天氣雷達(dá)VIL產(chǎn)品的算法設(shè)計及應(yīng)用

1、天氣雷達(dá) v il 產(chǎn)品的算法設(shè)計及應(yīng)用郭澤勇 , 鄭清 , 毛小燕 , 張陽生(陽江市氣象局 , 廣東陽江 529500 )摘 要 :介紹云體中在垂直方向上液態(tài)水總量 (v il )的水平分布的數(shù)值圖像產(chǎn)品 ,及天氣雷達(dá)物理量產(chǎn)品中 v il 產(chǎn)品的理論計算模式 ,通過 vb6. 0軟件編寫相應(yīng)的算法 ,實(shí)現(xiàn) v il 的彩色顯示 ,放大等功 能 。分析了 v il 值產(chǎn)生誤差的幾種原因 。最后通過一次典型天氣過程進(jìn)行檢測 ,結(jié)合陽江新一代天氣 雷達(dá) 2007年的資料 ,將實(shí)時運(yùn)算結(jié)果應(yīng)用于陽江地區(qū)強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報服務(wù)中 。結(jié)果表明 v il 產(chǎn) 品對強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報服務(wù)工作有很好的

2、輔助作用 。關(guān)鍵詞 :大氣探測 ; v il 顯示 ;垂直方向上液態(tài)水 ;閃電定位 ;陽江中圖分類號 : p41文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : b文章編號 : 1007 - 6190 ( 2008 ) 03 - 0029 - 0320世紀(jì) 70年代初期 , greene等人 1 - 2 提出了垂直積分液態(tài)含水量 ( ve rtica lly in tegra ted liqu id wa te r, v il ) 的概 念之后 , robe rt等人 3 利用 v il 產(chǎn)品在強(qiáng)對流天氣預(yù)報 、回波跟蹤以及估測降水等領(lǐng)域作了深入的研究 。 80 年代 一些雷達(dá)氣象學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展和完善了對 v il 產(chǎn)品的應(yīng)用

3、 ,如建 立 了 基 于 v il 產(chǎn) 品 的 強(qiáng) 對 流 天 氣 潛 勢 ( seve re wea the r p robab ility, sw p)算法 ,并分析了該產(chǎn)品在不同季 節(jié) 、不同區(qū)域的應(yīng)用情況 。80 年代末 ,隨著美國的 w s -88d 多普勒雷達(dá)布網(wǎng) , v il 產(chǎn)品越來越被廣泛地應(yīng)用于風(fēng) 暴定位 、強(qiáng)對流天氣跟蹤預(yù)報 、降水強(qiáng)度估測以及冰雹判別等領(lǐng)域 。v il 產(chǎn)品提供了包含大量水凝物的云體中在垂直方 向上液態(tài)水總量的水平二維分布的數(shù)值圖像產(chǎn)品 。由于 種種原因 ,目前 v il 在廣東各基層臺站應(yīng)用比較少 ,本文 將較為詳細(xì)地介紹 v il 產(chǎn)品的算法設(shè)計 ,

4、分析其誤差產(chǎn)生的原因 ,并將實(shí)時運(yùn)算結(jié)果應(yīng)用于陽江地區(qū)強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報服務(wù)中 。v il = f云頂高 3. 44 10 - 3 z4 / 7 dh,( 3 )云底高式中 h表示與 z 數(shù)據(jù)樣本相對應(yīng)的云體內(nèi)高度 。式( 3)為 v il 產(chǎn)品的理論表達(dá)式 ,實(shí)際計算時只能應(yīng)用實(shí)測 的體積掃描 三 維 回 波 強(qiáng) 度 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 離 散 求 和 , 這 樣 , 式 ( 3)可改寫為 :v il = 3. 44 10 - 3 ( z i + z i + 1 ) 4 / 7h ,n - 1( 4 )i2i = 1式 ( 4)中 , z i 為第 i層高度上的雷達(dá)反射因子 ,hi 為第 i層

5、和 i + 1之間的高度差 , n 為體積掃描的仰角總數(shù) 。 值得注意的是 , 在式 ( 3) 、( 4)中 , 高度 h、hi 的單位與 v il 所采用的單位相互關(guān)聯(lián) , h、hi 以 m 為單位 ,則 v il 的單位22為 g /m ;如果要求 v il 用 kg /m 作為標(biāo)準(zhǔn)單位 ,則 h、hi 必2須以 km 為單位 。在這里采用習(xí)慣的標(biāo)準(zhǔn)單位 kg /m ,所以 hi 單位取 km。2 v il 的實(shí)現(xiàn)流程1 )把每個仰角的極坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo) , 對于1 km 1 km、2 km 2 km 的區(qū)域 ,近距離可能有多個實(shí)測 資料點(diǎn)落在區(qū)域內(nèi) ,而遠(yuǎn)距離處有些區(qū)域又可能沒有實(shí)

