三.5+多普勒雷達(dá)物理量產(chǎn)品的分析

三、5新一代雷達(dá)的物理量產(chǎn)品

ζ16.2大氣科學(xué)學(xué)院白愛娟雷達(dá)產(chǎn)品分類雷達(dá)產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品物理量產(chǎn)品反演識別產(chǎn)品雷達(dá)基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品基本產(chǎn)品：根據(jù)從RDA接收到的數(shù)字化基數(shù)據(jù)，直接形成的不同分辨率和數(shù)據(jù)顯示級別的多普勒數(shù)據(jù)產(chǎn)品。產(chǎn)品分類：（1）反射率因子（R）（2）平均徑向速度（V）（3）譜寬產(chǎn)品（W）基本譜寬產(chǎn)品的應(yīng)用1）速度評估：利用譜寬數(shù)據(jù)可以評估平均徑向速度產(chǎn)品的可靠性。越高的譜寬值反映出徑向速度估算越具有不確定性，或許意味著速度是不正確的。預(yù)報(bào)員需要研究其它基本產(chǎn)品才能確定速度資料是否正確。2）系統(tǒng)邊界的識別：與基本速度產(chǎn)品的方式一樣，基本譜寬產(chǎn)品可以顯示回波功率低于5dBz的譜寬數(shù)據(jù)，這對于降水模式的基本反射率產(chǎn)品而言是下限閾值，因此基本譜寬產(chǎn)品中具有較低反射率回波的區(qū)域就可以用來幫助識別系統(tǒng)邊界。一般基本譜寬所使用的顏色標(biāo)尺往往用來突出與系統(tǒng)邊界有關(guān)的湍流區(qū)域。導(dǎo)出產(chǎn)品一、雷達(dá)產(chǎn)品的物理量產(chǎn)品物理量產(chǎn)品：由雷達(dá)以各種探測方式獲取的R、徑向速度V和W，經(jīng)過一定的計(jì)算和客觀處理，轉(zhuǎn)化為氣象上常用的有明顯意義的物理量，進(jìn)而把這些物理量的分布顯示成圖象。因此物理量產(chǎn)品是經(jīng)RPG中氣象算法處理后得到的。應(yīng)用：有助于使用者直接把雷達(dá)產(chǎn)品和某些天氣現(xiàn)象聯(lián)系起來，進(jìn)行分析和應(yīng)用。物理量產(chǎn)品的分類

（1）強(qiáng)度物理量產(chǎn)品（2）速度物理量產(chǎn)品（3）譜寬物理量產(chǎn)品強(qiáng)度物理量產(chǎn)品：1）回波頂高ET；2）垂直累積含水量VIL；3）時(shí)段雨量累積OHP、THP；4）風(fēng)暴總降水量STP。1、強(qiáng)度物理量產(chǎn)品（1）回波頂高（ET：EchoTop）對流的強(qiáng)弱一般和回波伸展高度有關(guān)，ET產(chǎn)品可用來分析估計(jì)探測范圍內(nèi)不同地區(qū)的對流發(fā)展與否，以及相對強(qiáng)弱情況。獲取：應(yīng)用體掃的三維數(shù)據(jù)，選擇回波閾值，根據(jù)測高公式，在一定底面積的垂直柱體中，自上而下地搜索選定閾值所在高度，用這種方法得到的回波頂高分布圖像，單位為km。說明：1、強(qiáng)度閾值一般與探測地點(diǎn)，季節(jié)和云的類別密切相關(guān)，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和需要擇定。調(diào)整強(qiáng)度閾值可以校正真實(shí)回波頂高。一般而言，估計(jì)云頂高度閾值：5dBz，降水層頂：18dBz，強(qiáng)回波頂：30dBz。

