三5+多普勒雷達物理量產(chǎn)品的分析

1、三、三、5 新一代雷達的物理量產(chǎn)品新一代雷達的物理量產(chǎn)品 16.216.2 大氣科學學院 白愛娟 雷達產(chǎn)品分類雷達產(chǎn)品分類 雷達產(chǎn)品雷達產(chǎn)品 基本數(shù)據(jù)基本數(shù)據(jù) 產(chǎn)品產(chǎn)品 物理量產(chǎn)品物理量產(chǎn)品 反演識別反演識別 產(chǎn)品產(chǎn)品 雷達基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品雷達基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品 基本產(chǎn)品基本產(chǎn)品：根據(jù)從RDA接收到的數(shù)字化基 數(shù)據(jù)，直接形成的不同分辨率和數(shù)據(jù)顯示 級別的多普勒數(shù)據(jù)產(chǎn)品。 產(chǎn)品分類產(chǎn)品分類： （1）反射率因子（R） （2）平均徑向速度（V） （3）譜寬產(chǎn)品（W） 基本譜寬產(chǎn)品的應用基本譜寬產(chǎn)品的應用 1）速度評估速度評估：利用譜寬數(shù)據(jù)可以評估平均徑 向速度產(chǎn)品的可靠性。越高的譜寬值反映出 徑向速度估算越具

2、有不確定性，或許意味著 速度是不正確的。預報員需要研究其它基本 產(chǎn)品才能確定速度資料是否正確。 2）系統(tǒng)邊界的識別系統(tǒng)邊界的識別：與基本速度產(chǎn)品的方 式一樣，基本譜寬產(chǎn)品可以顯示回波功率低 于5dBz的譜寬數(shù)據(jù)，這對于降水模式的基本 反射率產(chǎn)品而言是下限閾值，因此基本譜寬 產(chǎn)品中具有較低反射率回波的區(qū)域就可以用 來幫助識別系統(tǒng)邊界。一般基本譜寬所使用 的顏色標尺往往用來突出與系統(tǒng)邊界有關(guān)的 湍流區(qū)域。 導出產(chǎn)品導出產(chǎn)品 一、雷達產(chǎn)品的物理量產(chǎn)品一、雷達產(chǎn)品的物理量產(chǎn)品 物理量產(chǎn)品：物理量產(chǎn)品： 由雷達以各種探測方式獲取的R、徑向速度V和W， 經(jīng)過一定的計算和客觀處理，轉(zhuǎn)化為氣象上常用的有明 顯

3、意義的物理量，進而把這些物理量的分布顯示成圖象。 因此物理量產(chǎn)品是經(jīng)RPG中氣象算法處理后得到的。 應用：應用：有助于使用者直接把雷達產(chǎn)品和某些天氣現(xiàn)象聯(lián) 系起來，進行分析和應用。 物理量產(chǎn)品的分類物理量產(chǎn)品的分類 （1）強度物理量產(chǎn)品 （2）速度物理量產(chǎn)品 （3）譜寬物理量產(chǎn)品 強度物理量產(chǎn)品：1）回波頂高ET；2）垂直 累積含水量VIL；3）時段雨量累積OHP、 THP；4）風暴總降水量STP。 1、強度物理量產(chǎn)品、強度物理量產(chǎn)品 （1）回波頂高（ET：Echo Top） 對流的強弱一般和回波伸展高度有關(guān)，ET產(chǎn)品 可用來分析估計探測范圍內(nèi)不同地區(qū)的對流發(fā)展 與否，以及相對強弱情況。 獲取

4、：應用體掃的三維數(shù)據(jù)，選擇回波閾值， 根據(jù)測高公式，在一定底面積的垂直柱體中，自 上而下地搜索選定閾值所在高度，用這種方法得 到的回波頂高分布圖像，單位為km。 說明：1、強度閾值一般與探測地點，季節(jié)和云的類別 密切相關(guān)，可根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件和需要擇定。調(diào)整強度 閾值可以校正真實回波頂高。一般而言，估計云頂高度閾 值：5dBz，降水層頂：18 dBz，強回波頂：30 dBz。 2、在雷達附近，大于最大探測仰角的回波空白區(qū)，探 測不到回波頂高，而且雷達也探測不到太薄的云層。 3、回波頂高和底高并不一定就是云的頂高和底高。 探測強回波頂高時，則用30dBZ作為強度閾值，垂直柱 體的底面為11km，

