多普勒雷達(dá)中氣旋判據(jù)及算法的發(fā)展與應(yīng)用

費(fèi)海燕 周小剛 王秀明

（中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

多普勒雷達(dá)中氣旋判據(jù)及算法的發(fā)展與應(yīng)用

費(fèi)海燕 周小剛 王秀明

（中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

由于超過90%的中氣旋伴隨著龍卷、強(qiáng)雹、大風(fēng)等強(qiáng)天氣發(fā)生，因此中氣旋的識(shí)別與應(yīng)用對(duì)于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)發(fā)布強(qiáng)天氣預(yù)警具有十分重要的意義。目前我國(guó)僅CINRAD WSR—98D SA/SB多普勒雷達(dá)內(nèi)置了美國(guó)強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的中氣旋算法，并有相應(yīng)的中氣旋產(chǎn)品，其他型號(hào)的多普勒雷達(dá)則只能從徑向速度圖上人工識(shí)別中氣旋?；仡櫫酥袣庑袚?jù)演變的三個(gè)階段，對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)上使用的第三階段的中氣旋判據(jù)存在的問題進(jìn)行了分析；依據(jù)中氣旋算法發(fā)展歷程，介紹了中氣旋切變算法、中氣旋算法及中氣旋探測(cè)算法，并對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)上使用的中氣旋算法得到的產(chǎn)品應(yīng)用及其存在問題作了討論。

中氣旋判據(jù)，中氣旋切變算法，中氣旋算法，中氣旋探測(cè)算法

0 引言

在20世紀(jì)中期，Brooks［1］就已認(rèn)識(shí)到在雷暴單體中可能存在尺度比龍卷要大的氣旋式渦旋。1963年，F(xiàn)ujita［2］將其正式命名為中氣旋（mesocyclone）。根據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)，90%以上的中氣旋會(huì)伴隨著龍卷、強(qiáng)雹、大風(fēng)等強(qiáng)天氣發(fā)生，因此中氣旋探測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)發(fā)布強(qiáng)天氣預(yù)警具有十分重要的意義。

在多普勒雷達(dá)應(yīng)用之前，由于缺乏對(duì)速度場(chǎng)的探測(cè)資料，中氣旋研究進(jìn)展緩慢。1971年，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室（NSSL）擁有了位于諾曼（Norman）的第一臺(tái)用于研究的S波段多普勒雷達(dá)。其后，依據(jù)Norman多普勒雷達(dá)所收集的數(shù)據(jù)集，NSSL對(duì)中氣旋的基本特征進(jìn)行了深入研究，先后提出了利用徑向速度對(duì)來識(shí)別中氣旋的判據(jù)及中氣旋客觀算法。

中氣旋的判據(jù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：使用徑向速度方位切變閾值和厚度閾值；使用與距雷達(dá)站距離有關(guān)的徑向速度方位切變閾值和厚度閾值；使用與距雷達(dá)站距離有關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度閾值和厚度閾值。目前，國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)中最常使用的中氣旋判據(jù)是使用與距雷達(dá)站距離有關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度和厚度閾值。

中氣旋客觀算法的發(fā)展也經(jīng)歷了三個(gè)階段：中氣旋切變算法（mesocyclone shear algorithm）、中氣旋算法（mesocyclone algorithm）、中氣旋探測(cè)算法（mesocyclone detection algorithm）。目前在全美布網(wǎng)的165部WSR-88D S波段雷達(dá)build 9.0版本中內(nèi)置的是中氣旋算法，預(yù)期下一階段將會(huì)更新為中氣旋探測(cè)算法。我國(guó)CINRAD WSR-98D SA/SB目前使用的也是中氣旋算法。

