雷达产品与算法.ppt

CINRAD-SA雷达系统主要产品与算法简介,CINRAD-SA主要产品,CINRAD-SA主要产品,1.雷达产品分类,严格来说，雷达产品只有约28个，只是因为不同的分辨率和不同的数据色标等级，同一个产品又可分为多个。因此，共有约80个雷达产品的编号不是连续的！不同分类：基本产品与导出产品基本数据产品、物理量产品、跟踪产品、信息产品锥面（仰角）产品和体积产品,2.基本产品,2.1反射率因子2.2平均径向速度2.3径向速度谱宽,2.1基本反射率因子（R）,体积扫描中各个仰角全方位（360）的回波强度产品编号:R16-21极坐标显示。显示范围230和460公里3种分辨率：230公里显示范围1公里460公里显示范围2公里和4公里,基本反射率因子（R）,图象色标分为8和16级：晴空模式：-28dBZ28dBZ降水模式：5dBZ75dBZ共6个产品。最常用的为19号：1公里分辨率，16级色标，显示范围230公里用途：估计系统的强度冰雹的潜在性风暴结构,不同分辨率反射率因子产品的由来,不同分辨率的R生成,1公里分辨率的产品显示波束宽度为1、长度为1公里的所有原始数据分辨率为2公里的产品取两个连续的1公里分辨率数据中的最大分辨率为4公里的产品取四个连续的1公里分辨率数据中的最大的,不同分辨率的反射率因子产品的例子,1km的产品2km的产品4km的产品,不同显示范围、不同分辨率的反射率因子产品的例子,R19产品R20产品R21产品,2.2平均径向速度产品（V）,体积扫描中各个仰角全方位（360）的平均径向速度产品编号：V22-27极坐标显示。显示范围60、115、和230公里3种分辨率：60公里显示范围250米115公里显示范围500米230公里显示范围1公里,平均径向速度产品（V）,图象色标分为8和16级共6个产品。最常用的为V27号：分辨率1公里，图象色标等级为16，显示范围230公里主要用途：估计风向、风速确定水平和垂直切变（不连续边界）识别强天气系统,不同分辨率产品的生成,不同分辨率V的生成250米分辨率的产品显示波束宽度为1、长度为250米的所有原始数据分辨率为500米的产品取两个连续的250米分辨率数据中的第一个分辨率为1公里的产品取四个连续的250米分辨率数据中的第一个,不同分辨率产品的例子,250米分辨率V500米分辨率V1公里分辨率V,不同显示范围、不同分辨率的平均径向速度产品的例子,V26产品V27产品,2.3基本径向速度谱宽产品（SW）,体积扫描中各个仰角全方位（360）的基本谱宽产品编号：SW28-30极坐标显示。显示范围60、115、和230公里3种分辨率：60公里显示范围250米115公里显示范围500米230公里显示范围1公里,基本径向速度谱宽产品（SW）,8个等级色标，共3个产品它可提供由于风切变、湍流和或速度样本质量引起的径向速度变化幅度的度量，可用来帮助确定边界位置、TBSS、估计湍流大小及检查径向速度是否可靠,不同分辨率产品的例子,250米分辨SW500米分辨SW1公里分辨SW,3.导出产品与算法,雷达产品的算法,WSR-98D算法软件包的版本较低：是WSR-88D算法软件包V7.0再结合V10.0中的一部分算法目前WSR-88D算法软件包的版本为V10.0,3.1风暴跟踪信息产品（STI）与算法,识别雷达探测范围内的每个对流风暴单体,并给出风暴过去、现在和将来的位置以及345公里范围内的风暴运动的可靠信息提供风暴过去每15分钟间隔的位置、现在位置、和未来1小时内每15分钟间隔的预报位置，构成风暴的移动轨迹产品编号STI58,风暴跟踪信息(STI)产品,产品形式：单一图形图形+字符信息图形叠加风暴跟踪信息例子1风暴跟踪信息例子2,跟踪移动轨迹符号,符号表示过去风暴位置符号+表示风暴未来预报位置符号表示风暴当前位置符号表示风暴处于准静止状态,字符信息,STORMID风暴编号AZ风暴的方位RAN与雷达头的距离FCST预测的风暴移向，即来向MVT预测的风暴移速TRKERR跟踪误差（距离、移向）DBZM最大反射率因子的数值HGT-最大反射率因子所在高度,风暴单体的识别和跟踪算法（SCIT）,风暴单体段,风暴单体质心,风暴单体跟踪,风暴位置预报,3.1.1风暴单体段,定义段是在某一锥面（仰角）沿径向排列的、反射率大于或等于特定阈值的一组相邻距离库.