任意基線雷達(dá)反射率因子垂直剖面生成算法.docx

1、第19卷4期2008年8月Vol.19,No.4August2008應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)JOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGICALSCIENCE任意基線雷達(dá)反射率因子垂直剖面生成算法.肖艷姣】）2）劉黎平2）李中華3）口（中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢430074）2）（中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家玫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）3（湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢430074）摘要該文提出了一種基于雷達(dá)體掃資料的任意基線雷達(dá)反射率因于垂直剖面的生成算法。在計(jì)算雷達(dá)反射率因于垂直剖面上的格點(diǎn)在雷達(dá)極坐標(biāo)中的仰角、方位和斜距位置后，采用徑向、方位上的最近鄰居和垂直方向的線性內(nèi)插相結(jié)合

2、的客觀分析方法得到格點(diǎn)上的反射率因于分析值。在垂直線性內(nèi)插時(shí)分別用dBZ值和Z值（單位：mm6/m3）進(jìn)行插值。結(jié)果表明：用該方法得到的雷達(dá)反射率因了垂直剖面從回波強(qiáng)度和空間位置來看都是合理的；當(dāng)采用垂直線性內(nèi)插時(shí)，用dBZ值插值比用Z值插值得到的雷達(dá)反射率因子垂直剖面在空間分布上更連續(xù)，反射率因子分析值總體上更接近觀測值；低仰角的插值效果比高仰角的好。關(guān)鍵詞：缶達(dá)；反射率因子；垂直剖面引言不同的降水云表現(xiàn)在天氣雷達(dá)反射率因子三維結(jié)構(gòu)上有不同特征n3',例如，層狀云降水表現(xiàn)為反射率因子弱、水平反射率因子梯度小、垂宜厚度較薄、頂部比較平整.常出現(xiàn)零度層亮帶；對流云降水表現(xiàn)為反射率因子強(qiáng)、

3、水平反射率因子梯度大、垂有厚度大、頂部不平整；對于超級單體風(fēng)暴還表現(xiàn)為有（有界）弱回波區(qū)、懸垂回波等4'7o這些特征在雷達(dá)反射率因子垂直剖面圖上可以清楚地表現(xiàn)出來c因此，雷達(dá)反射率因子垂直剖面在監(jiān)測和分析強(qiáng)對流天氣、區(qū)分層狀云和對流云降水等方面是一個(gè)使用頻率非常高的有效工具bi?！?。新一代天氣宙達(dá)系統(tǒng)能生成反射率因子垂直剖面產(chǎn)品，其水平分辨率為1km,垂直分辨率為0.5km,水平范圍為150km,垂直范圍為21krnUU。由于該產(chǎn)品垂直分辨率僅為0.5kn】,為此，本文提出一種基于雷達(dá)體掃資料的任意基線反射率因子垂直剖面生成算法，得到的產(chǎn)品垂宜分辨率為0.1km,顯示的圖像更接近回波單

4、體的結(jié)構(gòu)。關(guān)于雷達(dá)極坐標(biāo)體掃資料的客觀分析，前人已提出多種插值方法，例如Cressman插值方法（、雙線性插值方法【成等。大多數(shù)客觀分析方法都是為具體的應(yīng)用研究目的而提出。由于雷達(dá)反射率因子垂直剖面主要用于監(jiān)測和分析強(qiáng)對流天氣的三維結(jié)構(gòu)特征，因而，希望插值得到的反射率因子分析場既要保持空間上的連續(xù)性，同時(shí)又要盡可能地保留中小尺度系統(tǒng)的細(xì)尺度結(jié)構(gòu)特征。鑒于此目的，肖艷姣等對多種插值方法進(jìn)行了比較研究逐，認(rèn)為用徑向、方位上的最近鄰居和垂直線性內(nèi)插相結(jié)合的方法插值效果比較好。因此，本文在任意基線雷達(dá)反射率因子垂宜剖面生成過程中就采用了這種客觀分析方法。1雷達(dá)反射率因子垂直剖面算法宙達(dá)反射率因子垂宜剖

