07業(yè)務(wù)化降水估測(cè)算法-擴(kuò)展

1、WSR-88D 降水處置子系統(tǒng)WSR-88D 降水處置子系統(tǒng)PPS由五個(gè)主要算法子程序和兩個(gè)外部支持功能塊構(gòu)成。五個(gè)子算法是：1降水預(yù)處置；2降水速率；3降水累加；4降水調(diào)整；5 降水產(chǎn)品。該算法包括46個(gè)可調(diào)適配參數(shù)。經(jīng)過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，可以順應(yīng)局地氣候條件。兩個(gè)外部支持功能塊是：1降水檢測(cè)；2雨量計(jì)數(shù)據(jù)獲取。這兩個(gè)功能塊獨(dú)立于算法運(yùn)轉(zhuǎn)，為算法提供附加的重要輸入信息。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如以下圖所示。.反射率因子基數(shù)據(jù)降水檢測(cè)預(yù)處置降雨率累積調(diào)整降水產(chǎn)品生成雨量計(jì)數(shù)據(jù)獲取雨量計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)RPG.降水檢測(cè)功能塊降水檢測(cè)功能塊PDF主要是確定在230km的范圍內(nèi)能否有降水發(fā)生，從而確定能否開(kāi)場(chǎng)降水累積算法程

2、序。有兩個(gè)主要功能。一是確定雷達(dá)的掃描方式，另一個(gè)是確定降水處置子系統(tǒng)PPS的處置方式。第一類閾值確定能否變換體掃模態(tài)：PPS運(yùn)用最低4個(gè)仰角的反射率因子數(shù)據(jù)計(jì)算降水。假設(shè)在上述4個(gè)仰角的任一仰角掃中，非地物回波的反射率因子超越一定的強(qiáng)度和面積閾值可調(diào)參數(shù)，稱做“顯著降水閾值或“第一類閾值，PDF將自動(dòng)地把雷達(dá)的掃描方式從“晴空模變到“降水模假設(shè)曾經(jīng)在降水模態(tài)，那么堅(jiān)持不變。體掃間隔從10分鐘減為5或6分鐘，取樣頻率添加，從而改善降水估計(jì)。.第二類閾值確定算法的處置方式：PDF運(yùn)用另一組反射率因子強(qiáng)度和面積閾值稱作“小雨閾值或“第二類閾值來(lái)確定PPS的處置方式。它們比第一類閾值小，對(duì)應(yīng)PPS算

3、法中可以分辨的降水強(qiáng)度的下限。假設(shè)第二類閾值被超越，那么不論目前的掃描模態(tài)是“降水還是“晴空，PDF將指示PPS算法從一個(gè)初始的零值場(chǎng)開(kāi)場(chǎng)累加降水。假設(shè)第二類閾值不被超越，那么對(duì)應(yīng)于沒(méi)有降水，PPS將以一個(gè)簡(jiǎn)化的方式運(yùn)轉(zhuǎn)以大大減少計(jì)算機(jī)處置時(shí)間。假設(shè)PDF在1h期間沒(méi)有檢測(cè)到降水，那么以為降水事件終了，風(fēng)暴總降水產(chǎn)品被重新賦初值為零。同時(shí)，假設(shè)當(dāng)前體掃處在降水模態(tài)，可手動(dòng)轉(zhuǎn)換到晴空模態(tài)。.雨量計(jì)數(shù)據(jù)獲取功能塊RPG內(nèi)第二個(gè)PPS支持函數(shù)稱為雨量計(jì)數(shù)據(jù)獲取功能塊RGDAF。它從一個(gè)外部雨量計(jì)數(shù)據(jù)支持GDS計(jì)算機(jī)接納“規(guī)范水文氣候交換格式的實(shí)時(shí)雨量計(jì)報(bào)告，并把這些數(shù)據(jù)存放到RPG上的雨量計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，