长度2公里,处理过程沿径向按7个不同的反射率阈值搜寻单体段夹在相邻两个阈值之间的距离库，其反射率与高一级阈值差5DBZ、且距离库数2，则划为高一级阈值的段每个径向上每个阈值的段数最多为15！,搜寻段示意,3.1.2风暴单体质心,定义分量在单体中某一锥面（仰角）扫描上，阈值相同、方位相邻的段所构成的区域质心单体质量中心的三维位置,构成分量的阈值:相邻的段数：2个2个相邻段的方位差1.5,径向重叠距离2公里分量所占区域面积10平方公里,风暴单体质心,处理过程:在锥面上(仰角扫描)分析完每个径向的段后，将锥面上相邻风暴段组合成“二维”风暴分量如果不同阈值的分量相互重叠，则只保留最大阈值的分量分量质量分量的等效液态水含量的估计值计算分量的质心、分量质量按间距5公里/7.5公里/10公里三种阈值进行分量质心垂直关联。如果某一分量质心与相邻锥面的质心关联数超过1个，取最大质量的质心计算出单体的质心,图。,砖形轮廓线表示30dBZ阈值风暴段。风暴段将被组合成一个“二维”分量,较高阈值分量区域中的较低阈值分量被去掉,确定风暴质心,风暴单体质心算法的输出,质心的方位（极坐标）质心的高度（ARL相对于雷达高度）最大反射率（3个距离库的平均）最大反射率的高度（波束中心点高度ARL）单体底和顶高（ARL）分量数目基于单体的垂直累积液态水含量（VIL）,基于风暴单体的垂直积分液态水VIL,风暴单体各仰角扫描最大反射率因子计算的液态水总和,3.1.3风暴单体跟踪,预报位置,预报位置,前次体积扫位置,前次体积扫位置,R3,R7,3.1.4风暴未来位置预报,风暴位置预报是依据过去风暴移动的记录来预报单体未来1小时内每15分钟间隔的质心位置,STI产品的局限性,当两个风暴单体很靠近时，只能识别为一个风暴由于静锥区的原因，当风暴很接近雷达时，许多有关风暴的信息因缺探测资料而不可靠当风暴处于发展或消亡阶段时，高反射率因子核的变化较大，因而识别就可能出现较大差错路径预报采用的是直线预报方式，对于曲线运动的风暴的识别也可出现较大差错,3.2风暴结构产品（SS62）,是字符产品，提供有关风暴结构的特征信息最大计算范围345公里主要信息：最大反射率及其所在高度（相对雷达头）基于风暴单体的垂直积分液态水含量（VIL）风暴底（30DBZ）和顶的高质心位置等每个体扫更新一次风暴结构产品SS例子,3.3冰雹指数（HI59）,冰雹指数产品是警示风暴是否可能产生冰雹的一个指标，主要是图形产品在0层高度以上检查高反射率因子值，用冰雹指数算法（HDA）计算得到：冰雹概率POH（以10%为单位）大冰雹（直径2厘米)概率POSH（以10%为单位）最大可能冰雹尺寸MEHS计算范围230公里，每个体扫更新一次,新冰雹指数产品符号,30%POH50%,50%POH，POSH最小POSH显示临界值30%,30%POSH50%,老冰雹指数,老冰雹指数是指用第七版本的气象算法软件包得到的：POSITIVE肯定PROBABLE可能NONE否定（无符号）INSF不足够（无符号）没有足够的资料分析风暴,冰雹指数产品,新冰雹指数产品老冰雹指数产品,3.3.2冰雹指数的算法,0C和-20C层的高度（通过探空获得并输入给冰雹指数算法）高悬（0C层以上）的高反射率因子核（45DBZ）及时更新上述等温线的高度值对算法的成功极为重要,任意大小冰雹概率POH与0C层、45DBZ层高度的关系,大冰雹概率的计算,计算大冰雹指数SHI（经验关系）与反射率因子权重函数、温度权重函数成正比与0C和-20C层的高度、风暴单体顶高有关计算冰雹发生预警阈值WT与0C层的高度成正比PSOH=29（SHI/WT）+50,可能最大冰雹尺寸,MEHS=2.54(SHI)0.5单位:mm,3.4中气旋（M）与龙卷涡旋特征（TVS）产品,3.4.1中气旋产品（M60）,图形与文字结合的产品产品编号：M60最大识别范围：230公里只在一个PPI上有满足中气旋方位切变阈值的环流非相关切变。