新一代多普勒天气雷达产品教材.docx
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新一代多普勒天气雷达产品教材
新一代多普勒天气雷达产品
及其在短时天气预报中的应用
杨引明
上海中心气象台
二零零二.二
目录
第一讲：
新一代多普勒雷达基本构成及雷达产品生成数据流简介……………………..（4）
1．1基本构成…………………………….………….……………………………………（4）
1．2数据采集子系统（RDA）…………….…….…………………………………….（5）
1．3产品生成子系统（RPG）………………………………………………………....（7）
1．4主用户处理子系统（PUP）………………….……………………………………..（8）
第二讲：
雷达基本产品的生成、调阅和应用…………………..………………………..（9）
2．1基本反射率因子（R）……………………………………………………………（10）
2．2平均径向速度（V）……………………………………………………………….（12）
2．3速度谱宽（W）…………………………………………………………………....（14）
第三讲：
由基本反射率因子导出产品的生成、调阅和应用………………………….…（16）
3．1组合反射率因子（CR）…………………………………………………………..（18）
3．2组合反射率因子廓线（CRC）……………………………………………………（20）
3．3反射率因子剖面（RCS）………………………………………………………….（22）
3．4分层组合反射率因子平均值（LRA）……………………………………………（24）
3．5分层组合反射率因子最大值（LRM）…………………………………………...（26）
3．6弱回波区（WER）…………………………………………………………………（28）
3．7风暴跟踪信息（STI）……………………………………………………………..（30）
3．8风暴结构（SS）……………………………………………………………………（34）
3．9冰雹指数（HI）……………………………………………………………………（36）
3．10回波顶高（ET）………………………………………………………………….（40）
3．11回波顶高廓线（ETC）………………………………………………………..…（42）
3．12垂直积分液态含水量（VIL）……………………………………………….…（44）
3．13强天气概率（SWP）……………………………………………………………..（46）
3．14一小时降水量（OHP）………………………………………………………….（48）
3．15三小时降水量（THP）…………………………………………………………..（50）
3．16风暴总降水量（STP）……………………………………………………………（52）
3．17用户可选降水量（USP）………………………………………………………….（54）
3．18补充降水资料（SPD）…………………………………………………………….（56）
3．19一小时数字降水阵列（DPA）……………………………………………………（58）.
第四讲：
由基本速度资料导出产品的生成、调阅和应用………………………………..（59）
4．1风暴相对平均径向速度图（SRM）………………………………………………（60）
4．2风暴相对平均径向速度区（SRR）……………………………………………….（62）
4．3平均径向速度场剖面（VCS）…………………………………………………….（64）
4．4速度方位显示（VAD）………………………………………………………….…（66）
4．5速度方位显示风廓线（VWP）……………………………………………………（68）
4．6中尺度气旋（M）…………………………………………………………………（70）
4．7龙卷涡旋标志（TVS）…………………………………………………………….（74）
4．8组合切变（CS）……………………………………………………………………（78）
4．9组合切变等值线（CSC）……………….…………………………………………..（80）
第五讲：
由谱宽资料导出产品其它产品的生成、调阅和应用………………………..（82）
5．1谱宽剖面（SCS）…………………………………………………………………..（83）
5．2分层组合湍流平均值（LTA）…………………………………………………….（85）