2、在雷達(dá)附近，大于最大探測仰角的回波空白區(qū)，探測不到回波頂高，而且雷達(dá)也探測不到太薄的云層。

3、回波頂高和底高并不一定就是云的頂高和底高。探測強(qiáng)回波頂高時(shí)，則用30dBZ作為強(qiáng)度閾值，垂直柱體的底面為1×1km，2×2km和4×4km。ET（EchoTop)通常把強(qiáng)度≥18.3dBz回波所在高度定義為回波頂高。產(chǎn)品不足：1．產(chǎn)品網(wǎng)格點(diǎn)間常出現(xiàn)環(huán)形階梯狀不連續(xù)現(xiàn)象。2．對于發(fā)展較高的強(qiáng)風(fēng)暴較難探測到回波頂高。3．雷達(dá)旁瓣回波，可能導(dǎo)致過高估計(jì)回波頂高。4．距雷達(dá)近距離處，受最高仰角的限制可能低估回波頂高。回波頂高與降水的關(guān)系回波頂高與降水成正相關(guān)，降水較強(qiáng)時(shí)，回波頂伸展的高度也比較高，回波頂高度降低，則預(yù)示降水的減弱。CR產(chǎn)品是應(yīng)用體積掃描獲取的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在以1km×1km（或2km×2km）為底面積，直到回波頂?shù)拇怪敝w中，對所有位于該柱體中的回波強(qiáng)度資料進(jìn)行比較，挑選出最大的回波強(qiáng)度，從而得到最大回波強(qiáng)度的圖像。2、組合反射率產(chǎn)品CRCR產(chǎn)品的顯示CR特點(diǎn)：1．顯示整個(gè)可探測大氣空間的最大反射率因子分布2．與基本反射率因子相比，有助于探測風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度等。R和CR對比CR產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)

有助于快速查看最大回波強(qiáng)度的分布。對有些突發(fā)性的強(qiáng)對流天氣，其初始回波往往出現(xiàn)在中空，使用這種產(chǎn)品可以有效監(jiān)測這類強(qiáng)對流天氣。在穩(wěn)定性降水條件下，有助于識別零度層亮帶及其所在的高度。在冰雹區(qū)域，相應(yīng)的中空可能存在強(qiáng)反射率因子區(qū)，所以CR產(chǎn)品可監(jiān)測冰雹的發(fā)生發(fā)展。CR產(chǎn)品的使用

應(yīng)注意：近距離處的地物回波干擾，以免把地物回波誤認(rèn)為最大回波強(qiáng)度。遠(yuǎn)距離處，由于最低仰角獲取的數(shù)據(jù)離地面有一定的高度，有可能探測不到真正的最大回波。此外業(yè)務(wù)工作限制，一般體積掃描的最高仰角不會很大，所以在雷達(dá)周圍不一定能探測到最大回波強(qiáng)度。雷達(dá)探測范圍示意圖（3）VIL(垂直累積含水量)VIL：假定所有反射率因子強(qiáng)度都是由液態(tài)水滴引起的，定義某底面積垂直柱體中的總含水量為垂直累積含水量VIL。是反映降水云體中垂直液態(tài)含水總量，判斷強(qiáng)降水及降水潛力，以及強(qiáng)對流天氣造成的暴雨和冰雹等災(zāi)害性天氣的有效工具。垂直累積含水量（VIL）獲得：根據(jù)一定的滴譜分布假設(shè)條件，理論上得到液態(tài)含水量R和雷達(dá)反射率因子Z之間的關(guān)系（簡稱Z-R關(guān)系）。在雷達(dá)體掃中應(yīng)用Z-R的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出關(guān)系可直接轉(zhuǎn)換成液態(tài)含水量分布；通過垂直積分獲得然后對液態(tài)含水量從地面垂直向上到云頂進(jìn)行累積，即可得到液態(tài)含水量的分布。單位：千克/平方米（kg/m2）。VIL局限性

