三5-多普勒雷达物理量产品的剖析课件

三、三、5 新一代雷达的物理量产品新一代雷达的物理量产品16.216.2大气科学学院白爱娟雷达产品分类雷达产品分类雷达产品雷达产品基本数据基本数据产品产品物理量产品物理量产品反演识别反演识别产品产品雷达基本数据产品雷达基本数据产品基本产品基本产品：根据从RDA接收到的数字化基数据，直接形成的不同分辨率和数据显示级别的多普勒数据产品。产品分类产品分类：（1）反射率因子（R）（2）平均径向速度（V）（3）谱宽产品（W）基本谱宽产品的应用基本谱宽产品的应用1）速度评估速度评估：利用谱宽数据可以评估平均径向速度产品的可靠性。越高的谱宽值反映出径向速度估算越具有不确定性，或许意味着速度是不正确的。预报员需要研究其它基本产品才能确定速度资料是否正确。2）系统边界的识别系统边界的识别：与基本速度产品的方式一样，基本谱宽产品可以显示回波功率低于5dBz的谱宽数据，这对于降水模式的基本反射率产品而言是下限阈值，因此基本谱宽产品中具有较低反射率回波的区域就可以用来帮助识别系统边界。一般基本谱宽所使用的颜色标尺往往用来突出与系统边界有关的湍流区域。导导出出产产品品一、雷达产品的物理量产品一、雷达产品的物理量产品物理量产品：物理量产品：由雷达以各种探测方式获取的R、径向速度V和W，经过一定的计算和客观处理，转化为气象上常用的有明显意义的物理量，进而把这些物理量的分布显示成图象。因此物理量产品是经RPG中气象算法处理后得到的。应用：应用：有助于使用者直接把雷达产品和某些天气现象联系起来，进行分析和应用。物理量产品的分类物理量产品的分类 （1）强度物理量产品 （2）速度物理量产品 （3）谱宽物理量产品强度物理量产品：1）回波顶高ET；2）垂直累积含水量VIL；3）时段雨量累积OHP、THP；4）风暴总降水量STP。1、强度物理量产品、强度物理量产品（1）回波顶高（ET：Echo Top）对流的强弱一般和回波伸展高度有关，ET产品可用来分析估计探测范围内不同地区的对流发展与否，以及相对强弱情况。获取：应用体扫的三维数据，选择回波阈值，根据测高公式，在一定底面积的垂直柱体中，自上而下地搜索选定阈值所在高度，用这种方法得到的回波顶高分布图像，单位为km。说明：1、强度阈值一般与探测地点，季节和云的类别密切相关，可根据当地的气象条件和需要择定。调整强度阈值可以校正真实回波顶高。一般而言，估计云顶高度阈值：5dBz，降水层顶：18 dBz，强回波顶：30 dBz。2、在雷达附近，大于最大探测仰角的回波空白区，探测不到回波顶高，而且雷达也探测不到太薄的云层。3、回波顶高和底高并不一定就是云的顶高和底高。探测强回波顶高时，则用30dBZ作为强度阈值，垂直柱体的底面为11km，22km和44km。ET（Echo Top)通常把强度18.3dBz回波所在高度定义为回波顶高。产品不足：产品不足：1产品网格点间常出现环形阶梯状不连续现象。2对于发展较高的强风暴较难探测到回波顶高。3雷达旁瓣回波，可能导致过高估计回波顶高。4距雷达近距离处，受最高仰角的限制可能低估回波顶高。回波顶高与降水的关系回波顶高与降水的关系回波顶高与降水成正相关，降水较强时，回波顶伸展的高回波顶高与降水成正相关，降水较强时，回波顶伸展的高度也比较高，回波顶高度降低，则预示降水的减弱。度也比较高，回波顶高度降低，则预示降水的减弱。CR产品是应用体积扫描获取的回波强度数据，在以1km1km（或2km2km）为底面积，直到回波顶的垂直柱体中，对所有位于该柱体中的回波强度资料进行比较，挑选出最大的回波强度，从而得到最大回波强度的图像。