（气象学专业论文）新一代天气雷达体扫模式的探讨.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个入在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 己 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论 文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： i i i 鲣 新一代天气雷达体扫模式的探讨研究 本文包括3 个部分： 摘要 第一，新一代天气雷达两种体扫模式v c p l l 和v c p 2 1 的比较 介绍了两种模式v c p l l 和v c p 2 1 基数据的数据结构，从其结构着手，读取 v c p l l 中与v c p 2 1 模式仰角相同或者相差不大的共1 1 层的数据，建立了v c p 2 2 模式，再由v c p l l 及v c p 2 2 模式的基数据生成的产品进行对比研究，重点比较 了对强对流风暴探测和预报起较大影响的产品如回波顶高( e t ) ，v a d 风廓线 ( v w p ) ，垂直液态水含量( v i l ) ，反射率垂直剖面( r c s ) ，冰雹指数( h i ) ， 组合反射率( c r ) ，弱回波区( w e r ) 等。从而说明了v c p l l 和v c p 2 l 两种模式 在一些天气形势中探测的异同点，及两种模式适用的天气类型。 第二，在实际业务工作中对强对流云( 冰雹云) 探测方法及v c p d l 模式 的提出 介绍了对流云的结构特点，实际业务中探测冰雹云及对流云降水的流 程：为了更好地对其进行探测。提出了新一代天气雷达探测强对流的体扫模 式v c p d l ，v c p d l 新模式由v c p 2 1 基数据插值而成，经过效果检验，模式v c p d l 在一些产品如回波顶高，垂直积分累积液态水含量，- 4 , 时累积降水量等产 品上均优于v c p 2 l 模式。 第三，在实际业务工作中对台风探测和定位的方法及v c p t f 模式的提出 介绍了台风探测和定位的理论方法，再从实际业务工作出发，得出一些 台风定位的经验，提出了新一代天气雷达探测台风的体扫模式v c p t f ，经过 效果检验，与v c p 2 1 相比，v c p t f 模式可以达到绘台风较早定位，并且定位比 较准确之目标。 关键词新一代天气雷达v c p l l v c p 2 1 v c p 2 2 v c p d l v c p t f t h er e s e a r c ho fc i n r a d s av o l u m ec o v e r a g ep a t t e r n s a b s t r a c t t h i sp a p e ri n c h d e st h r e ep a r t s ： t h ef i r s to n ei st h e c o m p a r i s o no fv c p l la n dv c p 2 1 r e c o m m e n d i n gt h er a d a rb a s ed a t as t r u c t u r e sa n dr e a d i n g11 l a y e r sd a t a so ft h es a m ee l e v a t i o no rs o ，e s t a b l i s h i n gv c p 2 2 p a t t e r n s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h ep r o d u c t so ft w ov c p s ， s t r e s s i n gt h e s ef a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ed e t e c t i n go fs t r o n g c o n v e c t i o ns t o r ma n d t h eo b v i o u se f f e c t p r o d u c t s o f p r e d i c t i o n ，s u c ha se t 、c r 、v w p 、r c s 、w e r 、v i l 、s w p ，e t c t h e r e s u l t ss h o wt h a tt w ov c p sd e t e c ts i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s f e a t u r e si nt h ew e a t h e rs i t u a t i o na n dt h e i r a p p r o p r i a t e w e a t h e rt y p e s t h es e c o n dp a r t si n t r o d u c et h ed e t e c t i n gm e t h o do ns t r o n g c o n v e c t i o nc l o u d ( h a l i s t o n ec l o u d ) i n p r a c t i c a lw o r k 。 