4、提供應(yīng)降水算法程序PPS運(yùn)用。GDS計(jì)算機(jī)同時(shí)傳送雨量計(jì)標(biāo)號(hào)和位置以確定每個(gè)WSR-88D運(yùn)用的雨量計(jì)網(wǎng)。在PDF沒(méi)有檢測(cè)到降水時(shí)，RGDAF處于休眠形狀。一旦PDF檢測(cè)到降水，RGDAF給外部GDS計(jì)算機(jī)傳送一個(gè)喚醒，指示它開(kāi)場(chǎng)給RPG傳送實(shí)時(shí)雨量計(jì)報(bào)告。當(dāng)PDF不再檢測(cè)到降水，GDS計(jì)算機(jī)將從RGDAF接納到一條停頓傳送雨量計(jì)數(shù)據(jù)的訊息。.降水算法子程序1 ：反射率因子預(yù)處置 降水處置算法運(yùn)用來(lái)自距雷達(dá)230km范圍內(nèi)分辨率為1km1 的四個(gè)最低仰角0.5 ，1.5 ，2.4 和3.4 的基反射率因子作為輸入不依賴于VCP。這個(gè)算法在第四個(gè)仰角掃描終了后開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行。為得到較好的反射率因子值，

5、在根本反射率因子數(shù)據(jù)中運(yùn)用了五個(gè)質(zhì)量控制步驟。.1雷達(dá)波束阻撓 第一個(gè)質(zhì)量控制步驟是糾正雷達(dá)波束的物理阻撓，否那么將導(dǎo)致對(duì)降水的過(guò)低估計(jì)。.假設(shè)對(duì)每個(gè)體積掃，雷達(dá)波束的妨礙低于60%，預(yù)置的dBZ值被添加到被部分妨礙的間隔庫(kù)中。.假設(shè)超越60%的波束被阻撓，那么采取以下二種步驟之一：假設(shè)妨礙物的方位伸展是2或更小，那么在相應(yīng)仰角緊挨妨礙物的其它間隔庫(kù)上的平均值被指定為被妨礙物所妨礙的樣本體積的間隔庫(kù)的值。假設(shè)妨礙物的方位伸展大于2，那么不做修正，對(duì)那個(gè)扇面，將運(yùn)用鄰接的的較高仰角上的值。.2虛偽的噪聲和極端值在預(yù)處置算法中，第二和第三個(gè)質(zhì)量控制糾正不真實(shí)的高反射率因子值，這些反射率因子具有異常

6、高值但覆蓋面積很小。它們是由于系統(tǒng)噪聲或非氣候目的飛機(jī)、異常傳播回波、或殘留的地物回波呵斥的虛偽回波。這些反射率因子有二種類型：孤立的反射率因子和反射率因子極端值。.孤立的反射率因子： 第二個(gè)質(zhì)量控制步驟搜索并矯正孤立的反射率因子。孤立反射率因子是一闡明有降水的值，但間隔庫(kù)是在無(wú)降水的回波區(qū)域。這能夠是虛偽噪聲或飛機(jī)飛過(guò)波束呵斥的。假設(shè)反射率因子的值大于最小臨界值普通為18dBZ并且相鄰樣本中最多只需一個(gè)樣本的值大于該臨界值，那么算法以為反射率因子的值是孤立的。一旦反射率因子的值被標(biāo)志為孤立的，它將被賦為0dBZ。.孤立的反射率因子值.反射率因子極端值：第三個(gè)質(zhì)量控制步驟是去除會(huì)呵斥降水過(guò)高估

7、計(jì)的反射率因子極端值。這些極端值往往是由殘留的固定地物回波或沒(méi)有被抑制的異常傳播回波呵斥的。極端值被定義為在可降水區(qū)域回波間隔庫(kù)內(nèi)大大超越估計(jì)的回波強(qiáng)度。假設(shè)間隔庫(kù)中反射率因子的值超越了極端值的臨界值65dBZ，那么此間隔庫(kù)就被標(biāo)志為極端值。根據(jù)極端值周圍的值，它將以二種方法被更改：a假設(shè)一切8個(gè)相鄰間隔庫(kù)的值都低于該臨界值，那么極端值用8個(gè)相鄰值的平均來(lái)取代; b假設(shè)周圍的相鄰間隔庫(kù)中也包含一個(gè)極端值，那么此間隔庫(kù)將被賦予較低的dBZ值7dBZ。 這一步驟不能消除一切的固定地物回波殘留和異常傳播回波，需求進(jìn)一步的質(zhì)量控制步驟。.3異常傳播和傾斜測(cè)試第四個(gè)質(zhì)量控制步驟是為了去除由異常傳播呵斥的