5．3分层组合湍流最大值（LTM）…………………………………………………….（87）
5．4组合矩（CM）……………………………………………………………………..（89）
5．5强天气分析（SWA）………………………………………………………………（91）
第六讲：
新一代多普勒雷达产品在局地暴雨预测和监测中的应用……………..……（96）
（6．1）、暴雨形成的条件..……………………………………………………………（96）
（6．2）．形成暴雨常见的对流回波系统………………………………………………（96）
（6．3）．WSR-88D多普勒天气雷达降水探测算法及评估………………………………（97）
（6．4）．基于WSR-88D多普勒天气雷达的暴雨监测……………………………..…（100）
（6．5）．个例分析…………………………………………………………………..…（102）
第七讲：
新一代多普勒雷达产品在冰雹预测和监测中的应用……………..…………（106）
（7．1）．利用新一代多普勒雷达产品冰雹监测流程………………………………….（106）
（7．2）．强冰雹概率指数
……………………………………………………..…（106）
第八讲：
新一代多普勒雷达产品在龙卷风预测和监测中的应用………………….…（108）
（8．1）．龙卷风的定义、强度等级和分类……………………………….……………（108）
（8．2）．龙卷风产生多普勒天气雷达资料特征…………………………………….…（108）
（8．3）．WSR-88D多普勒天气雷达的龙卷风探测方法………………………………..（110）
（8．4）．龙卷风的监测和预警流程…………………………………………………….（113）
（8．5）．个例分析……………………………………………………………………….（116）
一.新一代多普勒雷达基本构成及雷达产品生成数据流简介
与常规天气雷达不同，WSR—88D多普勒天气雷达是全相干脉冲多普勒天气雷达，它包含三个微机控制的工作单元，每个单元又由若干次级单元组成，为了准确、合理的操作该雷达，并最有效的使用WSR—88D多普勒天气雷达产品，对这三个工作单元、它们的次级单元、以及相互间的数据信号流有一个简要的了解是必要的。
1．1基本构成
WSR—88D多普勒天气雷达由数据采集单元（RDA），雷达产品生成单元（RPG）、主用户处理单元（PUP）三部分构成。
其中RDA产生和发射电磁脉冲，并将接收到的脉冲信号转换成数据化雷达资料，RPG通过宽带通信从RDA获取数据化雷达资料，通过一系列水文气象算法生成雷达产品；PUP通过窄带通信从RPG获得气象产品，进行显示存档，这里也是预报员的业务工作平台。
整个WSR—88D系统结构框图如下：
图1.1WSR-88D结构框图
1．2雷达数据采集单元
数据采集单元由天线、发射机、接收机、信号处理器、系统监控及通信等部分组成，该单元产生和发射电磁脉冲，并将接收到的脉冲信号处理生成数字化基本资料，在RPA单元还完成第一级和第二级资料存档任务（ARCHIVELEVELI，ARCHIVELEVELII）。
一、发射机（Transmitter）
WSR—88D多普勒天气雷达通过速调管放大器（KlystronAmplifier）产生一个相当稳定的高功率（750KWpeak）10厘米波长射频脉冲，然后通过天线收发转换开关送到天线处向外辐射。
为了保证多普勒资料能够精确的从返回信号中提取，对所发射脉冲信号的稳定度要求很高。
二、天线（Antenna）
雷达发射机产生的电磁脉冲（RF）通过天线发射到大气中，并接收电磁脉冲遇到云雨目标物后返回的能量，WSR—88D多普勒天气雷达天线扫描的仰角可从-1度到60度，主要取决于扫描策略（ScanStrategy）、体积覆盖模式（VCP），操作模式（OperationalMode）三个要素。
1．扫描策略（ScanStrategy）
扫描策略决定一个体扫描包含多少个仰角，以及完成一次体扫描所需的时间，WSR—88D中有三个扫描策略：
ScanStrategy1：
一个体扫描包含14个仰角，用时5分钟。
ScanStrategy2：
一个体扫描包含9个仰角，用时6分钟。
ScanStrategy3：
一个体扫描包含5个仰角，用时10分钟。
2．体积覆盖模式：
（VolumeCoveragePattern）
扫描策略决定了一个体扫描中包含多少个仰角，而体积覆盖模式指定具体的仰角值（如0.5、1.5度等），WSR—88D可包含20个不同的VCP，但目前定义的仅为四个：