i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro ft h es t r o n gc o n v e c t i o n c l o u da n dt h ep r e c i p i t a t i o no fd e t e c t i n gt h eh a l i s t o n ec l o u d a n dt h ec o n v e c t i o nc l o u d s ，p u tf o r w a r dt h ed e t e c t i n gt h es t r o n g c o n v e c t i o nm o d e lo fv c p d l a f t e rt h e c o m p a r i s o n o ft h e p r o d u c t s ，s h o wt h a tv c p d li sb e t t e ro fv c p 2 1 t h el a s to n ed i s c u s s e st h em e t h o do ft y p h o o nd e t e c t i n ga n d o r i e n t a t i o na n dg e ts o m ee x p e r i e n c eo ft y p h o o no r i e n t a t i o ni n p r a c t i c a lw o r k ，a tl a s t ，p u tf o r w a r dt h ev c p t fm o d e lo f d e t e c t i n gt y p h o o n a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h ep r o d u c t s ，s h o w s t h a tv c p t fi sb e t t e ro fv c p 2 1i no r i e n t a t i o n ，a n dt h er e s u l t s 0 fo r i e n t a t i o ni sm o r ea c c u r a t et h a nv c p 2 1 k e yw o r d ：c i n r a d s a v c p l1v c p 2 1 v c p 2 2v c p d l v c p t f 2 1 1 引言 第一章绪论 早在六十年代，美国就开始了多普勒技术在天气雷达应用中的研究：七十 年代，多普勒天气雷达技术有一重大突破，就是对相干信号进行处理的脉冲对处 理技术的出现，它使得多普勒天气雷达回波信息可以得到实时的提取和处理；与 常规天气雷达相比，多普勒天气雷达具有明显的优势，它不仅具有良好的定量 测量回波强度的能力，而且还可以利用降水回波频率与发射频率之间变化的信 息，即多普勒效应来测定降水粒子的径向( 朝向露达和远离雷达方向) 运动速度， 并通过这种速度信息反演出实际风速的分布，及垂直气流速度、大气湍流、降水 粒子谱分布，降水中特别是强对流降水中的风场结构特征，因而能大大提高对一 些灾害性天气如雷暴、冰雹、龙卷、暴雨、台风等的探测及预报能力：正因为如 此，到了九十年代，美国在全国范围内广泛使用了w s r - b 8 d 型雷达，在1 9 9 ( 年 秋至1 9 9 7 年6 月底”1 ，完成了在美国境内及海外布设1 6 6 套w s r 一8 8 d ( w e a t h e r s u r v e i l l a n c er a d a r - 1 9 8 8d o p p l e r ) 系统的布设计划，形成了强有力的多普勒 天气雷达监测网。我国于1 9 9 8 年开始在全国范围内布设多普勒天气雷达网。9 9 年引进w s r 一8 8 d 技术生产的第一部新一代天气雷达在合肥安装并投入使用：就福 建省而言，已经在厦门、长乐、龙岩、南平四个城市布置了新一代天气雷达w s r 一9 8 d 系统；w s r 一9 8 d 系统一方面继承了其前产品一美国下一代多普勒天气雷达 w s r - 8 8 d 的优点，另一方面又引入了当前多方面的技术成果，并根据我国的实际 情况作了较大改善。新一代天气雷达w s r 一9 8 d 系统是智能型的探测系统，它有丰 富的软件支持对获取的探测信息进行综合处理，除了实时提供降水回波图像分析 的信息外，还具有准实时的对多种灾害性天气的自动识别、追踪等产品，业务应 用中都很方便：但是，该系统体扫模式中的仰角均是固定的，用户不能随意更改， 而一些天气如层状云降水、对流云降水、冰雹、台风等显然结构、机制都不一样， 是否都适用同体扫模式却还有待探讨。 