8、異常地物雜波。雖然在RDA中運(yùn)用了雜波抑制，普通能消除大部分異常地物雜波，但需求進(jìn)一步的質(zhì)量控制以去除沒(méi)有被抑制的雜波。根據(jù)氣候目的回波反射率因子普通在垂直方向延續(xù)的規(guī)律，算法檢查每個(gè)體積掃，以決議能否有特定百分率的在最低仰角的回波在下一個(gè)較高仰角不出現(xiàn)。這稱為傾斜測(cè)試。通常，百分率設(shè)為75%，但它是可調(diào)的。假設(shè)距雷達(dá)40至150公里的環(huán)形面積內(nèi)超越75%的最低仰角的回波在下一個(gè)較高仰角不出現(xiàn)，就以為從最低仰角的前往不是降水，丟棄最低仰角的數(shù)據(jù)，用下一個(gè)較高仰角的數(shù)據(jù)進(jìn)展降水計(jì)算。 .7月2日 01：12.4波束高度隨間隔的改動(dòng)混合掃描hybrid scan：最后一個(gè)質(zhì)量控制步驟試圖矯正波束高

9、度隨間隔的改動(dòng)，盡能夠運(yùn)用在同一高度上的反射率因子值來(lái)計(jì)算降水?；旌蠏呙枋潜M能夠運(yùn)用4個(gè)最低仰角的結(jié)合，使得運(yùn)用的是最接近雷達(dá)高度以上1公里 的反射率因子數(shù)據(jù)。缺省的混合掃描：對(duì)沒(méi)有波束明顯被妨礙的徑向，3.4的反射率因子用在2-20km范圍，2.4用20-35km，1.5 用在35-50km范圍。超越50km，運(yùn)用0.5或1.5角 ( 96年以后只運(yùn)用0.5 仰角。.20km35km50km.雙掃描最大化bi-scan maximization：超越50km時(shí)，此技術(shù)選擇最低2個(gè)仰角的較大反射率因子值除非最低仰角在傾斜測(cè)試中被丟棄。這主要是彌補(bǔ)波束妨礙呵斥的對(duì)降水的過(guò)低估計(jì)，但同時(shí)帶來(lái)亮帶污

10、染的問(wèn)題。自96年起，雙掃描最大化被取消。分區(qū)混合掃描sectorized hybrid scan：分區(qū)混合掃描是缺省混合掃描和波束妨礙要求所定義的較高高度的結(jié)合。其結(jié)果對(duì)每個(gè)雷達(dá)站構(gòu)成一個(gè)圖形化的分區(qū)混合掃描“查詢表，如以下圖所示。.思索到地形和波束妨礙的分區(qū)混合掃描.降水算法子程序2：降水速率1反射率因子轉(zhuǎn)換為降水率由分區(qū)混合掃描，反射率因子數(shù)據(jù)用Z-I關(guān)系式轉(zhuǎn)換成降水速率。降水速率算法的輸入是由混合掃描產(chǎn)生的每個(gè)11km間隔庫(kù)的最好的低層反射率因子值。反射率因子數(shù)據(jù)用Z-I關(guān)系式轉(zhuǎn)換成降水速率。缺省關(guān)系式是： Z=300I1.4 對(duì)于熱帶性降水，關(guān)系式為： Z=250I1.2其中反射率因

11、子的單位是mm6 m-3，降水率I的單位是mm h-1。分辨率為1km1的降水率被轉(zhuǎn)換到2km1的新分辨率上。這是經(jīng)過(guò)將二個(gè)相鄰的1km間隔庫(kù)上的降水率平均后放在相應(yīng)的2km間隔庫(kù)上來(lái)得到的。 2km 1代表了降水估計(jì)的最小空間尺度，在雷達(dá)估計(jì)降水的最遠(yuǎn)間隔230km處為2km4km，在中間間隔115km處為2km2km，在近處20km為2km0.3km。.2冰雹污染的訂正最大的瞬時(shí)降水率大致在75mm/h到150mm/h之間個(gè)別極端情形例外，按照規(guī)范的Z-I關(guān)系，對(duì)應(yīng)于51到55 dBZ的反射率因子。由于冰雹的存在，反射率因子可大大超越55 dBZ，導(dǎo)致夸張的降水率。因此將反射率因子轉(zhuǎn)換為降