國(guó)內(nèi)在中氣旋判據(jù)和中氣旋算法得到的中氣旋產(chǎn)品的應(yīng)用上，業(yè)務(wù)人員也積累了一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。個(gè)例分析［3］表明，與非超級(jí)單體龍卷相比，導(dǎo)致強(qiáng)龍卷的中氣旋底高明顯偏低，基本在1km以下。臺(tái)風(fēng)前部龍卷個(gè)例研究［4］發(fā)現(xiàn)，中氣旋算法產(chǎn)品沒有報(bào)警，認(rèn)為中氣旋閾值應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)作調(diào)整。由中氣旋文本產(chǎn)品給出的最強(qiáng)切變值統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中氣旋最強(qiáng)切變達(dá)到15m·s-1·km-1以上極有可能出現(xiàn)25m·s-1以上的強(qiáng)風(fēng)或者龍卷天氣［5］。根據(jù)對(duì)中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度統(tǒng)計(jì)，64.3%以上的冰雹天氣的中氣旋達(dá)中等強(qiáng)度以上，50%以上的雷雨大風(fēng)天氣的中氣旋達(dá)中等強(qiáng)度以上，而強(qiáng)降水天氣達(dá)中等以上強(qiáng)度僅為36.4%［6］。

國(guó)內(nèi)多普勒雷達(dá)應(yīng)用研究起步較晚，且國(guó)內(nèi)大部分C波段多普勒雷達(dá)應(yīng)用軟件中無中氣旋算法，因此業(yè)務(wù)上由中氣旋判據(jù)和由中氣旋算法產(chǎn)品來識(shí)別中氣旋是并存的。

1 中氣旋判據(jù)發(fā)展的三個(gè)階段

由于多普勒雷達(dá)僅能探測(cè)到一維的徑向風(fēng)場(chǎng)，因此必須對(duì)中氣旋流場(chǎng)作一定假設(shè)，才能在徑向速度場(chǎng)上給予合理解釋。故通常假設(shè)中氣旋流場(chǎng)滿足Rankine渦旋條件，即：

式中，vt表示切向速度，Vt表示核半徑r=Rt時(shí)的最大切向速度。在核區(qū)內(nèi)（r≤Rt），切向速度隨半徑線性增加；在核區(qū)外，速度與半徑成反比。對(duì)氣旋式旋轉(zhuǎn)，Vt為正；對(duì)反氣旋式旋轉(zhuǎn)，Vt為負(fù)。

中氣旋為氣旋式旋轉(zhuǎn)。由于多普勒雷達(dá)平面掃描是以順時(shí)針方向進(jìn)行的（正北為0°方位角，順時(shí)針方位角增加到360°）。因此，在多普勒雷達(dá)平面掃描徑向速度場(chǎng)上，中氣旋就表示為同一距離圈上，相隔一定方位角距離（即直徑）的最大負(fù)速度與最大正速度（簡(jiǎn)稱最大正負(fù)速度對(duì)或徑向速度對(duì)）。傳統(tǒng)意義上，中氣旋可以定義為具有風(fēng)暴尺度（2～10km）的Rankine 渦旋特征的多普勒徑向速度對(duì)。徑向速度對(duì)的值越大或徑向速度對(duì)之間的距離越小，說明中氣旋的強(qiáng)度越強(qiáng)。

1.1 第一階段的中氣旋判據(jù)

從傳統(tǒng)意義上的中氣旋定義到中氣旋定量識(shí)別判據(jù)，主要是考慮到中氣旋為三維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，加入了對(duì)中氣旋厚度要求的限制。中氣旋識(shí)別判據(jù)的第一階段即是使用徑向速度方位切變值和厚度值作為中氣旋識(shí)別判據(jù)。

該判據(jù)是Donaldson［7］在1970年提出的。Donaldson［7］使用美國(guó)空軍5.4cm多普勒氣象雷達(dá)，分析了1968年春季美國(guó)Massachusetts東部地區(qū)一次伴隨大范圍強(qiáng)雹和龍卷過程的中氣旋演變，首次提出中氣旋定量識(shí)別判據(jù)閾值為：徑向速度方位切變值≥5×10-3s-1；其伸展厚度大于2Rt。1976年，Burgess［8］利用NSSL的Norman多普勒雷達(dá)在1971—1975年的每年春季收集到的37個(gè)Oklahoma中氣旋（62%伴有龍卷）進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)研究時(shí)，降低了Donaldson判據(jù)的厚度值要求，采用的中氣旋識(shí)別判據(jù)閾值為：徑向速度方位切變值≥5×10-3s-1；其伸展厚度大于3km。