5、22km和44km。 ET（Echo Top) 通常把強度18.3dBz回波所在高 度定義為回波頂高。 產(chǎn)品不足：產(chǎn)品不足： 1產(chǎn)品網(wǎng)格點間常出現(xiàn)環(huán)形階 梯狀不連續(xù)現(xiàn)象。 2對于發(fā)展較高的強風暴較難 探測到回波頂高。 3雷達旁瓣回波，可能導致過 高估計回波頂高。 4距雷達近距離處，受最高仰 角的限制可能低估回波頂高。 回波頂高與降水的關(guān)系回波頂高與降水的關(guān)系 回波頂高與降水成正相關(guān)，降水較強時，回波頂伸展的高回波頂高與降水成正相關(guān)，降水較強時，回波頂伸展的高 度也比較高，回波頂高度降低，則預示降水的減弱。度也比較高，回波頂高度降低，則預示降水的減弱。 CR產(chǎn)品是應用體積掃描獲取的回波強度數(shù)據(jù)，

6、 在以1km1km（或2km2km）為底面積，直 到回波頂?shù)拇怪敝w中，對所有位于該柱體中 的回波強度資料進行比較，挑選出最大的回波 強度，從而得到最大回波強度的圖像。 2、組合反射率產(chǎn)品、組合反射率產(chǎn)品CR CR產(chǎn)品的產(chǎn)品的顯示顯示 CR特點： 1顯示整個可探測大氣空間的最大反射率因子分布 2與基本反射率因子相比，有助于探測風暴結(jié)構(gòu)特征 和強度等。 R和CR對比 CR產(chǎn)品的優(yōu)點產(chǎn)品的優(yōu)點 有助于快速查看最大回波強度的分布。對有些 突發(fā)性的強對流天氣，其初始回波往往出現(xiàn)在 中空，使用這種產(chǎn)品可以有效監(jiān)測這類強對流 天氣。 在穩(wěn)定性降水條件下，有助于識別零度層亮帶 及其所在的高度。 在冰雹區(qū)域，

7、相應的中空可能存在強反射率因 子區(qū)，所以CR產(chǎn)品可監(jiān)測冰雹的發(fā)生發(fā)展。 CR產(chǎn)品的使用產(chǎn)品的使用 應注意：近距離近距離處的地物回波干擾， 以免把地物回波誤認為最大回波強度。遠距遠距 離處離處，由于最低仰角獲取的數(shù)據(jù)離地面有一 定的高度，有可能探測不到真正的最大回波。 此外業(yè)務(wù)工作限制，一般體積掃描的最高 仰角不會很大，所以在雷達周圍不一定能探 測到最大回波強度。 雷達探測范圍示意圖雷達探測范圍示意圖 （3 3）VIL(VIL(垂直累積含水量垂直累積含水量) ) VIL：假定所有反射率因子強度都是由液態(tài)水滴引起的，定義某 底面積垂直柱體中的總含水量為垂直累積含水量VIL。是反映降水 云體中垂直液

8、態(tài)含水總量，判斷強降水及降水潛力，以及強對流 天氣造成的暴雨和冰雹等災害性天氣的有效工具。 垂直累積含水量（垂直累積含水量（VIL） 獲得獲得：根據(jù)一定的滴譜分布假設(shè)條件，理 論上得到液態(tài)含水量R和雷達反射率因子Z之間 的關(guān)系（簡稱Z-R關(guān)系）。在雷達體掃中應用 Z-R的經(jīng)驗導出關(guān)系可直接轉(zhuǎn)換成液態(tài)含水量 分布；通過垂直積分獲得然后對液態(tài)含水量從 地面垂直向上到云頂進行累積，即可得到液態(tài) 含水量的分布。 單位：千克/平方米（kg/m2）。 VIL局限性局限性 雨滴滴譜的不確定性使得VIL有偏差。 體積掃描時不可能把仰角抬得很高，在靜錐區(qū)內(nèi)探測 不到回波頂，使VIL值估計過低。較遠距離處，最低仰

9、 角的底層高度已經(jīng)較高，與回波頂高度之間的厚度小于 近距離處的厚度，導致VIL值過低。 對于強烈傾斜的對流降水云；或快速移動的降水云， 由于雷達探測低仰角和高仰角的時間差，都可能使降水 云伸展到其它相鄰的柱體中，VIL值低于垂直或移動較 慢的VIL值。 (4)探測非對流云降水云體時存在零度層亮帶，VIL值將存 在明顯誤差。 注意： ZR關(guān)系式是經(jīng)驗公式，實際降水云中雨滴 的易變性將導致VIL值產(chǎn)生誤差。 為減少這種誤差，可對不同的降水分型：對 流云降水、層狀云降水和積層混合云降水。然 后對同一類降水的不同降水過程（如陣雨，對 流性暴雨和冰雹等）的VIL進行統(tǒng)計分析比較， 得到對本地有實際意義的