12、水率時(shí)有一個(gè)上限51至55 dBZ，超越該上限值的反射率因子一概按等于上限值處置。大部分WSR-88D采用53 dBZ對(duì)應(yīng)的降水率為104mm/h作為轉(zhuǎn)換的最大值，個(gè)別接近熱帶環(huán)境地點(diǎn)的WSR-88D取該值為55 dBZ對(duì)應(yīng)的降水率為150mm/h。.3時(shí)間延續(xù)性測(cè)試在降水率子算法中進(jìn)展的一個(gè)質(zhì)量控制步驟是比較目前體掃和前一個(gè)體掃中雷達(dá)區(qū)域內(nèi)230km平均降水率的變化。假設(shè)變化值超越某一合理的閾值一個(gè)可調(diào)參數(shù)，那么目前體積掃得到的降水率將全部丟棄。這樣一個(gè)大的變化往往由無(wú)線電頻率干擾、瞬變的系統(tǒng)噪聲和異常傳播呵斥。.4間隔退化波束部分充塞訂正遠(yuǎn)間隔處會(huì)出現(xiàn)波束部分充塞的景象，導(dǎo)致對(duì)降水率的過(guò)低

13、估計(jì)。可利用如下方程對(duì)這一間隔退化景象進(jìn)展訂正： Icorr=aIb rc其中I為訂正前的降水率，Icorr為訂正后的降水率， r為目的距雷達(dá)的間隔， a、b和c為從局地研討導(dǎo)出的系數(shù)。只需在搜集了足夠長(zhǎng)時(shí)期的數(shù)據(jù)后，才有能夠?qū)ο禂?shù)a、b和c進(jìn)展可靠的估計(jì)。目前它們的取值分別為1，1和0， 即沒(méi)有進(jìn)展訂正。一個(gè)比波束部分充塞更重要的間隔退化問(wèn)題是遠(yuǎn)間隔處波束在降水之上穿過(guò)呵斥的對(duì)降水率的過(guò)低估計(jì)，這一問(wèn)題在降水算法PPS沒(méi)有思索。.降水算法子程序3 ：降水累加1對(duì)降水率積分降水累加算法采用了降水速率算法的輸出產(chǎn)品每2km1的降水速率，對(duì)每2km1的間隔庫(kù)產(chǎn)生逐個(gè)掃描的時(shí)間累加。體積掃的時(shí)間間隔

14、為5分鐘或6分鐘或10分鐘，一次時(shí)間累加為兩個(gè)體掃的平均降水率乘以體掃間隔，將從降水開(kāi)場(chǎng)時(shí)到目前體積掃的每一個(gè)體掃-體掃累加加在一同，就得到目前為止的風(fēng)暴累積降水量。.2體掃間隔過(guò)大情況的處置由于雷達(dá)硬件或軟件的缺點(diǎn)，相繼體掃間隔能夠超越5、6或10分鐘。由于體掃間隔添加將導(dǎo)致降水累加算法的誤差，因此對(duì)可以進(jìn)展降水率線性內(nèi)插的體掃間隔應(yīng)該有一個(gè)上限，這一閾值可調(diào)參數(shù)目前是30分鐘。雷達(dá)缺點(diǎn)期小于30分鐘沒(méi)有數(shù)據(jù)被標(biāo)為喪失.假設(shè)體掃間隔超越30分鐘，那么假定兩個(gè)體掃中間的多余時(shí)間部分包含喪失的數(shù)據(jù)。假設(shè)喪失數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔超越6分鐘體掃間隔超越36分鐘，RPG將不生成體掃-體掃累積和一小時(shí)累積產(chǎn)品

15、。雷達(dá)缺點(diǎn)期超越30分鐘中間部分的數(shù)據(jù)標(biāo)為喪失.3消除一小時(shí)降水累積降水量的極端值降水累積子程序的最后一步是消除一小時(shí)累積降水超越一個(gè)最大閾值的間隔庫(kù)。假設(shè)任何一個(gè)一小時(shí)降水間隔庫(kù)的值超越這個(gè)閾值目前為400mm并且它的8個(gè)相鄰間隔庫(kù)的值不超越該閾值，那么用這8個(gè)相鄰間隔庫(kù)的平均值替代。假設(shè)8個(gè)相鄰間隔庫(kù)中至少有一個(gè)也超越該閾值，那么一個(gè)不同的閾值更大的將用來(lái)限制一小時(shí)累積降水極端值的出現(xiàn)。.降水算法子程序4：降水量校正實(shí)時(shí)的雨量計(jì)數(shù)據(jù)可以用來(lái)調(diào)整雷達(dá)雨量估計(jì)。目前的Z-I關(guān)系不能夠適用于一切降水，而實(shí)時(shí)調(diào)整Z-I關(guān)系是幾乎不能夠的。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)比較雨量計(jì)和雷達(dá)的一小時(shí)累積降水值可以對(duì)雷達(dá)降