①雨滴滴譜的不確定性使得VIL有偏差。

②

體積掃描時(shí)不可能把仰角抬得很高，在靜錐區(qū)內(nèi)探測不到回波頂，使VIL值估計(jì)過低。較遠(yuǎn)距離處，最低仰角的底層高度已經(jīng)較高，與回波頂高度之間的厚度小于近距離處的厚度，導(dǎo)致VIL值過低。③對于強(qiáng)烈傾斜的對流降水云；或快速移動(dòng)的降水云，由于雷達(dá)探測低仰角和高仰角的時(shí)間差，都可能使降水云伸展到其它相鄰的柱體中，VIL值低于垂直或移動(dòng)較慢的VIL值。(4)探測非對流云降水云體時(shí)存在零度層亮帶，VIL值將存在明顯誤差。注意：Z－R關(guān)系式是經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)際降水云中雨滴的易變性將導(dǎo)致VIL值產(chǎn)生誤差。為減少這種誤差，可對不同的降水分型：對流云降水、層狀云降水和積層混合云降水。然后對同一類降水的不同降水過程（如陣雨，對流性暴雨和冰雹等）的VIL進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較，得到對本地有實(shí)際意義的判別指標(biāo)。VIL的應(yīng)用判別強(qiáng)對流造成的暴雨、大風(fēng)和冰雹等災(zāi)害性天氣。1確定大多數(shù)顯著的風(fēng)暴單體位置。2識別較大的冰雹單體：由于冰雹單體并非由液態(tài)水構(gòu)成，導(dǎo)致很強(qiáng)的VIL。研究表明，當(dāng)某地的VIL值增加到很大，爾后開始減小時(shí)，表明即將降雹。3識別超級單體風(fēng)暴：較強(qiáng)的VIL。4識別強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害天氣：強(qiáng)風(fēng)開始時(shí)，VIL迅速減小。VIL中心與降水中心密切相關(guān)，VIL值越大，回波頂越高，強(qiáng)回波伸展的高度越高，空中液態(tài)水含量也越多，則在未來降水的潛力越大，形成強(qiáng)對流天氣的可能性也就越大。（4）時(shí)段雨量累積（OHP/THP）該產(chǎn)品在雨強(qiáng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，計(jì)算雷達(dá)探測范圍內(nèi)任意時(shí)段的雨量分布，并顯示該時(shí)段內(nèi)整個(gè)探測區(qū)域和某指定區(qū)域內(nèi)的降水總量（單位：mm，表示降水區(qū)域面積上平均降水的厚度）。1小時(shí)累積降水（OHP）OHP產(chǎn)品以雨強(qiáng)產(chǎn)品中的雨強(qiáng)值作為本產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算某一點(diǎn)24小時(shí)以內(nèi)任一小時(shí)的累積。

OHP（一小時(shí)累積降水）

5、THP（3小時(shí)累積降水）THP是跟當(dāng)前時(shí)間最近的一個(gè)整點(diǎn)為止的3個(gè)小時(shí)累積，每個(gè)整點(diǎn)更新一次。6、STP（風(fēng)暴總降水量）時(shí)段累積降水量注意：由于雷達(dá)估測雨量與地面雨量的時(shí)空不一致性，不適當(dāng)?shù)腪-R關(guān)系，電磁波的非正常傳播，天線罩沿水引起的衰減等，都會引起雷達(dá)時(shí)段累積雨量的誤差?？梢杂玫孛嬗炅繙y量校正相應(yīng)雷達(dá)估測值是十分必要的，且是業(yè)務(wù)上可行的方法。STP（風(fēng)暴總累積降水）

