三、5新一代雷達的物理量產品

ζ16.2大氣科學學院白愛娟雷達產品分類雷達產品基本數據產品物理量產品反演識別產品雷達基本數據產品基本產品：根據從RDA接收到的數字化基數據，直接形成的不同分辨率和數據顯示級別的多普勒數據產品。產品分類：（1）反射率因子（R）（2）平均徑向速度（V）（3）譜寬產品（W）基本譜寬產品的應用1）速度評估：利用譜寬數據可以評估平均徑向速度產品的可靠性。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。預報員需要研究其它基本產品才能確定速度資料是否正確。2）系統邊界的識別：與基本速度產品的方式一樣，基本譜寬產品可以顯示回波功率低于5dBz的譜寬數據，這對于降水模式的基本反射率產品而言是下限閾值，因此基本譜寬產品中具有較低反射率回波的區域就可以用來幫助識別系統邊界。一般基本譜寬所使用的顏色標尺往往用來突出與系統邊界有關的湍流區域。導出產品一、雷達產品的物理量產品物理量產品：由雷達以各種探測方式獲取的R、徑向速度V和W，經過一定的計算和客觀處理，轉化為氣象上常用的有明顯意義的物理量，進而把這些物理量的分布顯示成圖象。因此物理量產品是經RPG中氣象算法處理后得到的。應用：有助于使用者直接把雷達產品和某些天氣現象聯系起來，進行分析和應用。物理量產品的分類

（1）強度物理量產品（2）速度物理量產品（3）譜寬物理量產品強度物理量產品：1）回波頂高ET；2）垂直累積含水量VIL；3）時段雨量累積OHP、THP；4）風暴總降水量STP。1、強度物理量產品（1）回波頂高（ET：EchoTop）對流的強弱一般和回波伸展高度有關，ET產品可用來分析估計探測范圍內不同地區的對流發展與否，以及相對強弱情況。獲取：應用體掃的三維數據，選擇回波閾值，根據測高公式，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、強度閾值一般與探測地點，季節和云的類別密切相關，可根據當地的氣象條件和需要擇定。調整強度閾值可以校正真實回波頂高。一般而言，估計云頂高度閾值：5dBz，降水層頂：18dBz，強回波頂：30dBz。

2、在雷達附近，大于最大探測仰角的回波空白區，探測不到回波頂高，而且雷達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。探測強回波頂高時，則用30dBZ作為強度閾值，垂直柱體的底面為1×1km，2×2km和4×4km。ET（EchoTop)通常把強度≥18.3dBz回波所在高度定義為回波頂高。產品不足：1．產品網格點間常出現環形階梯狀不連續現象。2．對于發展較高的強風暴較難探測到回波頂高。3．雷達旁瓣回波，可能導致過高估計回波頂高。4．距雷達近距離處，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系回波頂高與降水成正相關，降水較強時，回波頂伸展的高度也比較高，回波頂高度降低，則預示降水的減弱。CR產品是應用體積掃描獲取的回波強度數據，在以1km×1km（或2km×2km）為底面積，直到回波頂的垂直柱體中，對所有位于該柱體中的回波強度資料進行比較，挑選出最大的回波強度，從而得到最大回波強度的圖像。2、組合反射率產品CRCR產品的顯示CR特點：1．顯示整個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，有助于探測風暴結構特征和強度等。R和CR對比CR產品的優點

有助于快速查看最大回波強度的分布。對有些突發性的強對流天氣，其初始回波往往出現在中空，使用這種產品可以有效監測這類強對流天氣。在穩定性降水條件下，有助于識別零度層亮帶及其所在的高度。在冰雹區域，相應的中空可能存在強反射率因子區，所以CR產品可監測冰雹的發生發展。CR產品的使用

應注意：近距離處的地物回波干擾，以免把地物回波誤認為最大回波強度。遠距離處，由于最低仰角獲取的數據離地面有一定的高度，有可能探測不到真正的最大回波。此外業務工作限制，一般體積掃描的最高仰角不會很大，所以在雷達周圍不一定能探測到最大回波強度。雷達探測范圍示意圖（3）VIL(垂直累積含水量)VIL：假定所有反射率因子強度都是由液態水滴引起的，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含水總量，判斷強降水及降水潛力，以及強對流天氣造成的暴雨和冰雹等災害性天氣的有效工具。垂直累積含水量（VIL）獲得：根據一定的滴譜分布假設條件，理論上得到液態含水量R和雷達反射率因子Z之間的關系（簡稱Z-R關系）。在雷達體掃中應用Z-R的經驗導出關系可直接轉換成液態含水量分布；通過垂直積分獲得然后對液態含水量從地面垂直向上到云頂進行累積，即可得到液態含水量的分布。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