16、水估計(jì)進(jìn)展調(diào)整，等效于對(duì)Z-I關(guān)系中的倍增系數(shù)如Z=300R1.4中的300進(jìn)展自動(dòng)的和客觀的調(diào)整。這種調(diào)整，以雨量計(jì)-雷達(dá)倍增系數(shù)的方式，均勻地作用于雷達(dá)的掃描區(qū)域，因此稱為平均場(chǎng)偏向調(diào)整。假設(shè)雨量計(jì)-雷達(dá)倍增系數(shù)為1，那么闡明沒(méi)有偏向；假設(shè)倍增系數(shù)大于1，那么闡明雷達(dá)過(guò)低估計(jì)降水；假設(shè)該系數(shù)值在0-1之間，那么意味著雷達(dá)過(guò)高估計(jì)降水。.由于這些偏向代表雨量計(jì)和雷達(dá)進(jìn)展比較的整個(gè)區(qū)域的平均情況，所以它們不能訂正個(gè)別風(fēng)暴內(nèi)偏向的變化和依賴于間隔和方位角的偏向。雨量計(jì)的數(shù)量越多，平均場(chǎng)偏向的代表性越好。詳細(xì)的訂正方法采用Kalman濾波技術(shù)。這種訂正適用于空間均勻的雷達(dá)誤差如硬件定標(biāo)偏向、濕天線

17、罩衰減和不適當(dāng)?shù)腪-I關(guān)系。.降水算法子程序5：降水產(chǎn)品生成降水算法的最后一個(gè)處置步驟是產(chǎn)品生成。在這一步驟中，降水累積數(shù)據(jù)被格式化成各種時(shí)間和空間分辨率的產(chǎn)品，提供應(yīng)各種業(yè)務(wù)預(yù)告運(yùn)用。目前PPS生成四種圖形產(chǎn)品、兩種數(shù)字產(chǎn)品和一種字符產(chǎn)品。1圖形產(chǎn)品PUP前的預(yù)告員可以獲取4種圖形產(chǎn)品：a1小時(shí)降水量；b3小時(shí)降水量； c風(fēng)暴總降水量； d用戶選擇繼續(xù)時(shí)間的降水量。 .1小時(shí)累積雨量：從當(dāng)前體掃到1小時(shí)前的體掃的延續(xù)累加，每個(gè)體掃更新一次。.3小時(shí)累積雨量：以最近的整點(diǎn)為終了時(shí)間的前3小時(shí)累積雨量。它每小時(shí)更新一次。.用戶選擇時(shí)段的累積降水產(chǎn)品：預(yù)告員可以選擇隨意那一個(gè)時(shí)段的累積雨量。用戶可

18、從最近的30個(gè)小時(shí)中選擇最長(zhǎng)為24小時(shí)時(shí)段的累積雨量。每個(gè)圖形產(chǎn)品有一個(gè)分開(kāi)的字符產(chǎn)品，包含PPS可調(diào)參數(shù)的值、和一些補(bǔ)充信息如雨量計(jì)-雷達(dá)偏向倍增系數(shù)和它的方差。.2字符產(chǎn)品這個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)的補(bǔ)充產(chǎn)品包含三個(gè)部分。第一部分是挑選的由PPS算法生成的附加數(shù)據(jù)和一些補(bǔ)充信息如雨量計(jì)-雷達(dá)偏向倍增系數(shù)和它的方差、偏向倍增系數(shù)能否被用到產(chǎn)品上、孤立的反射率因子值和反射率因子極端值的數(shù)量，傾斜測(cè)試中面積的減少以及發(fā)生數(shù)據(jù)喪失的次數(shù)。第二部分包括最近1小時(shí)一切雨量計(jì)-雷達(dá)對(duì)的清單，它們的位置和能否經(jīng)過(guò)了質(zhì)量控制。第三部分包括最新收到的雨量計(jì)報(bào)告。.3數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字意味著產(chǎn)品保管了算法給出的原始數(shù)據(jù)的精度，即沒(méi)有象在圖形產(chǎn)品中被分割為假設(shè)干個(gè)數(shù)據(jù)級(jí)。因此，數(shù)字產(chǎn)品可在WSR-88D之外的定量算法中