THP（3h累積降水）注意：某點(diǎn)雨量實(shí)際是該點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的降雨量，原則上由以上方法計(jì)算的雷達(dá)雨強(qiáng)乘以兩次探測的時(shí)間間隔，即得到該間隔內(nèi)的雨量。然后把該時(shí)段內(nèi)所有時(shí)間間隔內(nèi)的雨量累加，即為該時(shí)段的雨量。鑒于降水的高度時(shí)空變化性，兩次雷達(dá)探測時(shí)間間隔不宜過長，以小于12分鐘為宜。2、徑向速度物理量產(chǎn)品（1）垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品（VWP）（2）合成切變（CS）（1）垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品VWP在徑向速度產(chǎn)品基礎(chǔ)上，應(yīng)用體掃資料，得到雷達(dá)中心周圍范圍內(nèi)不同高度上，平均風(fēng)向和風(fēng)速隨高度變化的垂直廓線，應(yīng)用繼續(xù)時(shí)間的體掃資料，即可得到平均風(fēng)向和風(fēng)速隨高度和時(shí)間變化的剖面圖。可以自行選擇水平距離半徑，但若選擇半徑大于30km，需要確定風(fēng)場均勻分布的假設(shè)條件是否滿足。垂直風(fēng)廓線VWP

與一般天氣圖中的風(fēng)廓線圖表示形式相同，有較高實(shí)用價(jià)值，用來識別平均風(fēng)的高度切變，及其隨時(shí)間的變化。（4）合成切變（CS）合成切變是徑向散度與方位渦度合成的顯示產(chǎn)品，反映了流場中的不均勻性。該產(chǎn)品還可用來幫助識別速度在徑向和方位上均有切變的天氣現(xiàn)象，如陣風(fēng)鋒、低空切變線、中尺度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等低空風(fēng)切變的現(xiàn)象。合成切變（CR）三、多普勒雷達(dá)的識別產(chǎn)品定義：指由雷達(dá)獲取的回波強(qiáng)度、徑向速度和譜寬資料，根據(jù)各類中小尺度災(zāi)害性天氣結(jié)構(gòu)模型，分析處理后得到的各類災(zāi)害性天氣自動(dòng)識別產(chǎn)品。（可疊加在其他產(chǎn)品上）包括以下幾部分：(1)陣風(fēng)鋒；下?lián)舯┝鳎?2)中尺度氣旋；龍卷渦旋；(3)風(fēng)暴；冰雹自動(dòng)識別等；(4)風(fēng)暴自動(dòng)識別、跟蹤、預(yù)報(bào)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。（1）陣風(fēng)鋒識別產(chǎn)品

對流風(fēng)暴中的下沉氣流到達(dá)低空在地面形成冷雷暴堆，并向四周流出，其中有相當(dāng)大的一部分流向風(fēng)暴前方。這種流出氣流具有中層環(huán)境空氣的水平動(dòng)量，在低空可引發(fā)強(qiáng)風(fēng)，其前緣就是陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒是出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)暴周圍的一種強(qiáng)風(fēng)切變，常造成局地風(fēng)害。在雷達(dá)探測的強(qiáng)度上表現(xiàn)為環(huán)繞強(qiáng)風(fēng)暴回波的一條細(xì)長的弱回波帶，稱為“窄帶回波”（Thinlines)，徑向速度場中表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)切變。陣風(fēng)鋒過境時(shí)通常無降水，提供了風(fēng)暴前的晴空信息，其對電磁波的散射機(jī)制尚無確定，可能是湍流對電磁波的散射。陣風(fēng)鋒陣風(fēng)鋒

陣鋒風(fēng)對于飛機(jī)著陸或起飛有危險(xiǎn)，因?yàn)樗墚a(chǎn)生大的風(fēng)切變，使飛機(jī)失去平衡而墜毀。陣風(fēng)鋒一般發(fā)生在高度3km以下的地層大氣中，其長度一般大于10km，它帶來的最大的風(fēng)切變值應(yīng)大于每公里3m/s，其傳播速度一般為5－10m/s。陣風(fēng)鋒的特征和影響2003年4月17日濟(jì)南出現(xiàn)氣壓涌升，氣溫驟降，風(fēng)向陡轉(zhuǎn)，風(fēng)力陡增，降水強(qiáng)度達(dá)8mm/10min，從氣象要素的變化來看，颮線天氣前有陣風(fēng)鋒。強(qiáng)度圖表現(xiàn)為狹窄的強(qiáng)回波帶。陣風(fēng)鋒窄帶回波（2）下?lián)舯┝髯R別