VCP11：
扫描策略1版本1：
指定在5分钟完成的体扫中14个不同仰角（0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、5.3、6.2、7.5、8.7、10.0、12.0、14.0、16.7、19.5）
VCP21：
扫描策略2版本1：
指定在6分钟完成的体扫中9个不同仰角（0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、6.0、9.9、14.6、19.5）
VCP31：
扫描策略3版本1：
指定在10分钟完成的5仰角的体扫描中每个仰角（0.5、1.5、2.5、3.5、4.5），应用于长雷达脉冲。
VCP32：
扫描策略3版本2：
指定在10分钟完成的5仰角的体扫描中每个仰角（0.5、1.5、2.5、3.5、4.5），应用于短雷达脉冲。
3．操作模式（OperationalMode），WSR—88D有两个操作模式，降水模式（ModeA）和晴空模式（ModeB）。
操作模式决定使用哪一种体积覆盖模式和扫描策略：
ModeA：
降水模式，使用VCP11或VCP21，相应的体扫描策略为ScanStrategy1（14层/5分钟）或ScanStrategy2（9层/6分钟）。
ModeB：
晴空模式，使用VCP31或VCP32，相应的体扫描策略为ScanStrategy3（5层/10分钟）。
三、接收机（Receiver）
当天线接收到从云雨目标物返回的后向发射能量后，将信号传递到接收机，由于与发射的信号相比，接收到的信号是一个非常小的量，所以当接收信号被送到信号处理器之前，必须被放大。
四、信号处理器（SignalProcessor）
信号处理器从接收机获得模拟信号后，完成三个重要任务，地物杂波抑制，模数转换和多普勒资料距离退折叠。
1．地物杂波抑制
气象回波和地物回波的主要区别是地物杂波很少或几乎没有运动，而气象目标物返回的信号有明显的运动，WSR—88D就利用这个运动作为去除地物杂波的决定因子。
2．模数转换
来自于接收机的模拟信号在信号处理器中被处理成三种基本类型的数字信号：
基本反射率因子，基本平均径向速度和基本谱宽。
3．距离退折叠
在基本速度和谱宽资料中由于不同气象目标物传输路径差异会引起距离折叠，WSR—88D通过与基本反射率因子资料对比对以上两种资料进行距离退折叠。
五．I、II级数据记录存档（ARCHIVELEVELI、II）
在RDA中包含最初的两级数据记录存档。
1．存档I（ARCHIVELEVELI）
这一级存档设有存储设备和介质，在信号处理器中自动完成，搜集来自于接收机的模拟信号。
2．存档Ⅱ（ARCHIVELEVELII）
WSR—88D存档Ⅱ收集的资料为信号处理器产生的高分辨率数字基本资料，包括反射率因子、平均径向速度和谱宽，这些资料未经水文气象算法处理，目前存储的介质为每盒4.77GB的8毫米磁带。
六、宽带通信（WideCommunication）
宽带通信提供了RDA和RPG之间一个高速的双向资料传送连接，依据RDA和RPG之间的距离以及当地情况，宽带通信连接可采用直接电缆连接，光纤、微波通信（MLOS）和TI方式。
上海WSR—88D采用的是直接的电缆连接。
1．3雷达产品生成单元
雷达产品生成单元（RPG）是一个多任务的单元，经宽带通信从RDA采集原始基本资料，通过各种水文气象算法处理和生成三十多类70多种气象产品，经窄带通信发送到用户。
RPG还是整个雷达系统的控制中心，这里还提供第三级数据记录存档（ARCHIVELEVELIII）
图1.2WSR—88D气象产品数据流
1．4主用户处理单元（PUP）
主用户处理单元（PUP）是收集、处理和存贮从RPG获得的气象产品的软硬件的总称，由主用户处理器和交互式用户工作站两部分组成。
其中PUP交互式用户工作站由两个高分辨图形监视器，图像板，应用终端和彩色打印机组成，是预报人员显示和操作WSR—88D产品的工作平台；主用户处理器连接一个系统终端，为操作者提供PUP软件安装、运行监控等功能。
为了方便操作人员异地了解雷达工作状况，在主用户处理单元还配有远程单元控制面板（远程UCP）。
此外，PUP还提供第四级数据记录存档（ARCHIVE LEVELIV）。
一、PUP主要功能
气象产品的采集，操作人员通过在PUP上设置常规产品集（RPS）或通过一次性请求从RPG上采集气象产品或信息，也可通过设置警报区域和警报阈值自动从RPG采集警报配对产品。