只在文字信息中标注只在两个相邻锥面上有满足中气旋方位切变阈值的环流三维相关切变。细黄圈表示在两个及以上相邻锥面上有满足中气旋方位切变阈值的环流中气旋。粗黄圈表示,中气旋产品,中气旋产品的属性表：ID风暴编号FEATURE强切变的性质（非相关/三维相关/中气旋）AZ/RAN强切变相对雷达头的方位和距离BASE/TOP强切变的底部和顶部高度(ARL相对雷达头)RAD/AZDIA强切变（两中心）的径向与方位距离产品例子,强风暴实验室NSSL的中气旋算法与88D风暴序列算法的对比,3.4.2龙卷涡旋特征(TVS61),图形与文字结合的产品产品编号：TVS61在识别出中气旋的基础上，从中气旋环流邻近区域的平均径向速度中搜寻TVS，且在两个相邻PPI上都存在TVS。用红色实心三角表示最大识别范围：100公里主观判断TVS例子客观计算判断TVS例子,龙卷涡旋特征,龙卷涡旋特征产品的属性表：ID风暴编号AZ/RANTVS中心相对雷达头的方位和距离HEIGHTTVS最强切变相对雷达头的高度SHEARTVS的值ORI/ROTTVS（两中心）的径向与方位距离TVS61实例,TVS评分对比(6个例）,NSSLTVS88DTVS(opt)88DTVSPODFARCSIHSSPODFARCSIHSSPODFARCSIHSS43483146377816263030,3.5垂直累积液态水(VIL57),反映降水云体中，在某一确定的底面积（4KM4KM）的垂直柱体内液态水总量分布的图形产品极坐标显示产品号为57，显示范围230公里数据色标等级：16最大计算范围:230公里它是判别强降水及其降水潜力，强对流天气造成的暴雨和冰雹等灾害性天气事件的有效工具之一,垂直积分液态水产品,VIL例子1VIL例子2,垂直累积液态水（VIL）算法,假定回波均由液态水所产生，由经验公式将反射率因子DBZ转换成相当的液态水含量液态水混合比的经验公式：,M液态水混合比，Z雷达反射率因子Z值的上限取为55dBZ以减少冰雹污染,计算步骤,把每个PPI极坐标形式的回波强度R转换成直角坐标（4KM4KM）的R把以dbz为单位的R转换成以Z（mm6/m3）为单位的R值计算第I层的PPI资料中位于4KM4KM底面积垂直柱体内的M值计算每一个底面积的柱体内的液态水含量的累积值,计算公式,Oklahoma发生大冰雹所必须的VIL估计值,垂直积分液态水产品的局限性,降水滴谱的大小严重影响R的大小，RD关系不确定性超过200公里或小于20公里的VIL值不可靠过分倾斜或快速移动的风暴的VIL可能低估受波束的填塞系数的影响VCP11计算的VIL比VCP21计算的VIL稳定在非对流降水中,存在0C层反射率因子亮带时,VIL有明显误差,3.6相对风暴平均径向速度图（SRM）,与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运动速度（缺省值），或减去由操作员选定的风暴运动速度分辨率1公里，显示范围230公里数据色标等级:16产品编号：56从4个250米距离库中选取最大的值,相对风暴平均径向速度图,主要用于识别方位切变：中气旋M龙卷涡旋特征TVS局限性：STI的跟踪结果不对不能用于识别阵风锋最大不模糊速度25m/s,相对于风暴的平均径向速度图(SRM),2019/11/18,65,可编辑,3.7回波顶（ET）,回波顶定义为：当18dBZ的反射率因子被探测到时，对应其上空雷达可探测到的18.3dBZ回波所在高度高度是相对海平面的,即雷达头RDA的拔海高度回波相对RDA的高度分辨率为4km4km，显示范围230公里。