下?lián)舯┝魇桥c強(qiáng)對流天氣伴隨產(chǎn)生的，尺度?。?.4-4km），突然陣性爆發(fā)，向下沖擊觸及地面物體，破壞性極大。盡管維持時(shí)間不長(5－10min)，但風(fēng)力強(qiáng)，能夠嚴(yán)重地影響地面物體和低空飛行物，近年來受到人們的注意。下?lián)舯┝髯R別是通過在徑向上尋求一致的徑向速度增加段來確定其位置、強(qiáng)度等。（2）中尺度氣旋自動(dòng)識別（M）

當(dāng)選定數(shù)據(jù)文件后，對速度產(chǎn)品進(jìn)行資料預(yù)處理，再按照一定的算法自動(dòng)探測是否有中尺度氣旋產(chǎn)生。中氣旋的識別中氣旋的識別（3）龍卷渦旋自動(dòng)識別（TVS）

龍卷渦旋一般在較強(qiáng)中尺度氣旋中產(chǎn)生，尺度較中尺度氣旋小(幾百米－1公里)，破壞力極大，具有較大風(fēng)速和較大方位切變。對于龍卷渦旋，一般是在中尺度氣旋存在的情況下來確定其是否會產(chǎn)生。對速度資料進(jìn)行預(yù)處理，再按照一定的算法自動(dòng)探測是否有龍卷渦旋產(chǎn)生。（4）暴雨自動(dòng)識別

先根據(jù)雷達(dá)資料求出雨強(qiáng)值，再根據(jù)雨強(qiáng)大小及分布面積來確定是否有暴雨，按照一定的算法自動(dòng)探測是否有暴雨產(chǎn)生。風(fēng)暴自動(dòng)識別、跟蹤產(chǎn)品（STI）

風(fēng)暴跟蹤信息產(chǎn)品（Stormtrackinginformation)利用多普勒雷達(dá)體掃資料對風(fēng)暴進(jìn)行實(shí)時(shí)地自動(dòng)識別、跟蹤、結(jié)構(gòu)分析和臨近預(yù)報(bào)。風(fēng)暴的識別基于某個(gè)連續(xù)區(qū)域的體積和雷達(dá)反射率大于給定的體積閾值和反射率閾值，用矩心跟蹤法匹配相鄰兩時(shí)刻的風(fēng)暴，對風(fēng)暴的合并與分裂進(jìn)行了處理，根據(jù)風(fēng)暴在過去各個(gè)時(shí)刻的中心位置和體積，利用最小二乘法進(jìn)行線外推來預(yù)報(bào)其在下一時(shí)刻的位置和面積。能較好地識別、跟蹤和警戒對流性天氣。（5）冰雹自動(dòng)識別冰雹指數(shù)(HailIndex)產(chǎn)品是對每個(gè)被SCIT（美國WSR88D）冰雹探測算法所識別的風(fēng)暴，提供其風(fēng)暴結(jié)構(gòu)是否有助于冰雹形成的指標(biāo)，所以它和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品同步產(chǎn)生或更新。當(dāng)風(fēng)暴發(fā)展非常強(qiáng)烈時(shí)，就可能降雹。因此此方法是在風(fēng)暴識別和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來探測冰雹的。