1 2 国内外研究历史及现状 对于在过去的4 0 多年中，气象工作者们针对天气雷达系统开发了许多风暴、 暴雨识别的方法，w i l k 和g r a y ( 1 9 7 0 ) 在w s r 一5 7 系统上使用了一种叫作风暴中识 别( s t o r mc e n t r i o di d e n t i f i c t i o n ) 的方法，此方法在单p p i 强度资料中搜索 出强度大于一定阂值的二维连续区域，以强度为权重的中心位置作为风暴的位 置。这个算法后来被z i t t e l ( 1 9 7 6 ) 和其他人采用和修改过，g r a n e ( 1 9 7 9 ) 把这个 算法由二维区域合并成三维风暴体；后来在此基础上开发了不同的识别方法0 1 “， w s r 一8 8 d 风暴识别算法也是在此基础上产生的。b i g g e r s t a f f ，m i a n d l i s t e m a a ，s a “”为了提高雷达定量测量降水的精度，将回波分成层状云降水回波 和对流云降水回波。9 0 年代杜秉玉等人“3 1 ”第一次利用多普勒天气雷达观测资 料，分析研究了梅雨锋暴雨的边界层中尺度涡旋系统和中尺度对流回波系统的结 构和特征，分析梅雨锋的回波特征，发现中尺度对流回波带( 区) 还可以分成三 种；提出了梅雨锋内弱的低层辐合下暴雨对流回波的中尺度回波增强区( m e e r ) 概念，在d o p p l e r 水平风场中有明显的气旋性切变。陈秋萍等人“利用多普勒回 波资料对夏季对流云降水进行了初步探讨。郭林等人”对福建的短时暴雨按天气 形势进行分类，初步分析研究了不同天气形势下短时暴雨的雷达回波特征。黄小 玉“”研究了对梅雨锋暴雨的回波分类及其自动识别算法。 国内外对多普勒天气雷达资料研究和应用已做了大量的工作，不过从目前来 看，对体扫模式的研究还比较少，国外刚开始在试验新的体扫模式，如探测对流 云降水( 强对流) 的v c p g a m m a 模式，探测快速演变单体的v c pd e l t a 模式，探 测层状云降水( 浅对流) 的v c pb e t a 模式等“；而我国还没有进行相关的试验。 体扫模式的改变，涉及到一些气象产品算法的改变，是一项复杂的工作。因此本 文比较了v c p l l 和v c p 2 1 两种模式异同点，分析其差异产生的原因，再从实际业 务工作中对特殊灾害性天气如冰雹、台风的探测方法着手，分析一些算法的不足 之处，及其产生的根源和改进方法，从而提出了适合探测当地冰雹和台风的 v c p d l 、v c p t f 两种体扫模式。 1 3 研究的目的和意义 新一代天气雷达在对一些特殊的灾害性天气如台风等的探测时，有时候产品会不 太令用户满意，给台风的预报带来了困难，出现这种现象，主要是因为其体扫模 式不理想，在实际工作中有时会强制降低雷达天线的基准仰角，因此，本文首先 比较了v c p l l 、v c p 2 1 的差异，说明两中模式分别适用的天气类型，然后结合当 地的天气特点和实际工作经验试着提出适合当地特殊天气的的体扫模式，以期对 灾害性天气进行更好的探测和预报。 1 4 论文主要内容 1 4 1 新一代天气雷达两种体扫模式v c p l l 和v c p 2 1 的比较 v c p l1 模式下的基数据经过处理，转换为和v c p 2 1 同样结构的基数据v c p 2 2 ， 比较两种模式下的一些主要产品，结果表明在探测强对流天气时，v c p l l 与v c p 2 l 的探测效果并不一样，v c p i1 更适合于探测近距离的强对流单体。 1 4 2 新一代天气雷达对强对流云的探测及体扫模式v c p d l 的提出 介绍了新一代天气雷达在探测强对流云时的一些实际工作经验及方法，说明 了体扫模式v c p l l 和v c p 2 1 有时并不一定符合当地的天气特点，提出了探测强 对流新的体扫模式v c p d l ；经过对比研究，v c p d l 模式的一些产品优于v c p 2 1 模 式，更接近于实况。 1 4 3 新一代天气雷达对台风的探测及体扫模式v c p t f 的提出 介绍了新一代天气雷达在探测台风时的一些实际工作经验，说明了在实际工 作中对台风定位的方法，举例说明v c p l1 和v c p 2 1 模式探测台风的不足之处， 提出了探测台风新的体扫模式v c p t f ；经过对比研究，v c p d l 模式能更好地探测 较远距离的台风，比v c p 2 1 模式能更早地对台风进行定位，并且一些产品也优于 v c p 2 1 模式。 第二章新一代天气雷达两种体扫模式v o p i1 和v c p 2 1 的 比较 2 1 引言 新一代天气雷达体扫模式表提供两种：晴空模式和降水模式，降水模式包括 v c p i l 和v c p 2 1 ；其中v c p i l 在5 分钟内完成1 4 个不同仰角的扫描，而v c p 2 l 是 在6 分钟内完成9 个不同仰角的扫描；由于v c p l l 在垂直方向上有较多的采样层 次，因而具有较高的辩别能力：而v c p 2 1 由于天线转速较慢，雷达采集的反射率 因子和速度数据相对而言更为准确，并且其数据量较小，处理速度更快，资料保 存更方便；由于具有这些优点，在实际观测中，一般较多使用v c p 2 1 模式，而 v c p l l 使用很少，甚至没有使用。