6、測資料 。為此 ,近距離采用平均值 ,遠(yuǎn)距離則先用線性內(nèi)插法加以彌補(bǔ)后再求平均 。2 )將反射 率 因 子 的 單 位 由 常 用 的 db z轉(zhuǎn) 換 為 標(biāo) 準(zhǔn) 值 。3 )應(yīng)用地球測高公式計算高度差 hi (hi = hi + 1 - hi為第 i、i + 1兩高度層之間的垂直距離 ) 。4)計算第 i層 (即 ai 仰角 )的 pp i資料中位于某個底 面積的垂直柱體內(nèi)的所有資料點(diǎn)的算術(shù)平均值 。這樣重復(fù)計算所有垂直柱體內(nèi)所有層次的算術(shù)平均值 。5 )應(yīng)用式 ( 4 ) 分別計算每一個底面積的垂直柱體中 的 v il ,從而得到整個探測區(qū)域的 v il 分布 。1 v il 的原理v i

7、l 產(chǎn)品反映降水云體中 ,在某一確定的底面積 (一 般為 1 km 1 km、2 km 2 km、4 km 4 km 3 種 )的垂直 柱體內(nèi)液態(tài)水總量的分布圖像產(chǎn)品 。利用天氣雷達(dá)回波 信息來確定垂直方向上液態(tài)水的累計總含量 ,是以雷達(dá) 反射率因子 z 與云中液態(tài)水含量 m (m 實(shí)際就是非氣態(tài)水粒子云內(nèi)空間分布的質(zhì)量密度 , 氣象上習(xí)慣稱之為“液態(tài)水含量 ”)之間的數(shù)值統(tǒng)計關(guān)系 , 即所謂的 z - m 4 關(guān)系 為基礎(chǔ) , 其關(guān)系式為 :z = 2. 042 104m 1. 75 ,m = 3. 44 10 - 3 z4 / 7 ,( 1 )( 2 )式 ( 1) 、( 2)中 m 為單

8、位體積云體中含有的液態(tài)水的總質(zhì) 量 , 單 位 為 g /m3 ; z 為 雷 達(dá) 反 射 率 因 子 , 單 位 為mm6 /m3 。v il 定義為某底 面 積 的 垂 直 柱 體 內(nèi) 總 的 含 水 量 , 所 以 :3 實(shí)例分析本程序用 16種顏色的彩色帶 ,代表 v il 的值 。圖中 鼠標(biāo)所指的方位和距離都能精確地顯示出來 ,并且以該收稿日期 : 2007 - 09 - 30作者簡介 :郭澤勇 ( 1982 年生 ) ,男 ,助理工程師 ,學(xué)士 ,主要從事雷達(dá)探測工作 。點(diǎn)為中心的周圍小部分區(qū)域在程序界面的右下角得到 4倍的放大顯示 ,以便能夠清楚 、準(zhǔn)確地讀出該區(qū)域的位置 以及它

9、的 v il 值 ,進(jìn)而判斷該區(qū)域的天氣狀況 。2007年 8 月 8日 19: 05合山機(jī)場遭到雷擊 ,引起油罐燃燒 ,下面驗 證 v il 值的變化情況與這次天氣過程的關(guān)系 。2007年 8月 8日 18: 05陽江地區(qū)的 v il 顯示 (圖 1 ) ,合山方向的 v il 值較小 。 18: 45 的 v il 可以明顯看出合 山鎮(zhèn)局部地區(qū)的 v il 值達(dá)到了 1015 kg /m2 (圖 2 ) ,有的 達(dá)到 1525 kg /m2 , v il 值的明顯躍變預(yù)示著合山地區(qū)可 能有大到暴雨或雷雨大風(fēng)的出現(xiàn) 。圖 3是閃電定位儀 18: 05 測出的陽江合山方向的雷電圖 ,此時該地區(qū)

10、出現(xiàn)的負(fù)閃相對較少 , 19: 00 北慣鎮(zhèn)與合山鎮(zhèn)的交界一帶出現(xiàn)了大量的負(fù)閃 (圖 4 ) ,與合山機(jī)場遭到雷擊的時間相符 。當(dāng)日由閃電定位系統(tǒng)計算出來的陽江市雷擊頻度日統(tǒng)計 (圖 5) , 19: 00 的總回?fù)魯?shù)達(dá)到了當(dāng)天的最大值 , 同 樣與合山機(jī)場遭到雷擊的時間相符 ?？梢悦?顯地看出 , 由 v il 程序計算出來的結(jié)果與用閃電定位儀測出的實(shí)際 結(jié)果是相當(dāng)吻合的 , 并且由該地區(qū) v il 值的躍變可以提 前預(yù)測天氣變化 , 也間接論證了閃電發(fā)生密集的區(qū)域與 v il 值較大的區(qū)域相對應(yīng)的客觀事實(shí) ,證明了該產(chǎn)品在強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報服務(wù)中有著很好的輔助作用 ,是一種很有效的預(yù)報手