垂直高度范围：1.5公里21.3公里数据色标等级：16产品编号ET41用途：用于探测风暴,回波顶（ET）,回波顶越高，系统的强度越强局限性：由于雷达静锥区的存在，雷达附近的顶会被过低估计由于缺乏向上的垂直外推，很难决定风暴的最高回波顶在大范围降水中，产品很可能是一“阶梯”形状的,“阶梯”状回波顶的由来,回波顶产品1,回波顶产品2,3.8回波顶等值线（ETC）,是回波顶的等值线形式产品编号:ETC42等值线间隔、等值线起始值可在RPG一端设置,回波顶等值线（ETC）,3.9强天气概率(SWP),以图形形式显示风暴单体未来30分钟内发展成强对流风暴的可能性大小(概率值大小)分辨率:14公里,范围:230公里产品编号47算法：依据基于风暴单体的VIL计算结果，用统计方程计算得出概率,3.10降水产品,一小时累计降水量(OHP78)三小时累计降水量(THP79)风暴总累计降水量(STP80)用于确定可能遭受洪水或暴洪袭击的产品,一小时累计降水量(OHP78),图形产品分辨率22公里（由12公里的数据转换而来），最大计算范围：230公里产品数据色标：16个等级从雷达探测到降水的第一个体扫开始，连续54分钟内的降水量估算的累计。然后每个体扫后都更新一次OHP78的例子,三小时累计降水量(THP79),图形产品分辨率22公里（由12公里的数据转换而来），最大计算范围：230公里产品数据色标：16个等级当前一小时的累计降水量与前两小时的每小时累计降水量的总和。每小时更新若连续40分钟无新资料输入，则不生成该产品THP79例子,风暴总累计降水量(STP80),图形产品分辨率22公里（由12公里的数据转换而来），最大计算范围：230公里产品数据色标：16个等级从雷达探测到降水的第一个体扫开始，连续每个体扫都更新一次STP80例子,3.11组合反射率因子和分层组合反射率因子,3.11.1组合反射率因子3.11.2组合反射率因子等值线3.11.3分层组合反射率因子,3.11.1组合反射率因子（CR）,显示单位垂直气柱内的最大反射率因子投影在笛卡尔坐标面上的产品230公里显示范围的分辨率1km1km，460公里显示范围的分辨率4km4km，两个数据色标等级（8，16），共4个产品（35-38号）最常用的为37号产品：1km分辨率，显示范围230km，16个数据级揭示了一个体积扫中的最高反射率因子,组合反射率因子（CR）,局限性：对强风暴低层有意义的特征结构无法表示最大反射率因子所在高度不能表示实例1实例2实例3,3.11.2组合反射率因子等值线（CRC）,是组合反射率因子的等值线形式产品编号：39、40等值线间隔可在RPG一端设置,3.11.3分层组合反射率平均值(LRA),分层组合反射率平均值(LRA)将各层中的所有锥面扫描(PPI)的平均反射率值投影变换到直角坐标系中计算各层中所有格点上平均反射率的平均值分层数:3产品编号：LRA(63、64、84),3.11.4分层组合反射率最大值(LRM),分层组合反射率最大值(LRM)将各层中的所有锥面扫描(PPI)的平均反射率值投影变换到直角坐标系中计算层上所有格点上平均反射率的最大值分层数:3分层组合反射率最大值产品编号LRM(65、66、90),分层组合反射率平均值及最大值产品,每层分辨率:44公里显示范围：460公里每层数据色标等级：8个各层的缺省位置（平均拔海高度MSL）：地面到7.3km7.3km到10.1km10.1km到18.3km中或高层产品通常用于估计较高反射率的高度，与基本反射率的对比有助于决定风暴的强度趋势,例子,在低层组合反射率产品中，某一44km网格点仅使用了二个最低仰角。对此网格点，分层组合反射率平均值及最大值是多少？仰角度数1km分辨率的dBZ值0.542,44,46,481.550,52,54,56LRM（最大反射率）=56dBZLRA（平均反射率）=392/8=49dBZ,分层组合反射率平均值及最大值产品,分层组合反射率平均值实例分层组合反射率最大值实例,3.12合成切变(CS)与合成切变等值线产品(CSC),3.12.1合成切变(CS),以雷达为中心、230公里半径范围的直角坐标系、某个设定仰角的平均径向速度切变产品（缺省为1.5)是径向切变与方位切变的矢量的模值数据色标等级:16四种分辨率:500米、1公里、2公里、和4公里产品编号：CS87主要用途：识别阵风锋的低层切变、下击暴流等,3.12.2合成切变等值线(CSC),是合成切变(CS)产品的等值线显示产品产品编号：CSC88,3.13垂直剖面产品（CS）,垂直剖面产品包括:反射率因子剖面RCS(50、85)平均径向速度剖面VCS(51、86）速度谱宽剖面SCS（52）可在半径为230公里的雷达覆盖范围内的任意两点间作剖面