但v c p i i 由于速度快，只需5 分钟，显然更有 利于探测快速演变的强对流单体，并且就其生成的产品来看，v c p i i 也更加准确； w i t t “”曾根据两部雷达分别采用v c p l l 和v c p 2 1 模式对同一风暴进行探测，其产 品具有明显不同，他认为产生这种差别的主要原因是因为v c p 2 1 在垂直方向上采 样较少，分辨率低，导致其产品较为粗糙。国外正在试验适合各种天气类型的新 体扫模式，如探测强对流的v c pg a m m a 模式，其特点就是增加在垂直方向上中低 层的采样层次：我国目前在这方面的试验还比较少，只总结了一些灾害性天气如 冰雹和暴雨的多普勒雷达资料概念模型“5 “”，但这些模型最适合哪样的体扫模式 还没有进一步的对比研究。 用两部不同的c i n r a ds a 分别使用v c p i1 和v c p 2 1 去探测同一风暴，由于 距离的影响，较难区分两种模式的差异；因此，本文试着对v c p l l 模式的基数据 进行处理，去掉其中的5 个仰角，使之成为与v c p 2 1 相类似的模式，称之为 v c p 2 2 1 ，通过对v c p l l 和v c p 2 2 产品的比较，得到两种产品的特点及差别，分 析其产生差别的原因，从而说明v c p i l 和v c p 2 1 模式的不同特点，以及两种模式 分别适应的天气类型；此外，为今后试验适合我国天气特点的新的体扫模式提供 有益的探索。 2 2 新一代天气雷达扫描方式介绍 新一代天气雷达的体扫描策略v c p i1 、v c p 2 1 、v c p 3 1 ：下面以v c p 2 l 为例 来说明 v c p 2 1 的扫描方式为取9 个固定的仰角，在每一个仰角位置进行方位扫描， 仰角取值区为0 5 0 ，1 4 5 ，2 4 0 ，3 3 5 ，4 3 0 ，6 0 0 ，9 9 0 ，1 4 6 0 ，1 9 5 0 。其中 o 5 0 ，1 4 5 为低仰角区，2 4 0 ，3 3 5 ，4 3 0 ，6 0 0 为中仰角区，9 9 0 ，1 4 6 0 ，1 9 5 0 为高仰角区，在低，中，高仰角区，天线在方位上的旋转速度及发射脉冲的重复 频率是不相同的 在低仰角测量反射率时，希望作用距离远，故采用低的脉冲重 复频率，此时不获取目标的速度信息，为了测速需要采取高的脉冲重复频率，但层 在距离模糊问题，因此，在0 5 0 ，1 4 5 低仰角区，为了获取翻身率和速度信息，要 作两次方位扫描，第一次扫描发射低重复频率，用于测量反射率因子，第二次扫描 发射高重复频率的脉冲，用于测量速度，但此时存在距离模糊，要以第一次扫描时 的回波功率为参考，进行距离解模糊，从而在测量目标速度时得到目标距离，由于 要作两次3 6 0 度的扫描，故信息获取的速度较慢；在2 4 0 ，3 3 5 ，4 3 0 ，6 0 0 的中 仰角区，为了提高信息获取的速度，采用了不同的扫描方式，其方法是，在任意 方位角上天线波束的驻留时间内，先发射几个低重复频率的脉冲用于测量反射 率，再发射若干高重复频率的脉冲用于测量速度：在9 9 0 ，1 4 6 0 ，1 9 5 0 的高仰 角区，发射高重复频率的脉冲用于测量速度和反射率，此时需要探测的距离短， 不存在距离模糊问题。 从以上体扫描的工作方式可以看出，天线波束宽度、脉冲重复频率、与天线 旋转速度之间要保持一定的关系，目的是在每一个径向上获取足够的脉冲数以便 进行信号处理。所以在低、中、高仰角区采用的脉冲重复频率不同，对应的天线 转速也不同。2 ”；相应的，v c p i l 比v c p 2 i 多了5 个仰角的p p i 扫描，但扫描方 式与v c p 2 1 一样。表l 列出了新一代天气雷达的基数据格式。 参考国内外的一些 用v i l 在降水估测方面的 文献，潘江。”等研究了利 应用：王炜m 1 等利用v i l 预测冰雹；杨引明“1 提出冰雹概率指数预报：h = o 2 0 x + 0 2 0 x ：+ o 2 0 x 。+ o 2 0 l + o 2 0 x 。，其中x 为弱回波区：x ：为最强回波高度是否上升， x ；为垂直风切变是否较大，由v a d 风廓线获得，x 为回波顶辐散是否较强，x 。为 v i l 是否较大：因此本文主要比较了回波顶高( 产品号4 1 ) ，v a d 风廓线( 产品 号4 8 ) ，垂直液态水含量v i l ( 产品号5 7 ) ，弱回波区等一些对风暴的探测和预 报起较大影响的产品。 2 3v o p l1 模式基数据处理方法 表2 所示，v c p l l 和v c p 2 1 最低的5 个仰角是相同的，在v c p l l 模式中去掉5 2 5 。，7 5 。8 7 。，1 2 0 。，1 6 7 。这5 个仰角的数据而保留剩下的9 个仰角的 数据，成为v c p 2 2 模式( 表1 ) ；对比v c p 2 1 与v c p 2 2 ，均为9 个仰角，只有3 个 仰角不一样，差别分别为0 2 。