气象产品的处理和显示，包括气象产品的显示、放大、动画、产品叠加、地理信息的叠加以及强天气的自动报警功能等。
二、远程雷达控制
为了方便操作人员在PUP工作单元了解整个雷达系统的工作状态，实施RPG远程关闭、启动操作、以及进行一些异地RDA、RPG故障的诊断、排除等，在PUP单元配置远程单元控制面板，远程UCP通过9.6KBPSDDN专线与RPG相连，其功能与本地UCP完全相同，但RPG本地UCP和远程UCP只能选择其中一个工作。
三、第四级数据记录存档（（ARCHIVE LEVELIV）
第四级存档记录媒质与第三级存档完全相同（654MWORM光盘），可以存储任何WSR—88D多普勒天气雷达产品和信息。
二.雷达基本产品的生成、调阅和应用
WSR—88D产品生成器根据用户要求生成的基本产品有：
基本反射率因子产品6种，平均径向速度产品6种，速度谱宽产品3种，共计3类15种气象产品，如下表：
产品
产品号
空间分辨率（海里*度）
资料等级
最大探测距离
（海里）
产品范围
海里
（半径）
海里*海里
基本
反射
率因
子（R）
16
17
18
19
20
21
0.54*1
1.1*1
2.2*1
0.54*1
1.1*1
2.2*1
8
8
8
16
16
16
124
248
248
124
248
248
124
248
248
124
248
248
——
——
——
——
——
——
平均
径向
速度
（V）
22
23
24
25
26
27
0.13*1
0.27*1
0.54*1
0.13*1
0.27*1
0.54*1
8
8
8
16
16
16
32
62
124
32
62
124
32
62
124
32
62
124
——
——
——
——
——
——
谱宽
（W）
28
29
30
0.13*1
0.27*1
0.54*1
8
8
8
32
62
124
32
62
124
——
——
——
表2.1WSR—88D基本数据产品
这些基本产品比其它导出产品更直观的反映锋面，暴雨等天气尺度和中尺度气象特征，是预报员进行天气分析过程中最常用的产品。
每个产品可显示当前体积扫描覆盖模式所定义的所有仰角资料（如VCP11可显示14个仰角的基本资料）。
考虑到以上每类基本产品中的各个基本产品只是空间分辨率和资料等级的不同，书中对各类产品只介绍其中的一种产品（产品号分别为19.26.30）
2.1基本反射率因子产品（R）
（图2.1基本反射率因子产品图上海）
产品介绍
上图为2000年8月31日00时39分0.5度仰角的基本反射率因子产品图，空间辨率为0.54海里*1度，探测范围124海里，资料等级16层（5~75dBZ），雷达工作在降水模式VCP21，产品代码19R，从图中可见0014号台风（派比安）在上海登陆前台风眼区和外围螺旋雨带。
图象右边的信息栏显示了产品生成时间、分辨率、产品代码等有关图像的一些信息。
生成原理
该产品是4个连续0.13nm距离库上雷达后向散射功率平均而成，这个平均功率在RDA被转换成dBZ，并形成基本资料，然后径宽带通信送到RPG，图像上每个像素点代表了0.54海里×1度波束体积内云雨目标物的后向散射能量。
可调参数
1、每个产品可选择不同的显示仰角：
VCP11：
0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、5.3、6.2、7.5、8.7、10.0、12.0、14.0、
16.7、19.5
VCP21：
0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、6.0、9.9、14.6、19.5
VCP31或VCP32：
0.5、1.5、2.5、3.5、4.5
产品应用
1探测降水强度、移动及发展趋势。
2识别显著的强风暴结构特征，如弱回波区，回波墙，钩状回波，后向入流等。
3识别锋面、飑线等天气学特征。
4晴空模式下基本反射率因子产品可以探测诸如飞鸟、昆虫、森林火灾等非降水特征。
产品不足
1.资料等级不可修改，晴空模式下最高可显示资料强度为28dBZ大小。
2.地物回波和超折射回波干扰，抬高仰角一般可区分此类回波
3.旁瓣假回波，发生在高仰角近距离处，一般仰角超过19.5度，该产品不再适用。
4.产品分辨率随着离雷达站距离的增加而下降。
产品调阅
目的：
在PUP显示屏上显示最新1.5仰角的19R产品。
操作步骤：
在图像板产品区选择BASEREF
在图像板参数区选择16LEVEL