10、判別指標。 VIL的應用的應用 判別強對流造成的暴雨、大風和冰雹等災害性天氣。 1 確定大多數(shù)顯著的風暴單體位置。 2 識別較大的冰雹單體：由于冰雹單體并非由液態(tài)水構(gòu)成， 導致很強的VIL。研究表明，當某地的VIL值增加到很大，爾 后開始減小時，表明即將降雹。 3 識別超級單體風暴：較強的VIL。 4 識別強風災害天氣：強風開始時，VIL迅速減小。 VIL中心與降水中心密切相關(guān)，VIL值越大，回波頂越高， 強回波伸展的高度越高，空中液態(tài)水含量也越多，則在未來降 水的潛力越大，形成強對流天氣的可能性也就越大。 （4）時段雨量累積（）時段雨量累積（OHP/THP） 該產(chǎn)品在雨強產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，計算雷

11、達探 測范圍內(nèi)任意時段的雨量分布，并顯示該時段 內(nèi)整個探測區(qū)域和某指定區(qū)域內(nèi)的降水總量 （單位：mm，表示降水區(qū)域面積上平均降水 的厚度）。 1小時累積降水（小時累積降水（OHP） OHP產(chǎn)品以雨強產(chǎn)品中的雨強值作為本產(chǎn)品 的原始數(shù)據(jù)，計算某一點24小時以內(nèi)任一小時 的累積。 OHP（一小時累積降水）（一小時累積降水） 5、THP（3小時累積降水）小時累積降水） THP是跟當前時間最近的一個整點為止的3個小時累積， 每個整點更新一次。 6、STP（風暴總降水量）（風暴總降水量） 時段累積降水量時段累積降水量 注意：由于雷達估測雨量與地面雨量的時 空不一致性，不適當?shù)腪-R關(guān)系，電磁波的 非正常

12、傳播，天線罩沿水引起的衰減等，都 會引起雷達時段累積雨量的誤差。 可以用地面雨量測量校正相應雷達估測值 是十分必要的，且是業(yè)務(wù)上可行的方法。 STP（風暴總累積降水）（風暴總累積降水） THP（3h累積降水）累積降水） 注意：某點雨量實際是該點在某一時段內(nèi) 的降雨量，原則上由以上方法計算的雷達雨 強乘以兩次探測的時間間隔，即得到該間隔 內(nèi)的雨量。然后把該時段內(nèi)所有時間間隔內(nèi) 的雨量累加，即為該時段的雨量。鑒于降水 的高度時空變化性，兩次雷達探測時間間隔 不宜過長，以小于12分鐘為宜。 2、徑向速度物理量產(chǎn)品、徑向速度物理量產(chǎn)品 （1）垂直風廓線產(chǎn)品（VWP） （2）合成切變（CS） （1）垂直

13、風廓線產(chǎn)品）垂直風廓線產(chǎn)品VWP 在徑向速度產(chǎn)品基礎(chǔ)上，應用體掃資料， 得到雷達中心周圍范圍內(nèi)不同高度上，平均 風向和風速隨高度變化的垂直廓線，應用繼 續(xù)時間的體掃資料，即可得到平均風向和風 速隨高度和時間變化的剖面圖。 可以自行選擇水平距離半徑，但若選擇半 徑大于30km，需要確定風場均勻分布的假設(shè) 條件是否滿足。 垂直風廓線垂直風廓線VWP 與一般天氣圖中的風廓線圖表示形式相同，有較高實用價 值，用來識別平均風的高度切變，及其隨時間的變化。 （4）合成切變（）合成切變（CS） 合成切變是徑向散度與方位渦度合成的顯示 產(chǎn)品，反映了流場中的不均勻性。 該產(chǎn)品還可用來幫助識別速度在徑向和方位 上

14、均有切變的天氣現(xiàn)象，如陣風鋒、低空切變 線、中尺度旋轉(zhuǎn)運動等低空風切變的現(xiàn)象。 合成切變合成切變 （CR） 三、多普勒雷達的識別產(chǎn)品三、多普勒雷達的識別產(chǎn)品 定義定義：指由雷達獲取的回波強度、徑向速度 和譜寬資料，根據(jù)各類中小尺度災害性天氣 結(jié)構(gòu)模型，分析處理后得到的各類災害性天 氣自動識別產(chǎn)品。（可疊加在其他產(chǎn)品上） 包括以下幾部分：(1)陣風鋒；下?lián)舯┝鳎?(2)中尺度氣旋；龍卷渦旋； (3)風暴；冰雹自動識別等； (4)風暴自動識別、跟蹤、預報和預報檢驗。 （1）陣風鋒識別產(chǎn)品）陣風鋒識別產(chǎn)品 對流風暴中的下沉氣流到達低空在地面形成冷雷 暴堆，并向四周流出，其中有相當大的一部分流向風 暴