，0 1 a ，0 6 。，故可以认为v c p 2 2 近似等于v c p 2 1 。 如果要用两部雷达分别采用v c p l l 和v c p 2 1 两种模式去探测同一风暴，在实 际中往往难以实现，并且由于距离的影响，也难以比较两种模式的异同点，因此 上述方法完全可以解决这问题。r o d g e ra b r o w n 等采用此方法比较了v i l 、冰雹 指数、中气旋、t v s 等产品。 实际中，当雷达进行体扫的时候，由于前两个仰角均扫描了两次，故v c p ll 和v c p 2 1 的基数据实际上分别包括1 6 个和1 1 个仰角的数据，其中第一和第二个， 第三和第四个仰角是相同的。基数据v c p l l 到v c p 2 2 的转换可以通过编程实现。 转换程序说明：从v c p l l 基数据中读取相应的1 1 个仰角的数据，再重新写 入基数据v c p 2 2 中，从而实现转换，程序用v i s u a lc + + 6 0 编写。 经过转换后的基数据需要到w s r - 9 8 d 系统中进行回放，请求的产品有回波顶 高，v a d 风廓线，垂直液态水含量v i l ，剖面，冰雹指数，c r ，组合反射率，中尺 度气旋，风暴跟踪信息产品等。 2 4v c p l1 与v c p 2 2 两种模式在垂直方向上的采样层次的比较 国外在试验新的体扫模式( 如v c pg a m m a ) 时证实，雷达在垂直方向上采样 层次较密集时，能探测到更多的风暴，并且对同一风暴的连续跟踪时间较长，跟 踪的连续性又使得气象算法能较好地识别目标物的特征啸1 。图1 为两种模式采样 的比较( 假定雷达天线高度为零，长乐雷达天线海拔实际为6 4 8 米) ，在7 0 公里 距离处，1 2 公里高度以下，v c p l l 采集的数据有1 0 个，而v c p 2 1 仅7 个，且8 公里以上只有1 个；在1 4 0 公里处，高度约1 6 公里以下，两种模式采集的数据 分别为7 个和6 个。 2 5 所用雷达资料的天气过程分析 2 0 0 4 年5 月1 日。受西南气流的影响，福建省从北到赢出现了一次强对流 天气过程；刚开始，在三明龙岩的部分县市有对流性回波生成，随后，回波 向偏东方向移动，至1 8 ；3 0 分，回波移至永泰，闽清并发展为强雷暴，强度达 6 5 d b z ，高度1 4 公里，带来了冰雹大风等灾害性天气；长乐新一代天气雷达跟踪 了整个天气演变的全过程。同月t 2 日，受锋面的影响，福建南平三明，福州 等地区出现了一次强对流天气过程，1 9 ：0 0 回波在尤溪，阉清等地发展为强雷 暴天气，强度6 0 d b z ，高1 3 公里，局部产生了大暴雨。 本文主要使用了这两次强对流天气过程v c p ll 模式的基数据资料，另外还 有一些对流性不强的混合性降水资料和层状云降水资料。v c p l l 模式的基数据总 共为8 0 个。 2 6 两种模式下的产品比较分析 比较的两种模式的产品有组合反射率( c r ) ，组合反射率等值线产品( c r c ) 回波项高( e t ) 回波顶等值线产品( e t c ) ，垂直累积液态水含量( v i l ) ，速度方位 显示风廓线( v w p ) ，风暴跟踪信息产品( s t i ) ，回波顶高等值线产品( e t c ) 冰雹 指数图形产品( h i ) ，强天气概率( s w p ) ，组合切变产品( c s ) ，组合切变等值线 产品( c s c ) ，反射率垂直剖面( r c s ) 等。 2 ，6 1 组合反射率( c r ) 的比较 组合反射率因子产品( c r ) 揭示了所有回波中的最高反射率，决定风暴结 构特征和风暴的强度趋势。 组合反射率因子产品表示的是在一个体扫中，将常定仰角方位扫描中发现的 最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品。它显示了网格上方各个仰角上反射 率因子的最大值，示意图如下： 组合反射率因子产品( c r ) 显示出了整个大气空间中最大反射率因子的分布 和基本反射率因子比较，有助于探测风暴结构特征和强度等。通过组合反射率因 子可了解风暴得最强回波区域，再通过做剖面产品，可获取反映风暴垂直结构的 信息。可以叠加风暴综合属性表，蔺要地给出每个由算法所识别的风暴主要特征。 在强度大于3 0 d b z 的回波中，共比技了1 8 0 个风暴单体( 包括同一单体不同 时刻的产品，且距离均在1 5 0 公里内，下同) ，两种模式下v c p 2 1 与v c p 2 2 的强 度基本相同。仅有6 个近距离单体的v c p 2 2 值小于v c p il ，其差别也在5 d b z 以 内。究其原因，主要是因为这些风暴单体在垂直方向上的最大反射率因子值正好 位于v c p 2 2 中所缺少的仰角5 2 5 。、7 5 。、8 7 。、1 2 0 。及1 6 7 。中的一个 所对应的高度。 2 6 2 组合反射率等值线( c r c ) 产品的比较 本产品为组合反射率因子产品( c r ) 的以等值线形式表达，是根据用户设定 的等值线间隔对组合反射率因子作等值线分析所得。 