。大气可降水量PWV(Precipitable Water Vapor),指单位面积上整层大气水汽全部凝结降至地面的降水量,是表征大气中水汽含量的重要指示因子。强对流天气和充足的水汽容易导致强降水,PWV是预测强降雨天气的重要指标。
        基于GNSS的大气遥测技术可以实现高精度的水汽反演,具有高精度、全天候运行、长时序稳定以及高时空分辨率等特点,其基本原理是利用GNSS信号在空间传播路径中的对流层湿延迟,通过对多颗GNSS卫星信号结合PPP实时定位技术进行解算,精确定位大气中的水汽分布情况,建立临近期精细化降雨预测模型,对未来短期进行降雨量精准预测。
        与传统降雨预测手段相比,GNSS降雨预测技术具有装备结构简单、布设成本低、可长期无人值守运行的突出优势,尤其适合地形复杂、交通不便的地质灾害高风险区。该系统能够有效弥补传统手段在山区的监测盲区,实现全天候自动化运行,显著降低运维投入。将其集成于地质灾害监测网络,可为滑坡、泥石流等灾害的预警提供高时空分辨率的降雨驱动数据,从而提升临灾预警的精准性与时效性,增强区域防灾减灾能力。

关键技术

基于混合时频分布的GNSS信号干扰检测与抑制方法:
        输电线路和的高频串扰、4G/5G基站的高频信号对 GNSS卫星信号形成强干扰,显著影响水气反演、降雨量预测的精度,该方法对高频串扰(连续波)构建其特征模态,并针对性提出基于SPWVD与CWT混合时频分布的分析方法,消除时频分布中交叉项,有效增强干扰信号自项在时频面上能量聚集性,提升了干扰检测性能。进而采用陷波IIR滤波器进行干扰抑制。干扰信号频率估计准确率提升25.6% | 滤波器带宽减少42.5% | 在消除干扰的同时,对有用信号的损伤最小化。
改进型同步扰动随机逼近大气参数求解方法:
        在基于GNSS的大气参数反演中,核心难点在于寻找最优的大气参数解以最小化观测数据与模型之间的差异。该方法解决了GNSS掩星资料同化过程中大气参数求解复杂、计算效率低的问题。该方法通过改进传统的同步扰动随机逼近(SPSA)算法,实现了对大气参数向量的高效、精准求解。解决GNSS掩星资料同化过程中大气参数求解复杂、计算效率低的问题。该方法通过改进传统的同步扰动随机逼近(SPSA)算法,实现了对大气参数向量的高效、精准求解。
DAMixer多变量时序预测的双阶段注意力混合模型:
        针对GNSS反演的大气可降水量(PWV)、温度、气压等多维气象数据具有非线性、动态变化快及特征异构的特点,本系统采用一种创新的双阶段注意力混合模型——DAMixer(Dual-stage Attention-based Mixer)。该模型旨在解决多变量时序预测中的特征冗余、计算效率低以及可解释性差等核心挑战,通过特征提取与时序模式捕获的双重机制,实现对降雨量的高精度、长时序预测。

配套软件

御云先知—GNSS降雨预测分析系统是一个功能全面的降雨监测与预警平台,其核心涵盖了七大核心模块以提供高效、精确的服务。
综合监测: 系统首页以直观的地图形式展示设备站点信息,通过颜色变化即时反映预测降雨强度及雨量分布,用户可深入查看设备的雨量数据,并获取设备的详尽信息及组网状态。
预测检验: 专为管理员设计预测检验模块,通过TS、BS、FAR等关键指标,以可视化形式对比预测与实际降雨情况,呈现预测准确性。
历史数据: 系统具备强大的历史数据查询功能,支持按日期回溯降水量等气象数据,便于用户分析。
报告生成: 报告生成模块则提供定制化的报告服务,包括日报、月报、突发事件报告以及日降雨量对比等,涵盖预警信息发布、降雨量统计及可视化图表。所有报告均可便捷导出。
系统管理: 系统管理模块集成用户、设备、组织等多维度管理功能,支持建站选点与设备组管理,确保系统高效运行。
降雨预警: 预警模块实时展示各设备站点预警信息,未来三小时降雨量预测以色彩编码直观呈现,助力用户迅速响应。
组合筛选: 筛选模块进一步增强了系统的灵活性,用户可根据实际需求搜索设备、选择监测要素及图层,实现个性化展示。 降雨数据管理服务系统以其综合监测、精准预测、数据回溯、报告定制、高效管理、实时预警及灵活筛选等特性,为用户提供了全面、易用且高效的降雨监测与预警服务。

应用案例

        前本系统在芜湖湾沚区、响洪甸水库、梅山水库、淮河流域等地区已进行部署,有效的。目前该系统运行稳定,可对监测区域5-10km范围进行降雨预报,对短时强降雨、暴雨等灾害性天气预测准确率超 92%,正报率稳定在 90% 以上,空报率控制在 5% 以内,有力支撑了湾沚区低空飞行器通航调度工作和水雨情工作,发挥了重要的应用效益。

系统特点

  • 极低功耗、可设置各任务启动、休眠、关闭
  • 毫米级定位结果、监测灵敏、受气象因素影响小
  • 定时数据采集及上传,保障监测数据的稳定传输
  • 风险提前预警,发出紧急信号,报告危险情况

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