15、前方。這種流出氣流具有中層環(huán)境空氣的水平動量， 在低空可引發(fā)強風，其前緣就是陣風鋒陣風鋒。 陣風鋒是出現(xiàn)在強風暴周圍的一種強風切變，常造 成局地風害。在雷達探測的強度上表現(xiàn)為環(huán)繞強風暴 回波的一條細長的弱回波帶，稱為“窄帶回 波” （Thin lines)，徑向速度場中表現(xiàn)為強風切變。 陣風鋒過境時通常無降水，提供了風暴前的晴空信 息，其對電磁波的散射機制尚無確定，可能是湍流對 電磁波的散射。 陣風鋒陣風鋒 陣風鋒 陣鋒風對于飛機著陸或起飛有危險，因為它 能產(chǎn)生大的風切變，使飛機失去平衡而墜毀。 陣風鋒一般發(fā)生在高度3km以下的地層大氣 中，其長度一般大于10km，它帶來的最大的風 切變值應大

16、于每公里3m/s，其傳播速度一般為5 10m/s。 陣風鋒的特征和影響陣風鋒的特征和影響 2003年4月17日濟南出現(xiàn)氣壓涌升，氣溫驟降，風向陡轉(zhuǎn)，風力 陡增，降水強度達8mm/10min，從氣象要素的變化來看，颮線天氣 前有陣風鋒。強度圖表現(xiàn)為狹窄的強回波帶。 陣風鋒窄帶回波陣風鋒窄帶回波 （2）下?lián)舯┝髯R別）下?lián)舯┝髯R別 下?lián)舯┝魇桥c強對流天氣伴隨產(chǎn)生的，尺 度小（0.4-4km），突然陣性爆發(fā)，向下沖擊 觸及地面物體，破壞性極大。盡管維持時間不 長(510min)，但風力強，能夠嚴重地影響地 面物體和低空飛行物，近年來受到人們的注意。 下?lián)舯┝髯R別是通過在徑向上尋求一致的徑向 速度增加段

17、來確定其位置、強度等。 （2）中尺度氣旋自動識別（）中尺度氣旋自動識別（M） 當選定數(shù)據(jù)文件后，對速度產(chǎn)品進行資 料預處理，再按照一定的算法自動探測是否 有中尺度氣旋產(chǎn)生。 中氣旋的識別中氣旋的識別 中氣旋的識別中氣旋的識別 （3）龍卷渦旋自動識別（）龍卷渦旋自動識別（TVS） 龍卷渦旋一般在較強中尺度氣旋中產(chǎn)生， 尺度較中尺度氣旋小(幾百米1公里)，破壞力 極大，具有較大風速和較大方位切變。 對于龍卷渦旋，一般是在中尺度氣旋存在的 情況下來確定其是否會產(chǎn)生。對速度資料進行 預處理，再按照一定的算法自動探測是否有龍 卷渦旋產(chǎn)生。 （4）暴雨自動識別）暴雨自動識別 先根據(jù)雷達資料求出雨強值，再根

18、據(jù)雨 強大小及分布面積來確定是否有暴雨，按 照一定的算法自動探測是否有暴雨產(chǎn)生。 風暴自動識別、跟蹤產(chǎn)品（風暴自動識別、跟蹤產(chǎn)品（STI） 風暴跟蹤信息產(chǎn)品（Storm tracking information)利用 多普勒雷達體掃資料對風暴進行實時地自動識別、跟 蹤、結(jié)構(gòu)分析和臨近預報。 風暴的識別基于某個連續(xù)區(qū)域的體積和雷達反射率 大于給定的體積閾值和反射率閾值，用矩心跟蹤法匹 配相鄰兩時刻的風暴，對風暴的合并與分裂進行了處 理，根據(jù)風暴在過去各個時刻的中心位置和體積，利 用最小二乘法進行線外推來預報其在下一時刻的位置 和面積。能較好地識別、跟蹤和警戒對流性天氣。 （5）冰雹自動識別）冰雹