图4 为两种模式下的组合反射率等值线图 2 6 3 回波顶高度( e t ) 的比较 回波顶( e c h ot o p s ) 是1 6 个数据级别的产品，它是在大于或等于1 8 d b z ( 可 调阈值) 反射率因子的回波被探测到时，显示以最高仰角为基础的回波顶高度。 回波顶是以平均海平面( m s l ) 为参考的，它是在雷达2 3 0 k m 内的4 k m * 4 k m 迪卡 尔网格上。此产品可通过对最高顶定位来识别较有意义的回波 在两次风暴过程中，分别比较了强度大于3 0 d b z 的回波单体8 0 个；在v c p i l 模式下，回波平均高度为1 l i2 公里，而在v c p 2 2 中，平均高度为1 0 3 公里；有4 6 个单体高度相同，3 4 个单体v c p 2 2 值小于v c p l l ，没有发现v c p 2 2 值大于v c p l l 的情况。v c p 2 2 值小于v c p l l 的情况同样可由v c p 2 2 中缺少的仰角来说明，当回 波顶部位于v c p 2 2 中缺少的仰角所对应的高度上时，v c p 2 2 值小于v c p i1 ；图5 b 为两种模式下回波顶高h 的差( h _ h 2 。) 在不同距离处的分布，差值较密集区在 3 0 一1 5 0k m 的范围内，当距离大于1 5 0k m 时，h 的差值为零，由图l 可知1 5 0k m 以上距离处的回波高度均在5 。仰角范围之下，此时两种模式扫描仰角完全一样。 图5 还可看出两种模式下大部分高度不相同的样本点分布在一个近似的直 线段上，究其原因，这也是由于v c p 2 2 模式所缺少的仰角造成的；表l 可看出 v c p 2 2 所缺的仰角对应v c p i l 中最近的仰角之差有：0 9 5 1 3 0 ，2 0 0 ， 2 5 2 7 2 8 0 ，图3 b 中h 的差值好象是一个随距离而变化的函数，由雷达测高 公式分析，这跟前两个仰角差0 9 5 i 3 0 及2 o o 有关。 匝至亟叵 图0 为2 0 0 4 年5 月1 2 日2 0 ：0 3 分两种模式下的回波顶高产品，在v c p i i 中两块高度分别为1 5 k m ( 距离1 4 5 k m ，方位l1 度) 和1 4 k 零( 距离1 0 0k m ，方位2 9 5 度) 的强对流回波，在v c p 2 2 中高度仅为1 4 k m 和1 2 k m 。 2 64 回波顶高度等值线产品( e t c ) 的比较 本产品为回波顶高产品以等值线的形式表达，根据用户设定的等值线间隔将 回波顶高算法所得的各个网格点上的回波顶高用等值线分析所得：回波顶高等值 线产品可以为飞行估计最强的对流区。 图7 是两种模式下相对应的回波顶高等值线产品。空间分辨率4 * 4 k m ，最大 探测半径2 3 0 k m ，等值线间隔1 5 k m ，起始等值线值为6 k m 。图中可以看出v c p i i 比v c p 2 1 更好地估计最强的对流区。 图7 回波顶高等值线产品图l 2 6 ，5 风暴跟踪信息产品( s t l ) 的比较 风暴跟踪信息产品( s t i ) 是w s r 一8 8 d 风暴单体识别和跟踪( s c i t ) 算法结 果的图形方式输出产品，s c i t 算法由四个部分组成：风暴段识别，风暴中心定 位，风暴单体跟踪和风暴位置预报。风暴段识别算法识别出每个p p i 上径向反射 率因子超过一定阈值的连续段，将识别结果输入风暴定位算法：风暴定位算法将 风暴段组合成每个p p i 上二维风暴分量，再根据风暴垂直相关性组合成三维风暴 单体，计算每个单体属性后输入风暴跟踪和位置预报算法；风暴跟踪和位置预报 算法通过对最后两个体扫描间风暴体匹配实现风暴跟踪，再作线性外推预报其位 置。 图8 为两种模式下相对应的风暴跟踪信息图形产品，产品最大探测半径 4 6 0 k m ，产品代码5 8s t i ，图象共显示出多个强风暴单体的跟踪信息。图中风暴 的每个位置间短线连接，对于新探测风暴，没有过去位置和预报位置，其中不同 位置意义如下： 0 表示风暴当前中心位置。 表示风暴过去位置( 包含了过去3 个体扫瞄时翱肭位置) o + 衰示风暴的预报位置( 预报时间每1 5 丹钟递增) 。 另外，图中绿色三角形表示产生冰雹的可能性，图象上方为所探测的各个风 暴的属性表，包括风暴号、风暴位置( 方位距离) 、出现冰雹强冰雹的可能性、 最大冰雹尺寸、以及o 度和负2 0 度层的高度。 图中可以看到v c p l l 比v c p 2 1 多探测到了风暴e o 。 2 6 6 冰雹指数产品的比较 冰雹指数图形产品是w s r 8 8 d 冰雹探测算法( h d a ) 的图形输出结果，w s r 一8 8 d 冰雹探测算法利用风暴单体识别和跟踪算法( s c i t ) 输出结果，查找o c 等温线高度上的强反射率因子值，o c 等温线上的强反射率因子值越强( 至少 4 0 d b z ) ，发生高度越高( 可超过负o c 等温线) ，产生冰雹强冰雹的可能性 ( p o h p o s h ) 就越大，冰雹尺寸也越大。 