2、组合反射率产品、组合反射率产品CRCR产品的产品的显示显示CR特点：1显示整个可探测大气空间的最大反射率因子分布2与基本反射率因子相比，有助于探测风暴结构特征和强度等。R和CR对比CR产品的优点产品的优点 有助于快速查看最大回波强度的分布。对有些突发性的强对流天气，其初始回波往往出现在中空，使用这种产品可以有效监测这类强对流天气。在稳定性降水条件下，有助于识别零度层亮带及其所在的高度。在冰雹区域，相应的中空可能存在强反射率因子区，所以CR产品可监测冰雹的发生发展。CR产品的使用产品的使用 应注意：近距离近距离处的地物回波干扰，以免把地物回波误认为最大回波强度。远距远距离处离处，由于最低仰角获取的数据离地面有一定的高度，有可能探测不到真正的最大回波。此外业务工作限制，一般体积扫描的最高仰角不会很大，所以在雷达周围不一定能探测到最大回波强度。雷达探测范围示意图雷达探测范围示意图（3 3）VIL(VIL(垂直累积含水量垂直累积含水量)VIL：假定所有反射率因子强度都是由液态水滴引起的，定义某底面积垂直柱体中的总含水量为垂直累积含水量VIL。是反映降水云体中垂直液态含水总量，判断强降水及降水潜力，以及强对流天气造成的暴雨和冰雹等灾害性天气的有效工具。垂直累积含水量（垂直累积含水量（VIL）获得获得：根据一定的滴谱分布假设条件，理论上得到液态含水量R和雷达反射率因子Z之间的关系（简称Z-R关系）。在雷达体扫中应用Z-R的经验导出关系可直接转换成液态含水量分布；通过垂直积分获得然后对液态含水量从地面垂直向上到云顶进行累积，即可得到液态含水量的分布。单位：千克/平方米（kg/m2）。VIL局限性局限性 雨滴滴谱的不确定性使得VIL有偏差。体积扫描时不可能把仰角抬得很高，在静锥区内探测不到回波顶，使VIL值估计过低。较远距离处，最低仰角的底层高度已经较高，与回波顶高度之间的厚度小于近距离处的厚度，导致VIL值过低。对于强烈倾斜的对流降水云；或快速移动的降水云，由于雷达探测低仰角和高仰角的时间差，都可能使降水云伸展到其它相邻的柱体中，VIL值低于垂直或移动较慢的VIL值。(4)探测非对流云降水云体时存在零度层亮带，VIL值将存在明显误差。注意：ZR关系式是经验公式，实际降水云中雨滴的易变性将导致VIL值产生误差。为减少这种误差，可对不同的降水分型：对流云降水、层状云降水和积层混合云降水。然后对同一类降水的不同降水过程（如阵雨，对流性暴雨和冰雹等）的VIL进行统计分析比较，得到对本地有实际意义的判别指标。VIL的应用的应用判别强对流造成的暴雨、大风和冰雹等灾害性天气。1 确定大多数显著的风暴单体位置。2 识别较大的冰雹单体：由于冰雹单体并非由液态水构成，导致很强的VIL。研究表明，当某地的VIL值增加到很大，尔后开始减小时，表明即将降雹。3 识别超级单体风暴：较强的VIL。4 识别强风灾害天气：强风开始时，VIL迅速减小。VIL中心与降水中心密切相关，VIL值越大，回波顶越高，强回波伸展的高度越高，空中液态水含量也越多，则在未来降水的潜力越大，形成强对流天气的可能性也就越大。（4）时段雨量累积）时段雨量累积（OHP/THP）该产品在雨强产品的基础上，计算雷达探测范围内任意时段的雨量分布，并显示该时段内整个探测区域和某指定区域内的降水总量（单位：mm，表示降水区域面积上平均降水的厚度）。1小时累积降水（小时累积降水（OHP）OHP产品以雨强产品中的雨强值作为本产品的原始数据，计算某一点24小时以内任一小时的累积。OHP（一小时累积降水）（一小时累积降水）5、THP（3小时累积降水）小时累积降水）THP是跟当前时间最近的一个整点为止的3个小时累积，每个整点更新一次。时段累积降水量时段累积降水量注意：由于雷达估测雨量与地面雨量的时空不一致性，不适当的Z-R关系，电磁波的非正常传播，天线罩沿水引起的衰减等，都会引起雷达时段累积雨量的误差。