11、段 5 - 15 。圖 5 2007 年 8 月 8 日陽江市雷擊頻度日統(tǒng)計31第 3期郭澤勇等 :天氣雷達(dá) v il 產(chǎn)品的算法設(shè)計及應(yīng)用4 誤差分析1)近距離處 ,雷達(dá)探測不到回波頂 ,使 v il 值的估計 過低 。而在遠(yuǎn)距離處 ,最低仰角的底層的高度已經(jīng)較高 ,與回波頂高度之間的厚度小于距離較近處的厚度 ,這將導(dǎo)致 v il 值估計過低的現(xiàn)象 。2)地物雜波污染的影響 , 即由殘余雜波和地表折射 (非正常傳播 a p) 引起的回波導(dǎo)致 z 值偏大 。觀測時應(yīng) 根據(jù)晴空時采集的相同仰角對應(yīng)的地物回波強(qiáng)度值 ,采 用濾波器進(jìn)行地物抵消 ,這樣可以減少 v il 值高估 。3)雷達(dá)波束受障礙

12、物屏蔽可能出現(xiàn) v il 值低估 。目前解決此問題的途徑主要有兩種 : 一是根據(jù)降水回波的 性質(zhì) ,若是均勻連續(xù)性降水 ,以障礙物屏蔽邊緣部分的回 波形狀特征來判斷回波在屏蔽區(qū)中的發(fā)展情況 ; 若是非 均勻降水 ,應(yīng)以回波強(qiáng)中心的所在位置及對流云體的一 般特征 、結(jié)構(gòu)來判斷回波在屏蔽區(qū)中的發(fā)展情況 ,進(jìn)而彌 補(bǔ)雷達(dá)波束受障礙物屏蔽造成 v il 值低估的情況 。二是采用雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)觀測 , 可以互相彌補(bǔ)部分障礙物屏蔽區(qū)內(nèi)的回波情況 ,使得 v il 值接近真值 。4)濕的天線罩導(dǎo)致 v il 值低估 。波束能量兩次經(jīng)過 濕的 天 線 罩 進(jìn) 入 到 接 收 機(jī) 時 能 量 被 減 弱 , 引 起

13、z 值 偏小 16 。5)由上面的討論可以看出 , z - m 的關(guān)系式是在雨滴 譜服從 m - p 分布假定下得到的 , 所以實(shí)際降水雨滴的易變性將導(dǎo)致 v il 值產(chǎn)生誤差 。用戶最好根據(jù)不同降水分型 , 對同一類型降水的不同降水過程的 v il 進(jìn)行比較 ,以 便得到對本地有實(shí)際意義的判別指標(biāo) 。6) v il 是假設(shè)反射率因子 z 都是由液態(tài)水粒子所貢 獻(xiàn)的 ,實(shí)際上 ,有效照射體積內(nèi)存在一些冰水混合物或者 冰晶等 ,使得 v il 值 被 極 度 地 高 估 , 在 已 有 的 研 究 中 知道 ,影響回波強(qiáng)度的主要有地物雜波 、波束 填充系數(shù) 、天線罩 、云雨滴譜直徑等 ,在眾多因

14、子中除了散射粒子由液 態(tài)變?yōu)楣虘B(tài) ,而使粒子的后向散射特性由瑞利散射 17 轉(zhuǎn) 為米散射時 ,對回波強(qiáng)度的影響迅速增大外 ,其它因子影 響都相對較小 。因此 ,由于冰晶或冰水混合物的存在 ,回 波強(qiáng)度迅速增大使得 v il 計算結(jié)果出現(xiàn)躍增 ,這一躍增 特征是識別冰雹云的有效標(biāo)志 。這也正是 v il 產(chǎn)品能夠用于探測冰雹的主要原因之一 。4 )對流云降水 v il 變化范圍很大 , 在對流較強(qiáng)處常出現(xiàn)比其周圍數(shù)值大得多的區(qū)域 。在多普勒雷達(dá)速度圖 上 ,此區(qū)域呈中小尺度氣旋式切變 (輻合 ) 或逆風(fēng)區(qū) 。暴 雨伴有冰雹的 v il 數(shù)值也比較大 , 0 層上部對整層 v il 的貢獻(xiàn)達(dá)到 7

15、0% 80% 18 - 21 。參考文獻(xiàn) : 1 greene d r , c la rk r a. a n ind icato r of exp lo sive deve lopm en t in severe sto rm r . 7 th conf on seve re local sto rm s, 1971: 97 -104. 2 greene d r. a comp a rison of echo p red ic tab ility con stan t e leva2 tion vs. v il r ada r - data pa ttern s r . 15 th conf

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