5、面算法的基本步驟為： 在屏幕的雷達(dá)圖像上任意畫一條有線，已知直線起點(diǎn)和終點(diǎn)離雷達(dá)的水平距離和方位，計(jì)算直線上每一點(diǎn)（以1km為間距）離雷達(dá)的水平距離和方位；求制面上每個(gè)格點(diǎn)在雷達(dá)極坐標(biāo)中的方位、斜距和仰角；通過徑向、方位上的最近鄰居和垂色線性內(nèi)插相結(jié)合的客觀分析方法得到每個(gè)格點(diǎn)的反射率因子分析值。武漢區(qū)域氣象中心科技發(fā)展基金課K（QY-Z-200706）.災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金課題（2006LASW012）和武漢暴雨研究所基本科研業(yè)務(wù)責(zé)專項(xiàng)（0602）共同資助。2007-06-13收到.20080104收到再改悟-42911直線上任意點(diǎn)離雷達(dá)的水平距離和方位如圖1所示，在雷達(dá)坐標(biāo)平面上，o

6、為雷達(dá)所在位置，AB是平面上任意一條線段，A為起點(diǎn)，b為終點(diǎn)，它們離雷達(dá)的水平距離和方位坐標(biāo)分別為(SbMb)和(&Me)，C為AB線上的任意一點(diǎn)，它離雷達(dá)的水平距離和方位坐標(biāo)為(.弓，勺)，其中j為C點(diǎn)離A點(diǎn)的單位距離(1km)數(shù)。在A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)($b，0b)和(Se，/)已知的情況F,下面計(jì)算C點(diǎn)的坐標(biāo)令。二NAOB,則有：.2兀一1外一久1，當(dāng)1久一/12兀時(shí)I覓一久I,當(dāng)I久-久IV”時(shí)AB的長度d為：<1=Sb+25b5eCOS(SO)(1)令阡匕OAB,利用三角余弦公式有：COS/?=(5b+d2-s；)/(2$bd)(2)將式(1)代入式(2)有：cos/?=(

7、sb-secos(A0)/</則號的表達(dá)式可寫為：Sj=y5e+72-2sejcosfi,j=(),(3)其中，=inl(d)。令a=ZCOAt利用三角余弦公式有：cosa=(s：+sj-j2)/2scSj(4)將式(3)代入式(4)有：cosa=(se-)cos/?)/s/(5)其中，當(dāng)s=0時(shí)，cosa=loa=arccos(cosa)，則0t的表達(dá)式可寫為：隊(duì)一。，當(dāng)I久一久1<而久2久時(shí)久一。，當(dāng)I久-優(yōu)12兀，缶<優(yōu)時(shí)0,=<久+a,當(dāng)I時(shí)0b+。，當(dāng)I久-一l<K，h<久時(shí)(6)1.2剖面上的格點(diǎn)在雷達(dá)極坐標(biāo)中的位置反射率因子垂直剖面的水平分辨率

8、設(shè)為1km,垂直分辨率設(shè)為0.1km,水平范圍為所選剖面長度,垂直范圍為24km。已知剖面長度坐標(biāo)中的任意點(diǎn)離雷達(dá)的水平距離和方位輯,們)、那么就可求出剖面中的格點(diǎn)(i,Q在雷達(dá)極坐標(biāo)中的仰角、方位和斜距(七”，。曲,J),其中，表示高度坐標(biāo)中的第i個(gè)格點(diǎn)3對應(yīng)的高度為九”表示剖面K度坐標(biāo)中的第，個(gè)格點(diǎn)。計(jì)算公式如F:RCOS(S,/Rm)R/U_如e：i-arctanr7小、(7)3sin(s/Rm)%,)=們(8)E,=sin(s,/Rm)(Rm+如一Ar)/cos(e,t>)(9)其中，Rm為等效地球半徑，Rm=§Re，Re為地球半徑，如為雷達(dá)天線海拔高度。13剖面上格點(diǎn)