水平范围：230公里垂直高度：21公里水平分辨率：1公里垂直分辨率：500米,垂直剖面产品,RCS、VCS各有8、16两种数据色标等级SCS只有一种数据色标等级：8用一个体扫的所有1km分辨率基本数据对没有数据的地方用相邻二个仰角的资料垂直插值，垂直间隔为0.5km没有从最高或最低仰角向外外插垂直插值方法,反射率因子垂直剖面,主要用于探测风暴的垂直结构实例1实例2实例3实例4,平均径向速度剖面,从4个250米距离库中选取最大的值,平均径向速度剖面,一个风暴的反射率因子剖面,一个风暴的平均径向速度剖面,一个风暴的谱宽剖面,3.14窗口产品,所谓窗口产品，是对某些雷达产品进行局部区域放大显示，在雷达230公里半径范围内以某一点为中心的50kmx50km范围内显示所指定的产品窗口产品主要包括强天气分析产品、风暴相对平均径向速度区以及弱回波区产品,3.14.1强天气分析产品SWA,以可能的最高分辨率提供了4个不同的产品：反射率因子(SWR)、平均径向速度(SWV)、谱宽(SWW)及方位切变(SWS)提取范围：250公里强天气分析反射率因子产品编号SWR43（10.5公里，色标等级16）强天气分析平均径向速度产品编号SWV44（10.25公里，色标等级16）强天气分析谱宽产品编号SWW45（10.25公里，色标等级8）强天气分析方位切变产品编号SWS46（10.5公里，色标等级8）,强天气分析产品SWA,可在屏幕上作四分屏显示四个不同的产品，也可单独显示某个强天气分析产品当某个强天气（如中气旋）发生时，强天气分析产品可自动生成，且区域为最接近该系统的方位、距离和仰角上用户也可设定在某个方位、距离和仰角上显示强天气分析产品,强天气分析的反射率因子(SWR),3.14.2风暴相对平均径向速度区SRR,SRR是减去风暴跟踪信息算法得到的风暴移动径向速度后的平均径向速度，取2个速度距离库中最大的一个值。与SRM产品类似是一个“窗口”产品,其中心可由操作员在230km雷达半径内任意指定分辨率:10.5公里产品编号:SRR55SRR是减去最接近“窗口”产品中心的风暴单体运动的平均径向速度，或由操作员输入指定风暴单体运动值,相对于风暴平均径向速度区(SRR),3.14.3弱回波区WER,在以某点为中心的50kmx50km范围内，8个仰角的反射率因子的集合以平面直角坐标的形式显示8个锥面(仰角)上选定区域的反射率因子,各个仰角对应的平面在垂直方向上是以相等距离分隔平面的方向总为从南到北，坐标单位：KM该区域和仰角可由用户选定分辨率:11km产品编号WER53,弱回波区WER,根据反射率核及其垂直方向上的回波分布，可识别风暴的倾斜性较难识别有界弱回波区弱回波区例子,3.15速度方位显示（VAD）和速度方位显示风廓线（VWP）,3.15.1速度方位显示（VAD）,VAD是特定高度层上平均径向速度与方位角度的图形显示产品产品编号：84VAD技术是雷达完成一个体扫之后，由VAD算法按最优斜距（30公里）寻得与指定高度相交的某一仰角的降水区中平均径向速度，按正弦函数对实测值进行最小二乘拟合每个等高度面对应的斜距是变化的前提假设条件：实际的水平风场是均匀的！取样的数据个数须多于25！用对称性和均方根估计正弦曲线的拟合程度,VAD算法的最佳斜距(30公里)、波束与等高面的关系,VAD技术,速度方位显示VAD,对称性-它是最小二乘拟合方程的第一项。表示风速的均匀性，值越大，越不均匀对称性值0，表示风速辐散；对称性值0，表示风速辐合对称性的阈值：7m/s均方根表示曲线拟和的好坏程度。值越大，拟合越差，越不可靠均方根的单位：m/s均方根的阈值范围：115m/s，缺省为5m/s一旦超过阈值，VAD计算结果不会作为其它产品算法的输入值,速度方位显示VAD,在产品的状态区中能发现下列数据：ALT拔海高度（KM）RMS均方根误差误差（kts）WD计算出的风向（）WS计算出的风速（m/s）E计算用的仰角（deg.)SR计算用的斜距（KM）拟合曲线方程式显示在图形的底部,速度方位显示(VAD),速度方位显示(VAD),3.15.2速度方位显示风廓线（VWP）,在时间高度坐标中显示平均水平风(由VA