若軟件跟蹤到冰雹，將在屏幕上相應(yīng)位置顯示冰雹的位置，形狀，并用不同的顏色顯示跟蹤兩個(gè)相鄰時(shí)刻的風(fēng)暴，顯示風(fēng)暴體的位置，形狀，給出冰雹的相關(guān)參數(shù)（如：冰雹序號，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，頂高，最大反射率，偏北距離，最大橫向距離，傾斜方向，移動(dòng)方向，中層最大反射率，懸掛距離，懸掛高度，概率指數(shù)，結(jié)論等）。課后習(xí)題1物理量產(chǎn)品一般分為幾類？分別包含哪些產(chǎn)品？2強(qiáng)度物理量產(chǎn)品的回波頂高產(chǎn)品ET、垂直累積含水量VIL，以及CR產(chǎn)品有哪些應(yīng)用，說明這些產(chǎn)品的局限性？3徑向速度物理量有哪些產(chǎn)品，其中VWP產(chǎn)品在哪些方面的應(yīng)用？4多普勒雷達(dá)的識別產(chǎn)品有哪些類型，分別有哪些應(yīng)用？基本產(chǎn)品的解釋和應(yīng)用（1）評估環(huán)境條件和氣象特性在雷達(dá)所在地周圍一些大氣特征量的垂直密度的不連續(xù)性將顯示為環(huán)狀或部分環(huán)狀回波，比如逆溫層以及水汽含量隨高度急劇下降的層次?；井a(chǎn)品的釋用（2）識別云層和降水特征晴空模式在冬季暴雪中是十分有用的。高反射率因子有助于確定強(qiáng)降雪區(qū)，確定槽線、鋒面和其它系統(tǒng)邊界的位置?；井a(chǎn)品是確定系統(tǒng)邊界位置的非常有用的工具。使用基本反射率因可以確定窄帶回波，使用基本速度可以確定沿系統(tǒng)邊界的輻合區(qū)?；井a(chǎn)品的解釋和應(yīng)用

（3）零度層的定位及確認(rèn)等高度的零度層在反射率產(chǎn)品中顯現(xiàn)為較高反射率構(gòu)成的環(huán)形或部分環(huán)形。如果融化層的高度隨著其與雷達(dá)的距離而變化，該環(huán)將表現(xiàn)為非對稱及/或融化層將表現(xiàn)為一個(gè)弧型或不規(guī)則帶狀。這種雷達(dá)特征將與較的譜寬值相對應(yīng)?；井a(chǎn)品的解釋和應(yīng)用（4）確定重要的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用弱回波區(qū)（WER），有界弱回波區(qū)域（BWER），鉤狀回波，后部入流急流或弱回波通道，微下?lián)舯┝鱽龛b別風(fēng)暴的一些結(jié)構(gòu)特征。而基本速度產(chǎn)品可以顯示出雷暴中的旋轉(zhuǎn)。基本產(chǎn)品的解釋和應(yīng)用（5）判別非氣象現(xiàn)象眾多的非氣象現(xiàn)象可以在雷達(dá)中探測到，比如鳥，蝙蝠以及昆蟲的飛行方式可以被看到。雷達(dá)可以被用來追蹤火災(zāi)區(qū)域以及確定可能發(fā)生森林火災(zāi)的區(qū)域。更進(jìn)一步，雷達(dá)將被用來確定火山灰位置，飛機(jī)甚至高速公路的車速，作為一個(gè)使用者，你必須常常意識到探測到的潛在的非氣象現(xiàn)象，保持警覺并經(jīng)常利用所有可能的信息去綜合判斷所觀察到的現(xiàn)象。基本產(chǎn)品的解釋和應(yīng)用（6）確定可能的湍流和切變區(qū)域切變和湍流是十分重要的氣象特征，一個(gè)強(qiáng)切變區(qū)的例子是與風(fēng)暴頂輻散相關(guān)的位于雷暴頂部附近的強(qiáng)切變區(qū)?；舅俣犬a(chǎn)品對于確定風(fēng)暴頂正在發(fā)生輻散的區(qū)域時(shí)是非常有用的?；舅俣犬a(chǎn)品的速度大小和方向的急劇變化有助于確定可能引起空難的垂直切變區(qū)域。（1）反射率因子的應(yīng)用降水性質(zhì)判斷，回波形態(tài)；回波分布特征分析，主要分析回波的分布特征及移動(dòng)特征。其中包括移向、移速及回波的相對變化；回波演變特征分析，主要分