體積掃描時不可能把仰角抬得很高，在靜錐區內探測不到回波頂，使VIL值估計過低。較遠距離處，最低仰角的底層高度已經較高，與回波頂高度之間的厚度小于近距離處的厚度，導致VIL值過低。③對于強烈傾斜的對流降水云；或快速移動的降水云，由于雷達探測低仰角和高仰角的時間差，都可能使降水云伸展到其它相鄰的柱體中，VIL值低于垂直或移動較慢的VIL值。(4)探測非對流云降水云體時存在零度層亮帶，VIL值將存在明顯誤差。注意：Z－R關系式是經驗公式，實際降水云中雨滴的易變性將導致VIL值產生誤差。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進行統計分析比較，得到對本地有實際意義的判別指標。VIL的應用判別強對流造成的暴雨、大風和冰雹等災害性天氣。1確定大多數顯著的風暴單體位置。2識別較大的冰雹單體：由于冰雹單體并非由液態水構成，導致很強的VIL。研究表明，當某地的VIL值增加到很大，爾后開始減小時，表明即將降雹。3識別超級單體風暴：較強的VIL。4識別強風災害天氣：強風開始時，VIL迅速減小。VIL中心與降水中心密切相關，VIL值越大，回波頂越高，強回波伸展的高度越高，空中液態水含量也越多，則在未來降水的潛力越大，形成強對流天氣的可能性也就越大。（4）時段雨量累積（OHP/THP）該產品在雨強產品的基礎上，計算雷達探測范圍內任意時段的雨量分布，并顯示該時段內整個探測區域和某指定區域內的降水總量（單位：mm，表示降水區域面積上平均降水的厚度）。1小時累積降水（OHP）OHP產品以雨強產品中的雨強值作為本產品的原始數據，計算某一點24小時以內任一小時的累積。

OHP（一小時累積降水）

5、THP（3小時累積降水）THP是跟當前時間最近的一個整點為止的3個小時累積，每個整點更新一次。6、STP（風暴總降水量）時段累積降水量注意：由于雷達估測雨量與地面雨量的時空不一致性，不適當的Z-R關系，電磁波的非正常傳播，天線罩沿水引起的衰減等，都會引起雷達時段累積雨量的誤差。可以用地面雨量測量校正相應雷達估測值是十分必要的，且是業務上可行的方法。STP（風暴總累積降水）

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

與一般天氣圖中的風廓線圖表示形式相同，有較高實用價值，用來識別平均風的高度切變，及其隨時間的變化。（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品，反映了流場中的不均勻性。該產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象，如陣風鋒、低空切變線、中尺度旋轉運動等低空風切變的現象。合成切變（CR）三、多普勒雷達的識別產品定義：指由雷達獲取的回波強度、徑向速度和譜寬資料，根據各類中小尺度災害性天氣結構模型，分析處理后得到的各類災害性天氣自動識別產品。（可疊加在其他產品上）包括以下幾部分：(1)陣風鋒；下擊暴流；(2)中尺度氣旋；龍卷渦旋；(3)風暴；冰雹自動識別等；(4)風暴自動識別、跟蹤、預報和預報檢驗。（1）陣風鋒識別產品

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

陣鋒風對于飛機著陸或起飛有危險，因為它能產生大的風切變，使飛機失去平衡而墜毀。陣風鋒一般發生在高度3km以下的地層大氣中，其長度一般大于10km，它帶來的最大的風切變值應大于每公里3m/s，其傳播速度一般為5－10m/s。陣風鋒的特征和影響2003年4月17日濟南出現氣壓涌升，氣溫驟降，風向陡轉，風力陡增，降水強度達8mm/10min，從氣象要素的變化來看，颮線天氣前有陣風鋒。強度圖表現為狹窄的強回波帶。陣風鋒窄帶回波（2）下擊暴流識別

下擊暴流是與強對流天氣伴隨產生的，尺度小（0.4-4km），突然陣性爆發，向下沖擊觸及地面物體，破壞性極大。盡管維持時間不長(5－10min)，但風力強，能夠嚴重地影響地面物體和低空飛行物，近年來受到人們的注意。下擊暴流識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、強度等。（2）中尺度氣旋自動識別（M）