可以用地面雨量测量校正相应雷达估测值是十分必要的，且是业务上可行的方法。STP（风暴总累积降水）（风暴总累积降水）THP（3h累积降水）累积降水）注意：某点雨量实际是该点在某一时段内的降雨量，原则上由以上方法计算的雷达雨强乘以两次探测的时间间隔，即得到该间隔内的雨量。然后把该时段内所有时间间隔内的雨量累加，即为该时段的雨量。鉴于降水的高度时空变化性，两次雷达探测时间间隔不宜过长，以小于12分钟为宜。2、径向速度物理量产品、径向速度物理量产品（1）垂直风廓线产品（VWP）（2）合成切变（CS）（1）垂直风廓线产品）垂直风廓线产品VWP在径向速度产品基础上，应用体扫资料，得到雷达中心周围范围内不同高度上，平均风向和风速随高度变化的垂直廓线，应用继续时间的体扫资料，即可得到平均风向和风速随高度和时间变化的剖面图。可以自行选择水平距离半径，但若选择半径大于30km，需要确定风场均匀分布的假设条件是否满足。垂直风廓线垂直风廓线VWP 与一般天气图中的风廓线图表示形式相同，有较高实用价值，用来识别平均风的高度切变，及其随时间的变化。（4）合成切变（）合成切变（CS）合成切变是径向散度与方位涡度合成的显示产品，反映了流场中的不均匀性。该产品还可用来帮助识别速度在径向和方位上均有切变的天气现象，如阵风锋、低空切变线、中尺度旋转运动等低空风切变的现象。合成切变合成切变（CR）三、多普勒雷达的识别产品三、多普勒雷达的识别产品定义定义：指由雷达获取的回波强度、径向速度和谱宽资料，根据各类中小尺度灾害性天气结构模型，分析处理后得到的各类灾害性天气自动识别产品。（可叠加在其他产品上）包括以下几部分：(1)阵风锋；下击暴流；(2)中尺度气旋；龙卷涡旋；(3)风暴；冰雹自动识别等；(4)风暴自动识别、跟踪、预报和预报检验。（1）阵风锋识别产品）阵风锋识别产品 对流风暴中的下沉气流到达低空在地面形成冷雷暴堆，并向四周流出，其中有相当大的一部分流向风暴前方。这种流出气流具有中层环境空气的水平动量，在低空可引发强风，其前缘就是阵风锋阵风锋。阵风锋是出现在强风暴周围的一种强风切变，常造成局地风害。在雷达探测的强度上表现为环绕强风暴回波的一条细长的弱回波带，称为“窄带回 波”（Thin lines)，径向速度场中表现为强风切变。阵风锋过境时通常无降水，提供了风暴前的晴空信息，其对电磁波的散射机制尚无确定，可能是湍流对电磁波的散射。阵风锋阵风锋阵风锋 阵锋风对于飞机着陆或起飞有危险，因为它能产生大的风切变，使飞机失去平衡而坠毁。阵风锋一般发生在高度3km以下的地层大气中，其长度一般大于10km，它带来的最大的风切变值应大于每公里3m/s，其传播速度一般为510m/s。阵风锋的特征和影响阵风锋的特征和影响 2003年4月17日济南出现气压涌升，气温骤降，风向陡转，风力陡增，降水强度达8mm/10min，从气象要素的变化来看，飑线天气前有阵风锋。强度图表现为狭窄的强回波带。阵风锋窄带回波阵风锋窄带回波（2）中尺度气旋自动识别（）中尺度气旋自动识别（M）当选定数据文件后，对速度产品进行资料预处理，再按照一定的算法自动探测是否有中尺度气旋产生。中气旋的识别中气旋的识别中气旋的识别中气旋的识别（3）龙卷涡旋自动识别（）龙卷涡旋自动识别（TVS）龙卷涡旋一般在较强中尺度气旋中产生，尺度较中尺度气旋小(几百米1公里)，破坏力极大，具有较大风速和较大方位切变。对于龙卷涡旋，一般是在中尺度气旋存在的情况下来确定其是否会产生。对速度资料进行预处理，再按照一定的算法自动探测是否有龙卷涡旋产生。（4）暴雨自动识别）暴雨自动识别 先根据雷达资料求出雨强值，再根据雨强大小及分布面积来确定是否有暴雨，按照一定的算法自动探测是否有暴雨产生。