在图像板参数区选择0.54NM
在图像板参数区选择LOWESTELEVATION
在图像板参数区选择ELEVATIONUP
（以上四步也可通过图像板上数字键盘完成选择）
在图像板参数区选择DEDASSOCRPG
在图像板参数区选择SEDRPGREQ
在图像板显示区选择CLEARSCREENQUAD（或FULLSCREEN）
查看所申请的产品是否显示在屏幕上，否则有错误信息提示
2.2平均径向速度产品（V）
（图2.2平均径向速度产品图上海）
产品介绍
上图为2000年5月26日00时36分2.4度仰角平均径向速度图，空间辨率为0.27海里*1度，探测范围62海里，资料等级16层（-64海里/小时~64海里/小时），雷达工作在降水模式VCP21，产品代码26V，图中正速度（暖色调）表示离开雷达，负速度（冷色调）表示朝向雷达。
从图中可见“S”型零速度线及两侧的正负速度区,当天为比较一致的西南气流。
生成原理
多普勒雷达采样由于云雨降水粒子相对于雷达的运动而产生多普勒频移，以多普勒效应（
）为基本原理，计算得到每个0.13海里×1度体积内降水目标物的平均径向速度。
然后取两个连续0.13距离库上第一个值而成，代表了0.27海里×1度体积内大气云雨目标物相对雷达的运动。
可调参数
1、每个产品可选择不同的显示仰角。
如下：
VCP11：
0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、5.3、6.2、7.5、8.7、10.0、12.0、14.0、
16.7、19.5
VCP21：
0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、6.0、9.9、14.6、19.5
VCP31或VCP32：
0.5、1.5、2.5、3.5、4.5
2、资料等级：
在用户控制单元（UCP）上健入SE，（PASSWORD），VEL命令，用户可以根据需要任意修改速度产品的资料等级。
产品应用
1．探测地面相对风场，直接服务于警报、研究和预报。
2．探测大气结构。
可根据风向风速随高度的变化监测各层冷暖平流及中低空急流。
3．探测风暴结构。
根据平均径向速度图，可识别风场气旋、反气旋，风暴顶或近地面层的散度等。
4．制作、调整、更新由探空资料所得的速度矢端曲线。
5．降水边界识别，在降水边界区平均径向速度资料表现为辐合区，而在基本反射率因子场上表现为一个小于5dBZ的弱回波区，无法识别。
产品不足
1．距离折叠。
当用户关心的区域发生距离折叠，可通过在远程UCP上调整脉冲重复频率（PRF）得到改善。
2．速度模糊。
通过在远程UCP提高脉冲重复频率（PRF），可提高最大不模糊速度。
另外在远程UCP上及时更新环境风场向量表也是十分重要的。
3．资料等级不够。
当选用8层资料等级调整到较大速度时，较小的速度不可表示。
产品调阅
目的：
在PUP显示屏上显示最新0.5仰角的26V产品。
操作步骤：
在图像板产品区选择BASEVEL
在图像板参数区选择16LEVEL
在图像板参数区选择0.27NM
在图像板参数区选择LOWESTELEVATION
（以上三步也可通过图像板上数字键盘完成选择）
在图像板参数区选择DEDASSOCRPG
在图像板参数区选择SEDRPGREQ
在图像板显示区选择CLEARSCREENQUAD（或FULLSCREEN）
查看所申请的产品是否显示在屏幕上，否则有错误信息提示
2.3基本谱宽产品（SW）
（图2.3基本谱宽产品图上海）
产品介绍
上图为2000年8月30日23时41分0.5度仰角的基本谱宽产品图，空间辨率为0.54海里*1度，探测范围124海里，资料等级8层（0海里/小时~20海里/小时），雷达工作在降水模式VCP21，产品代码30SW。
从图中可见0014号台风（派比安）在上海登陆前台风眼区和外围螺旋雨带，高谱宽区位于雷达站北侧的螺旋雨带上,这与图2.1中强回波的分布是一致的.
生成原理
基本谱宽表达了样本体积内云雨目标物的速度偏差大小。
湍流、风切变、不均匀的下落速度和其它非气象因子均可导致高谱宽值，而典型的层状云降水其谱宽值平均小于7海里/小时。
该产品也取两个连续0.13海里距离库上第一个谱宽值而成，代表了0.27海里×1度体积内云雨目标物的速度偏差。
可调参数
1、每个产品可选择不同的显示仰角。
如下：
VCP11：
0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、5.3、6.
升级会员 