19、自動識別 冰雹指數(shù)(Hail Index)產(chǎn)品是對每個被SCIT （美國WSR 88D）冰雹探測算法所識別的風 暴，提供其風暴結(jié)構(gòu)是否有助于冰雹形成的 指標，所以它和風暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品同步產(chǎn)生或更 新。當風暴發(fā)展非常強烈時，就可能降雹。 因此此方法是在風暴識別和風暴結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上來探測冰雹的。 若軟件跟蹤到冰雹，將在屏幕上相應位 置顯示冰雹的位置，形狀，并用不同的顏色 顯示跟蹤兩個相鄰時刻的風暴，顯示風暴體 的位置，形狀，給出冰雹的相關(guān)參數(shù)（如： 冰雹序號，X坐標，Y坐標，頂高，最大反 射率，偏北距離，最大橫向距離，傾斜方向， 移動方向，中層最大反射率，懸掛距離，懸 掛高度，概率指數(shù)，結(jié)論等）。 課

20、后習題 1 物理量產(chǎn)品一般分為幾類？分別包含哪些產(chǎn)品？ 2 強度物理量產(chǎn)品的回波頂高產(chǎn)品ET、垂直累積 含水量VIL，以及CR產(chǎn)品有哪些應用，說明這 些產(chǎn)品的局限性？ 3 徑向速度物理量有哪些產(chǎn)品，其中VWP產(chǎn)品在 哪些方面的應用？ 4 多普勒雷達的識別產(chǎn)品有哪些類型，分別有哪 些應用？ 基本產(chǎn)品的解釋和應用基本產(chǎn)品的解釋和應用 （1）評估環(huán)境條件和氣象特性 在雷達所在地周圍一些大氣特征量的垂 直密度的不連續(xù)性將顯示為環(huán)狀或部分環(huán)狀 回波，比如逆溫層以及水汽含量隨高度急劇 下降的層次。 基本產(chǎn)品的釋用基本產(chǎn)品的釋用 （2）識別云層和降水特征 晴空模式在冬季暴雪中是十分有用的。高 反射率因子有助

21、于確定強降雪區(qū)，確定槽線、 鋒面和其它系統(tǒng)邊界的位置。基本產(chǎn)品是確定 系統(tǒng)邊界位置的非常有用的工具。使用基本反 射率因可以確定窄帶回波，使用基本速度可以 確定沿系統(tǒng)邊界的輻合區(qū)。 基本產(chǎn)品的解釋和應用基本產(chǎn)品的解釋和應用 （3）零度層的定位及確認）零度層的定位及確認 等高度的零度層在反射率產(chǎn)品中顯現(xiàn)為較 高反射率構(gòu)成的環(huán)形或部分環(huán)形。如果融化 層的高度隨著其與雷達的距離而變化，該環(huán) 將表現(xiàn)為非對稱及/或融化層將表現(xiàn)為一個弧 型或不規(guī)則帶狀。這種雷達特征將與較的譜 寬值相對應。 基本產(chǎn)品的解釋和應用基本產(chǎn)品的解釋和應用 （4）確定重要的風暴結(jié)構(gòu)特征 應用弱回波區(qū)（WER），有界弱回波 區(qū)域（BW

22、ER），鉤狀回波，后部入流急 流或弱回波通道，微下?lián)舯┝鱽龛b別風暴 的一些結(jié)構(gòu)特征。而基本速度產(chǎn)品可以顯 示出雷暴中的旋轉(zhuǎn)。 基本產(chǎn)品的解釋和應用基本產(chǎn)品的解釋和應用 （5）判別非氣象現(xiàn)象 眾多的非氣象現(xiàn)象可以在雷達中探測到，比如鳥， 蝙蝠以及昆蟲的飛行方式可以被看到。雷達可以被用 來追蹤火災區(qū)域以及確定可能發(fā)生森林火災的區(qū)域。 更進一步，雷達將被用來確定火山灰位置，飛機甚至 高速公路的車速，作為一個使用者，你必須常常意識 到探測到的潛在的非氣象現(xiàn)象，保持警覺并經(jīng)常利用 所有可能的信息去綜合判斷所觀察到的現(xiàn)象。 基本產(chǎn)品的解釋和應用基本產(chǎn)品的解釋和應用 （6）確定可能的湍流和切變區(qū)域 切變和湍流是十分重要的氣象特征，一個強 切變區(qū)的例子是與風暴頂輻散相關(guān)的位于雷暴 頂部附近的強切變區(qū)。基本速度產(chǎn)品對于確定 風暴頂正在發(fā)生輻散的區(qū)域時是非常有用的。 基本速度產(chǎn)品的速度大小和方向的急劇變化有 助于確定可能引起空難的垂直切變區(qū)域。 （1）反射率因子的應用）反射率因子的應用 l 降水性質(zhì)判斷，回波形態(tài)； l 回波分布特征分析，主要分析回波的分布特 征及移動特征。其中包括移向、移速及回波 的相對變化； l 回波演變特征分