风暴自动识别、跟踪产品（风暴自动识别、跟踪产品（STI）风暴跟踪信息产品（Storm tracking information)利用多普勒雷达体扫资料对风暴进行实时地自动识别、跟踪、结构分析和临近预报。风暴的识别基于某个连续区域的体积和雷达反射率大于给定的体积阈值和反射率阈值，用矩心跟踪法匹配相邻两时刻的风暴，对风暴的合并与分裂进行了处理，根据风暴在过去各个时刻的中心位置和体积，利用最小二乘法进行线外推来预报其在下一时刻的位置和面积。能较好地识别、跟踪和警戒对流性天气。（5）冰雹自动识别）冰雹自动识别冰雹指数(Hail Index)产品是对每个被SCIT（美国WSR 88D）冰雹探测算法所识别的风暴，提供其风暴结构是否有助于冰雹形成的指标，所以它和风暴结构产品同步产生或更新。当风暴发展非常强烈时，就可能降雹。因此此方法是在风暴识别和风暴结构的基础上来探测冰雹的。若软件跟踪到冰雹，将在屏幕上相应位置显示冰雹的位置，形状，并用不同的颜色显示跟踪两个相邻时刻的风暴，显示风暴体的位置，形状，给出冰雹的相关参数（如：冰雹序号，X坐标，Y坐标，顶高，最大反射率，偏北距离，最大横向距离，倾斜方向，移动方向，中层最大反射率，悬挂距离，悬挂高度，概率指数，结论等）。课后习题1 物理量产品一般分为几类？分别包含哪些产品？2 强度物理量产品的回波顶高产品ET、垂直累积含水量VIL，以及CR产品有哪些应用，说明这些产品的局限性？3 径向速度物理量有哪些产品，其中VWP产品在哪些方面的应用？4 多普勒雷达的识别产品有哪些类型，分别有哪些应用？基本产品的解释和应用基本产品的解释和应用（1）评估环境条件和气象特性 在雷达所在地周围一些大气特征量的垂直密度的不连续性将显示为环状或部分环状回波，比如逆温层以及水汽含量随高度急剧下降的层次。基本产品的释用基本产品的释用（2）识别云层和降水特征 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确定强降雪区，确定槽线、锋面和其它系统边界的位置。基本产品是确定系统边界位置的非常有用的工具。使用基本反射率因可以确定窄带回波，使用基本速度可以确定沿系统边界的辐合区。基本产品的解释和应用基本产品的解释和应用（3）零度层的定位及确认）零度层的定位及确认等高度的零度层在反射率产品中显现为较高反射率构成的环形或部分环形。如果融化层的高度随着其与雷达的距离而变化，该环将表现为非对称及/或融化层将表现为一个弧型或不规则带状。这种雷达特征将与较的谱宽值相对应。基本产品的解释和应用基本产品的解释和应用（4）确定重要的风暴结构特征 应用弱回波区（WER），有界弱回波区域（BWER），钩状回波，后部入流急流或弱回波通道，微下击暴流来鉴别风暴的一些结构特征。而基本速度产品可以显示出雷暴中的旋转。基本产品的解释和应用基本产品的解释和应用（5）判别非气象现象 众多的非气象现象可以在雷达中探测到，比如鸟，蝙蝠以及昆虫的飞行方式可以被看到。雷达可以被用来追踪火灾区域以及确定可能发生森林火灾的区域。更进一步，雷达将被用来确定火山灰位置，飞机甚至高速公路的车速，作为一个使用者，你必须常常意识到探测到的潜在的非气象现象，保持警觉并经常利用所有可能的信息去综合判断所观察到的现象。基本产品的解释和应用基本产品的解释和应用（6）确定可能的湍流和切变区域 切变和湍流是十分重要的气象特征，一个强切变区的例子是与风暴顶辐散相关的位于雷暴顶部附近的强切变区。基本速度产品对于确定风暴顶正在发生辐散的区域时是非常有用的。基本速度产品的速度大小和方向的急剧变化有助于确定可能引起空难的垂直切变区域。