1.2 第二階段的中氣旋判據(jù)

第二階段的中氣旋判據(jù)是使用與距雷達(dá)距離有關(guān)的徑向速度方位切變閾值和厚度閾值識(shí)別中氣旋。這是1977年NSSL研究人員在Norman多普勒雷達(dá)（注：Norman多普勒雷達(dá)徑向速度探測(cè)范圍為345km）進(jìn)行的春季聯(lián)合多普勒業(yè)務(wù)試驗(yàn)（Joint Doppler Operational Project，JDOP）中提出來的。主要是考慮到受雷達(dá)采樣方式的影響，距雷達(dá)越遠(yuǎn)分辨率越低，因此，采用的中氣旋識(shí)別判據(jù)閾值為：距雷達(dá)230km范圍內(nèi)，方位切變值≥5×10-3s-1，其伸展厚度大于3km；距雷達(dá)230km范圍外，切變值≥1×10-3s-1，無厚度要求［9］。此后，針對(duì)中氣旋的研究一直使用該識(shí)別判據(jù)。

1.3 第三階段的中氣旋判據(jù)

第三階段的中氣旋判據(jù)是使用與距雷達(dá)距離有關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度閾值和厚度閾值識(shí)別中氣旋。這是1987年NSSL研究人員在多普勒/閃電（Doppler/Lightning，DOPLIGHT）試驗(yàn)中首次提出來的，其使用旋轉(zhuǎn)速度（即Vt）代替方位切變值作為判據(jù)。中氣旋識(shí)別判據(jù)閾值為：距雷達(dá)150km范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)速度≥15m·s-1，其伸展厚度大于3km；距雷達(dá)150～230km范圍，旋轉(zhuǎn)速度≥11m·s-1，無厚度要求［10］。此后，美國(guó)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員開始使用旋轉(zhuǎn)速度作為定量識(shí)別中氣旋的重要參量。

1997年，Andra［11］根據(jù)美國(guó)俄克拉荷馬（Oklahoma）中部伴有強(qiáng)雹和龍卷的中氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出了距雷達(dá)不同距離圈上觀測(cè)到的旋轉(zhuǎn)速度和中氣旋強(qiáng)度的關(guān)系，將中氣旋判據(jù)進(jìn)行了細(xì)化，根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度和距雷達(dá)距離，將其分成了弱切變、弱中氣旋、中等強(qiáng)度中氣旋、強(qiáng)中氣旋四個(gè)區(qū)域（圖1）。

圖1 中氣旋強(qiáng)度閾值（改自Andra[11]）Fig. 1 Mesocyclone strength threshold

圖1 是目前我國(guó)業(yè)務(wù)中最常使用的中氣旋判據(jù)依據(jù)。對(duì)此圖的使用要注意以下幾點(diǎn)：1）圖1是根據(jù)美國(guó)Oklahoma中部伴有強(qiáng)雹和龍卷的中氣旋統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪出的，按照Burgess等［12］的統(tǒng)計(jì)結(jié)論，Oklahoma中部地區(qū)伴有強(qiáng)雹或龍卷的中氣旋成熟階段時(shí)的核半徑平均為2.75km，旋轉(zhuǎn)速度平均為23.3m·s-1。由圖1可知，該旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)為強(qiáng)中氣旋；而根據(jù)我國(guó)的統(tǒng)計(jì)［13］，中氣旋成熟階段時(shí)的平均核半徑為3.085km，平均旋轉(zhuǎn)速度為18.945m·s-1。由圖1可知，在距雷達(dá)150km范圍內(nèi)，僅對(duì)應(yīng)為中等強(qiáng)度中氣旋。因此在我國(guó)使用圖1時(shí)，要考慮到我國(guó)中氣旋的平均強(qiáng)度比Oklahoma中部地區(qū)伴有強(qiáng)雹或龍卷的中氣旋要弱的事實(shí)，適當(dāng)降低對(duì)旋轉(zhuǎn)速度值的要求；2）圖1是主觀估計(jì)中氣旋強(qiáng)度的工具，對(duì)無經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員，可以起指導(dǎo)作用。但要注意圖中中氣旋的特定直徑是6.5km，對(duì)直徑明顯小于或大于6.5km的中氣旋，該圖會(huì)過低或過高地估計(jì)了中氣旋的強(qiáng)度；3）根據(jù)NSSL中氣旋第三階段判據(jù)，中氣旋要有一定的垂直伸展厚度，而圖1僅考慮了旋轉(zhuǎn)速度，并沒有考慮厚度。由于單層中氣旋有可能是沒有意義的，因此，在雷達(dá)探測(cè)單仰角上旋轉(zhuǎn)速度滿足閾值后，還要確定一下所探測(cè)到的旋轉(zhuǎn)速度區(qū)是否滿足垂直伸展厚度大于3km的要求。