當選定數據文件后，對速度產品進行資料預處理，再按照一定的算法自動探測是否有中尺度氣旋產生。中氣旋的識別中氣旋的識別（3）龍卷渦旋自動識別（TVS）

龍卷渦旋一般在較強中尺度氣旋中產生，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生。對速度資料進行預處理，再按照一定的算法自動探測是否有龍卷渦旋產生。（4）暴雨自動識別

先根據雷達資料求出雨強值，再根據雨強大小及分布面積來確定是否有暴雨，按照一定的算法自動探測是否有暴雨產生。風暴自動識別、跟蹤產品（STI）

風暴跟蹤信息產品（Stormtrackinginformation)利用多普勒雷達體掃資料對風暴進行實時地自動識別、跟蹤、結構分析和臨近預報。風暴的識別基于某個連續區域的體積和雷達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刻的風暴，對風暴的合并與分裂進行了處理，根據風暴在過去各個時刻的中心位置和體積，利用最小二乘法進行線外推來預報其在下一時刻的位置和面積。能較好地識別、跟蹤和警戒對流性天氣。（5）冰雹自動識別冰雹指數(HailIndex)產品是對每個被SCIT（美國WSR88D）冰雹探測算法所識別的風暴，提供其風暴結構是否有助于冰雹形成的指標，所以它和風暴結構產品同步產生或更新。當風暴發展非常強烈時，就可能降雹。因此此方法是在風暴識別和風暴結構的基礎上來探測冰雹的。

若軟件跟蹤到冰雹，將在屏幕上相應位置顯示冰雹的位置，形狀，并用不同的顏色顯示跟蹤兩個相鄰時刻的風暴，顯示風暴體的位置，形狀，給出冰雹的相關參數（如：冰雹序號，X坐標，Y坐標，頂高，最大反射率，偏北距離，最大橫向距離，傾斜方向，移動方向，中層最大反射率，懸掛距離，懸掛高度，概率指數，結論等）。課后習題1物理量產品一般分為幾類？分別包含哪些產品？2強度物理量產品的回波頂高產品ET、垂直累積含水量VIL，以及CR產品有哪些應用，說明這些產品的局限性？3徑向速度物理量有哪些產品，其中VWP產品在哪些方面的應用？4多普勒雷達的識別產品有哪些類型，分別有哪些應用？基本產品的解釋和應用（1）評估環境條件和氣象特性在雷達所在地周圍一些大氣特征量的垂直密度的不連續性將顯示為環狀或部分環狀回波，比如逆溫層以及水汽含量隨高度急劇下降的層次。基本產品的釋用（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降雪區，確定槽線、鋒面和其它系統邊界的位置。基本產品是確定系統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邊界的輻合區。基本產品的解釋和應用

（3）零度層的定位及確認等高度的零度層在反射率產品中顯現為較高反射率構成的環形或部分環形。如果融化層的高度隨著其與雷達的距離而變化，該環將表現為非對稱及/或融化層將表現為一個弧型或不規則帶狀。這種雷達特征將與較的譜寬值相對應。基本產品的解釋和應用（4）確定重要的風暴結構特征應用弱回波區（WER），有界弱回波區域（BWER），鉤狀回波，后部入流急流或弱回波通道，微下擊暴流來鑒別風暴的一些結構特征。而基本速度產品可以顯示出雷暴中的旋轉。基本產品的解釋和應用（5）判別非氣象現象眾多的非氣象現象可以在雷達中探測到，比如鳥，蝙蝠以及昆蟲的飛行方式可以被看到。雷達可以被用來追蹤火災區域以及確定可能發生森林火災的區域。更進一步，雷達將被用來確定火山灰位置，飛機甚至高速公路的車速，作為一個使用者，你必須常常意識到探測到的潛在的非氣象現象，保持警覺并經常利用所有可能的信息去綜合判斷所觀察到的現象。基本產品的解釋和應用（6）確定可能的湍流和切變區域切變和湍流是十分重要的氣象特征，一個強切變區的例子是與風暴頂輻散相關的位于雷暴頂部附近的強切變區。基本速度產品對于確定風暴頂正在發生輻散的區域時是非常有用的。基本速度產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域。（1）反射率因子的應用降水性質判斷，回波形態；回波分布特征分析，主要分析回波的分布特征及移動特征。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