图9 为2 0 0 4 年0 5 月0 1 日0 9 时2 2 分冰雹指数图形产品，产品最大探测半 可能发生冰雹：冰雹最小显示阐值p o h 排雹填充阈值 么发生冰雹可能性很大，冰雹填充闺值s p o h 且p o s hs 强冰雹最小显示阈值 可能发生强冰雹：冰雹尺寸s 1 英寸，强冰雹最小显示阈值s p 0 泪强冰雹填充阈值 发生强冰雹可能性很大，冰雹尺寸l 英寸( 显示在三角形中问) ，p o s h 强冰雹填充阈值 径2 3 0 公里，产品代码5 9h i 。图中符号意义如下i 其中：p o h 是冰雹发生百分比，表示风暴单体发生冰雹的概率：p o s h 是强 冰雹发生的百分比，表示风暴单体产生强冰雹的百分比：m e h s ：表示可能发 生的最大冰雹尺寸，显示在三角形中间。 图像上方可叠加体属性表，包括风暴号、位置( 方位距离) 、产生冰雹强 冰雹的百分比、最大冰雹尺寸、0 和2 0 摄氏度等温层高度及更新时间等。 广 i 图9 冰雹指数产品图i 2 6 7 垂直累积液态水含量( v l l ) 的比较 垂直累积液态水古量v i l 原理： 假设降水云内雨滴直径的分布( 简称雨滴谱) 符合m - p 分布“，即 n ( 口) = 氓e x p ( 一b a ) ( 1 ) 其中a 表示雨滴直径，n 例表示直径范围从a 到d a 的雨滴数量，n 。与b 是分布参数。 根据反射因子z 的定义，其积分形式为。7 1 z = 卜o ) a 6 d a ( 2 ) 将式( 2 6 2 ) 代入式( 2 6 1 ) ，注意到r 函数的定义及性质3 ，可以得到 z - n o e x p ( 勘矿舡0 黟e x p ( _ m 口) = n o ( 3 ) 含水量的积分式为 m = 吉印抛 将式( 2 g 1 ) 代入式( 2 6 4 ) ，得 m = 吉印卜州勘出丢叫。降唧州， = l z p n 。警 如果诹m m 6 m 3 ，肥取1 c 一，b 取c m ，p 取g c m 3 ，胴叉g r n 3 作为单位，则有 z ：1 0 ”n 。羿 ( 6 ) d m = 抄叫。警 由式( 2 6 6 ) 、式( 2 6 7 ) 可得 z ：_ 型丑 ( 8 ) e 1 0 6 z p n o f ( 4 ) 4m 4 n 若令乒爿舻，其中 “：_ 型趣年：2 0 4 2 已1 0 6 z p n o r ( 4 ) 】4m ； 0 b 一7 1 7 5 4 则 或者 z = 2 0 4 2 1 0 4 m 1 7 5 4 ( 9 ) m = 3 4 4 1 0 - 3 2 4 ( 1 0 ) 垂直累积含水量v i l 的定义为某底面积的垂直柱体中的总含量，因此 顶高 v i l = 胁 ( 1 1 ) 患高 将式( 2 6 1 0 ) 代入式( 2 6 1 1 ) ，得 顶章! v t l = 1 3 4 4 1 0 0 2 4 d h ( 1 2 ) 矗 式( 2 6 1 1 ) 和式( 2 6 1 2 ) 为垂直累积含水量产品( v i l ) 的理论表达式，实 际使用体扫资料计算时需要将其离散化，则式( 2 6 1 2 ) 可以改写为 v i l = 3 4 4 x 1 0 - 3 窆( 2 每) i 4 她 ( 1 3 ) t l l 其中z 为第i 层高度上的雷达反射率因子，a ：为第i 层和第i + l 层之间的高度差， 为体积扫描的总仰角数。计算时单位为m ，v i l 单位为k g m 2 。 在所选取的8 0 个风暴单体的v i l 产品中，有5 2 个的值相同，1 9 个v c p l l 的值大于v c p 2 2 ，9 个v c p i1 值小于v c p 2 2 ，这两种情况分别是在v i e 值较小( 小 于2 0 千克平方米) 和较大( 大于4 0 千克平方米) 时出现，可见，v c p t l 的v l l 脉动小于v c p 2 2 的v i l 脉动( 图1 0 ) ；之所以出现v c p 2 2 的值大于v c p l l ，其算 法可以说明，由v i l 计算方法可知，当风暴在垂直方向上的最强回波反射率因子 刚好在v c p 2 2 模式中的仰角上时( 仰角大于5 度) ，此时的v c p 2 2 的v i l 值大于 v c p l l 的v i l 值。两种模式中的v i l 值差别多在1 0k g m 2 以下，在距离大于1 5 0 k m 时v i l 值都相等( 图l o b ) 。 图1 1 为2 0 0 4 年5 月1 2 日1 9 ：4 6 分的v i l 产品；距离1 i o k m ，方位2 9 4 度 处的风暴单体，在v c p i i 中v i l 值为4 5k g d ，而在v c p 2 2 中v i l 值达到5 5k g m 2 。 2 6 8 强天气概率( s w p ) 的比较 强天气概率原理：强天气概率产品应用垂直液态水含量( v i l ) 算法输出结 果，缺省采用7 个v i l x 7 个v i l 网格( 3 0 k m x 3 0 k m ) ，构成一个s w p 网格，在每 一个s w p 网格内对每个4 k m x 4 k m 网格点按v i l 值大小排序，然后应用以下统计 回归方程输出该3 0 k m x3 0 k ms w p 网格上的强天气概率值。 