9、的反射率因子分析值采用徑向、方位上的最近鄰居和垂直線性內(nèi)插相結(jié)合的客觀分析方法得到剖面上所有格點(diǎn)的反射率因子分析值，具體方法參見文獻(xiàn)14o所達(dá)反射率因子Z定義為單位體積內(nèi)所有降水粒子直徑的6次方之和，由于Z的變化區(qū)間很大，甚至可跨越幾個(gè)數(shù)量級，為方便起見，人們常用dliZ來說明反射率因子的大小，即：dBZ=lOlgZ。在對雷達(dá)反射率因子進(jìn)行線性插值處理時(shí)，有人直接使用dBZ值進(jìn)行插值，也有人認(rèn)為用dBZ插值的物理意義不太明確，應(yīng)該先把dBZ值轉(zhuǎn)換成Z值后進(jìn)行插值處理，然后再把插值結(jié)果轉(zhuǎn)換成dBZ值。為了比較用QBZ值和Z值插值效果的好壞，以便選取效果好的插值方案，本文在垂直線性內(nèi)插時(shí)采取了兩種

10、計(jì)算方法，一種是直接用相同方位.距離庫的上下仰角的反射率因子dBZ值進(jìn)行線性內(nèi)插，另一種是將上下仰角的反射率因子dBZ值轉(zhuǎn)成Z值后進(jìn)行線性內(nèi)插，然后再把插值結(jié)果轉(zhuǎn)換成值c設(shè)相同方位距離庫的上F仰角的反射率因子dBZ值分別為dBZ】和dBZ仰角分別為和。2,垂直線性內(nèi)插時(shí)賦給dBZi和clBZ2的權(quán)重分別為w,和W2,則用兩種方法得到的分析值而否和而百分別(10)(ID(10)(IDW|xdBZ+W2xdBZ?W=凹x10亦/2+凹X10皿/0W|+w22結(jié)果分析從回波強(qiáng)度和空間位置、圖像連續(xù)性、反射率因子分析值和觀測值的對比等3個(gè)方面對雷達(dá)反射率因子垂直剖面結(jié)果進(jìn)行了分析。2.1回波強(qiáng)度和空間

11、位置圖2給出了2005年6月23日00:07（世界時(shí),下同）和2005年6月15日00:33廣州雷達(dá)觀測的0.5仰角的反射率因子PPI。從圖2a中可看出，這是大范圍的混合性降水回波，在AB線上，靠近A端有兩塊強(qiáng)回波，邊緣清晰.具有對流云降水回波特征，其余的回波強(qiáng)度弱一些，具有層狀云降水回波特征。圖3給出了分別用dBZ值和Z值垂直線性內(nèi)插得到的沿圖2a中虛線AB的反射率因子垂直剖面圖。比較圖3a和圖2a,可看出對應(yīng)圖2a中虛線AB的強(qiáng)回波在圖3a表現(xiàn)為柱狀，強(qiáng)度大，強(qiáng)回波的頂部不平整，具有對流云降水回波特征，其余回波表現(xiàn)為層狀云降水回波特征。在虛線AB中部45km高度之間還出現(xiàn)了明顯的零度層亮帶

12、特征，零度層亮帶的厚度約為500m,這與S得出的亮帶厚度只有幾百米的結(jié)論是一致的。以上對比分析說明雷達(dá)反射率因子垂直剖面中的回波強(qiáng)度和空間位置是合理的。距離/km距離/km圖2廣州雷達(dá)觀測的0.5.仰角的反射率因子PPI(a)2005年6月23日00：07,(b)2005年6月15日00：33Fig.2ThereflectivityPPIfromGuangzhouradarwiththeelevationof0.5*(a)00：07onJun23,2005,(b)00：33onJun15.2005Ri離/kmBA距肉/km圖3沿圖2a中虛線AB的反射率因子垂直剖面(a)用dBZ插值，(b)用Z

13、插值Fig.3VerticalcrosssectionsofreflectivityalongdashedlineABinFig.2a(a)interpolationusingdBZ;(b)interpolationusingZ肖艷蛟等：任意基線雷達(dá)反射率因子垂直剖面生成算法2.2圖像連續(xù)性從圖3a中可看出，回波在水平方向和垂直方向都有很好的空間連續(xù)性。比較圖3b和3a,發(fā)現(xiàn)圖3b中的回波在垂直方向具有明顯的孤狀不連續(xù)性，回波高度比圖3a中的要高，而且亮帶的厚度比圖3a中的大得多，達(dá)到3km之多。這是因?yàn)榘裠BZ值轉(zhuǎn)換成Z值后再進(jìn)行線性內(nèi)插得到的分析值總是更趨近反射率因子大值一端，從而導(dǎo)致回波

14、在垂直方向被擴(kuò)展了，這種現(xiàn)象隨著相鄰仰角間距的增大而更加明顯。這說明從圖像的空間連續(xù)性來看，采用垂直線性內(nèi)插時(shí)，用dBZ值插值得到的結(jié)果比用Z值插值的要好。4312.3分析值和觀測值的對比為了進(jìn)一步檢驗(yàn)采用垂直線性內(nèi)插時(shí)用dBZ值和Z值插值的效果，用某一仰角的上下相鄰仰角的觀測值，分別用dBZ值和Z值進(jìn)行垂直線性內(nèi)插得到該仰角的分析值，然后比較該仰角的分析值和觀測值。例如，用0.5°和2.4仰角的觀測值進(jìn)行垂直線性內(nèi)插，得到1.5°仰角的分析值，然后比較1.5°的分析值和觀測值。選取圖2b中70方位（虛線處）的徑向數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直線性內(nèi)插得到多個(gè)仰角的分析值，并將分析

15、值和對應(yīng)的觀測值進(jìn)行對比分析。圖4給出了1.5,4.3二6.0和9.9仰角的反射率因子分析值和觀測值之間的散點(diǎn)圖，同時(shí)給出了1020304050反射率因孑分析Ifi/dBz403020zccp'sws10506010105060203040反射率因于分析fii/dBz仰角=4.3'y=l.OO9x+O.I432/T=0.926加302010仰角-1.5-1-1-_O6050403020101ZUP'SC.E迥褂去Z102030405060反射率因F分析Ifi/dBz2030405060反財(cái)率因孑分析值，'dBz50403020zqp、s竟»*£

16、;*玄迅圖4圖2b中磨線對應(yīng)的幾個(gè)仰角的反射率因子分析值和觀測值之間的散點(diǎn)圖(a)(d)用dHZ值插值,(e)(h)用Z值插值Fig.4ScauerdiagramderivedfromtheanalysisandobservationofreflectivitiesalongdashedlineinFig.2batseveralelevationangles(a)(d)inierpolaiionusingdBZ,(e)(h)interjx>lationusincZ1010203040反射率因孑分析值dBz403020zqp's楚就*Z千家更50101050203040反我率因于分

17、析值/dBz3020zap、««程，牛EJ續(xù)圖4分析值與觀測值之間的線性擬合的勢線、趨勢線的公式以及相關(guān)系數(shù)的平方值，從圖4可看出.不管分析值是用值插值得到還是用Z值插值得到，低仰角的分析值和觀測值之間的相關(guān)系數(shù)較大，高仰角的要小-些；低仰角的擬合線的斜率相比高仰角來說更接近lo這是由于在高仰角，相鄰仰角的垂直間距大，其間威實(shí)水凝物的垂直變化也要大一些，因而在高仰角用垂宜線性內(nèi)插的結(jié)果比低仰角的差。此外，發(fā)現(xiàn)用JBZ值垂亙線性內(nèi)插得到的分析值與觀測值之間的相關(guān)系數(shù)普遍大于用Z值播值得到的，擬合線的斜率也更接近1,這說明回波的垂直分布更接近力3Z線性分布.當(dāng)采用垂直線性內(nèi)播時(shí)