s w p = 5 8 2 0 + 0 0 4 6 a 一0 9 4 6 b 一0 5 7 6 0 其中口为s w p 网格内v i l 网格点数与s w p 网格内最大v i l 值的乘积。b 为v i l 大于l o 千克平方米的v i l 网格点数，c 为大于2 0 千克平方米的v i l 网格点数。 该方程美国国家天气局从6 5 0 0 个风暴中统计出来的，需要注意的是这个概 率值只与风暴产生强天气的概率成正比，而非风暴产生强天气的实际概率o ”。 v i l 值从最大到最小排列，把最大值放在第一个格子内，继续放置大于1 0 的v i l 值在另外的格子内( 格子可能重合) ，然后按下面方程计算： s w p = 5 8 2 0 + 0 0 4 6 a - 0 9 6 4 b - 0 5 7 6 c ：其中a = v i l 格子数十最大v i l 值，b = v i l 格 子数大于1 0 的个数c = v i l 格子数大于1 0 的个数：显然，强天气概率跟v i l 值息息相关，图1 2 为两种模式下的强天气概率图。 2 6 9v a d 风廓线( v w p ) 的 e 较 多普勒天气雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假定条件下，通过反 演可以获取某高度平面上的平均风向风速( v a d ) ，将v a d 算法应用在定义的距离 范围内每个固定仰角所收集的风速资料，可以计算各个高度层次上的水平风，获 取风的垂直廓线。 a 基本原理 1 v a d 技术反演平均风向风速 天线以某一固定仰角n 作方位扫描，如图1 2 所示。自然风速可以分解为垂 直分量k 和水平分量k ( k 恒取正值) ，从图中可以看出雷达测出得多普勒速度 不但和所在高度上的水平速度k 和垂直速度k 有关，还和雷达测的方位角和仰 角有关。我们以正北为j 轴的正方向，正东为，轴正向，牙轴向下为正，令水平 风向和x 轴的夹角为口。，则雷达测得的某方位角上的昨( 口) 可表示为 = “c o s a c o s ( o 一或) 一( o ) s i n a ( 1 ) 在某距离圈上实际风的垂直分量为常数，水平风场为线性分布的假定条件 下，对v a d 曲线做谐波分析，可将v ，( 0 ) 中包含的平均风向风速、平均散度和平 均形变等信息分离出来。 对式( 1 ) 展开，可得 u 、r 分别为v “在肖轴和j ，轴上的垂直分量。令u 、r 分量符合线性分布条件， 则将它们分别对雷达中心进行泰勒展开，则有 甜= “。+ u ；，c o s 口+ “。r s i n 口 v = v 。+ v j r c o s 8 + “。r s i n o 式中、卧k 、硌分别为、v 分量的一阶偏导数在中心的取值，为测点 的距离，x = r c o s 目，y ：r s i n 口。 设k 水平均匀，将以上两式代入式( 2 ) ，整理后可得 由上式可见，u o 和分别为以雷达为中心处的风分量，( 乩+ h ) 为水平风 场散度，( 屿+ k ) 和( 乩一咋) ，它们分别相应于方位角。的一次、零次和二次谐波。 将昨( o ) 按方位角展开傅氏级数，有 1 一( 目) = 寺吼十( c o s n o + b s i n n o ) ( 4 ) n = l 比较式( 3 ) 和式( 4 ) ，可得 = ( “j + v ，) f c o s = 一2 s i n a 心 盯 吩 孵 咄岫 忡毗 卅 | 兰| 呈! 詈眈雌 + 乱 螂 乳 拿 一一 一= 岫 吁 眦 ” m 瞄 w 一 沁 一扣 ! 蓦 针 ” 哪 叶 跚 差耋 m 训 训 略 忙哮 见2 z a 0c o s 口 b l = ”oc o s 6 r 盯：= 三( 虬一) s 口 6 ：= i 1 ( “，+ v ，) r c 。s 口 口。= o ，拧0 , 1 ，2 b 。= o ，胛1 , 2 于是，可以得到水平风场各参量的表达式 水平风辐散辐合 d i v ( 一v h ) ；旦一堡私 ，c o s 口r 水十j ) ( l 琏 ：超生 水平风向 吼2 争口心静 o ) 水平风形变为 彤巧：坐笪 形变轴取向为 ，2 ；一a r c t g ”a - l ( b a r c t g - l 2 ( 0 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 这里的o 。和v 均以逆时针方向为正。 在具体的计算过程中，对某一距离圈每隔一定方位角测量到一个k 值，天线 扫描一周b p - j - 得到昨( 0 ) 分布，从而傅氏级数可由下列各式确定 1m 铲寺善_ 1 村 q = 吉c o s 8 ， 竹t - 1 6 = 万2 荟m s i n 舅 。z 2 砑2 智m v c 。s 2 口 1 ， 6 2 _ 云善啊n 2 0 i ( 1 0 ) 在上式中，t , 表示某一距离圈上有速度值点的总数，i 表示点的序号，