18、，用dBZ值插值比用Z值插值得到的分析值總體上更接近觀測值。采用多個(gè)個(gè)例分析，都得到類似結(jié)果。因此，最后選用dBZ值進(jìn)行垂宜線性內(nèi)插。本文提出了一種基于雷達(dá)體掃資料的任意基線雷達(dá)反射率因子垂直剖面的生成算法。在計(jì)算反射率因子垂直剖面上的格點(diǎn)在雷達(dá)極坐標(biāo)中的位置后，采用了徑向、方位上的最近鄰居和垂直方向的線性內(nèi)插相結(jié)合的客觀分析方法得到格點(diǎn)上的分析伉，在垂直線性內(nèi)插時(shí)分別采用了dBZ值和Z值進(jìn)行插值，并從回波強(qiáng)度和空間位置、圖像連續(xù)性、反射率因子分析值和觀測值的對比等3個(gè)方面對雷達(dá)反射率因子垂直剖面結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)肖艷姣等：任意基線雷達(dá)反射率因于垂苴制面生成算法肖艷姣等：任意基線雷達(dá)反

19、射率因于垂苴制面生成算法433論：1) 從回波強(qiáng)度和空間位置來看，本文提出的任意基線雷達(dá)反射率因子垂直剖面算法是合理的。2) 通過圖像連續(xù)性檢查，發(fā)現(xiàn)用dBZ值進(jìn)行垂直線性內(nèi)插得到的雷達(dá)反射率因子垂直剖面圖在空間分布上是連續(xù)的，而采用Z值插值的結(jié)果在垂直方向具有明顯的孤狀不連續(xù)現(xiàn)象，而且回波在垂直方向被擴(kuò)展了。通過反射率因子分析值與觀測值的對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用垂直線性內(nèi)插時(shí)，用dBZ值插值比用Z值插值得到的分析值總體上更接近觀測值。因此，最后選用dBZ值進(jìn)行垂直線性內(nèi)插。3) 低仰角的垂直線性內(nèi)插結(jié)果要好于高仰角的，這是因?yàn)榈脱鼋堑南噜徰鼋侵g的間距比高仰角的小。參考文獻(xiàn)1肖艷蚊，劉黎平.三維群達(dá)

20、反射率資料用于序狀云和對流云的識別研究.大氣科學(xué)，2007,31(4):645-654.(2.BiggerstaffMI,ListeniaaSA.Animprovedscheme(orconvective/stratifomjechoclassificationusingradarreflcctiviiy.JApplMnror.2000,39:2129-2150.3.SieinerM,HouzeJrRA,YuterSE.Climatologicalcharacterizationofthrwdimensionalstormstructurefromoperationalradarandrain

21、gaugedata.JAppiMetettr,1995,34：1978-2007.4 摩玉芳，命小加，郭慶.一次強(qiáng)對流系列風(fēng)景個(gè)例的多普勒天氣雷達(dá)資料分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2003.14(6):656-662.5 朱君零，刁秀廣，黃秀冊.一次冰雹風(fēng)星的CINRAD/SA產(chǎn)品分析.應(yīng)用氣象學(xué)»,2004,15(5):579589.6 鄭媛媛，俞小能，方鼾.等.一次熨型超級甲體風(fēng)眼的多普勒天氣雷達(dá)觀測分析.氣象學(xué)報(bào),2004,62(3):317-328.7 BluesteinHB,WeissCC,PazmanyAL.TheverticalsiructurcofaTornadonearHap

22、py,Texas,on5May2002:High-resolution,mobile,W-band,Dopplerradarobservations.MonWeaRe,2004,132：2325-2337.8 張家國.關(guān)翠紅，王玨，等.一次冷鋒大象雨過程的多普勒謝達(dá)觀測分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào).2006,17(2)：224-231.9 何彩芬，眺秀猝，胡春苦.等.次臺風(fēng)前部龍卷的多普勒天氣郡達(dá)分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006,17(3)：370-376.10 架永興，孫旭映，黃蘭芝，等.甘肅省永建地區(qū)一次強(qiáng)單體冰苞過程分析.干旱氣象.2005,23(3):34-38.11 命小獨(dú)，姚秀萍.熊廷南.等新一

23、代天氣雷達(dá)原理和應(yīng)用講義.北京：中1*4氣象局培訓(xùn)中心,2000:255-256.12 莊祿，劉黎平，王楠.新地區(qū)一次對流性降水的三堆中尺度風(fēng)場研究.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2006.17(4):444-451.13.MillerLJ,StrauchRG.Adual-Dopplerradarmethodforthedeterminationofwindvelocitieswithinprecipitatingweathersystems.RemoteSensEnviron,1974,3(4)；219-235.14K艷姣.劉梨平.新-代天氣雷達(dá)網(wǎng)資料的三堆格點(diǎn)化及拼圖方法研究氣象學(xué)報(bào),2006,64(5)

24、:647-657.15.SmithCJ.Thereductionoferrorscausedbybrightbandsinquantitativerainfallmeasurementmadeusingradar.JAtmosOceanicTec/jMo/.1986,3:129141.19卷ArbitraryBaselineRadarReflectivityVerticalCrossSectionAlgorithmXiaoYanjiao'")LiuLiping2JLiZhonghua3)1)(InstituteofHeavyRain,ChinaMeteorologicalAd

25、ministration,Wuhan430074)2>(StateKeyLaboratoryofSevereWeather,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)3>(HulteiProvincialMeteorologicalInformation&TechnicalMaintainCenter,Wuhan430074)AbstractReflectivityverticalcrosssectionisaneffectivetooltomonitorandanalyzesevereconvectionwe

26、atherandi-dentifyconvectiveandstratiformcloud.Aone-timerequestcanbeissuedbythePUP(PrincipleUserProcessor)usertotheRPG(RadarProductGenerator)fortheproductwhoseverticalresolutionis0.5kminnewgenerationweatherradarsystem.Butthismannerisn,tconvenienttogeneratetheproductfromhistoricalvolumescanradardata,a

27、nditsverticalresolutionisnothigh.Therefore,ahigh-resolutionreflectivityverticalcrosssectionalgorithmbasedonvolumescanradardatahasbeendeveloped.Thealgorithmhasthreesteps.First,arandombeelineisdrawnbymouseonradarimageoncomputerscreen,thedistancefromradarandtheazimuthfromthebegin-poinltotheend-pointand

28、alltheotherpointswith1kmspacingonthebeelinearccalculated.Second,theelevationangle,azimuthandslantrangeofanygridpointonreflectivityverticalcrosssectiononthespacelocationinradarpolarcoordinatesiscalculated.Last,theanalysisvalueofgridpointisobtainedbyusinganobjectiveanalysismethod.Inviewofthefunctionof

29、reflectivityverticalcrosssectionforanalyzingthethreedimensionstructureofsevereconvectiveweather,thereflectivityanalysisfieldobtainedbytheobjectiveanalysismethodisrequiredtobespatiallyconsecutivewhilehigh-resolutionstructurecomparableiotherawvolumescanradardataisretainedasmuchaspossible.Alinearinterp

30、olationinverticaldirectioncombinedwithanearestneighborschemeonrange-azimuthplanesisused.Twoschemesareemployedforlinearinterpolationinverticaldirection.Inthefirstscheme,tworeflectivitiesindBZofthesameazimuth-rangebinbetweenadjacenttiltsarcaveragedwithdistance-weight.Inthesecondscheme,firstlyreflectivityindBZisconvertedintoreflectivityinmm6/m3.T