2 中氣旋客觀算法的發(fā)展

由第一節(jié)可知，Donaldson［7］首次提出了用單多普勒雷達(dá)識(shí)別中氣旋的判據(jù)，即徑向速度方位切變值≥5×10-3s-1，垂直伸展厚度等于或大于其直徑的2倍。其后，NSSL算法開發(fā)人員對(duì)Donaldson的判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)，并開發(fā)了中氣旋切變算法來自動(dòng)識(shí)別是否存在滿足閾值的中氣旋切變區(qū)域。目前我國(guó)CINRAD WSR-98D SA/SB使用的中氣旋算法是NSSL對(duì)中氣旋切變算法的改進(jìn)。因此，本節(jié)按照NSSL對(duì)中氣旋客觀算法改進(jìn)的過程，分別介紹中氣旋切變算法、中氣旋算法、中氣旋探測(cè)算法。

2.1 中氣旋切變算法

圖2為中氣旋切變算法流程圖，圖中一些術(shù)語定義如下：

1）類型矢徑（pattern vector）：指在常定距離圈上尋找到的速度增加的長(zhǎng)度。

2）角動(dòng)量：類型矢徑的速度差和方位角距離的乘積。

3）切變：類型矢徑的速度差除以方位角距離。

4）2D特征：一個(gè)類型矢徑與其他類型矢徑在方位角和距離圈距離小于閾值時(shí)，則可以組成一個(gè)2D特征。

5）對(duì)稱特征：2D特征切向和徑向長(zhǎng)度之比在閾值范圍內(nèi)，則認(rèn)為是對(duì)稱特征。

圖2 中氣旋切變算法流程圖（引自Zrnic等[14]）Fig. 2 Flow chart of mesocyclone shear algorithm

1985年，Zrnic等［14］依據(jù)1977年春季美國(guó)聯(lián)合多普勒業(yè)務(wù)項(xiàng)目（JDOP）觀測(cè)，利用位于Norman的多普勒雷達(dá)所觀測(cè)到的Oklahoma中部40個(gè)中氣旋例子（伴隨強(qiáng)雹和強(qiáng)龍卷天氣的中氣旋），給出了中氣旋切變算法中參數(shù)的閾值：如低切變?nèi)?m·s-1·km-1，高切變?nèi)?m·s-1·km-1，低角動(dòng)量取為50m·s-1·km-1，高角動(dòng)量取為150m·s-1·km-1。這些值是根據(jù)這40個(gè)中氣旋主觀確定的，原則上使用這些閾值，可以保證40個(gè)中氣旋沒有一個(gè)被遺漏。

對(duì)比圖1發(fā)現(xiàn)，低切變?nèi)?m·s-1·km-1，意味著強(qiáng)度在弱切變以上的中氣旋，在中氣旋切變算法中都給予保留。這樣算法識(shí)別的中氣旋能完全涵蓋由圖1識(shí)別的弱切變以上的中氣旋。

2.2 中氣旋算法及產(chǎn)品應(yīng)用

2.2.1 中氣旋算法

NSSL對(duì)中氣旋切變算法進(jìn)行改進(jìn)后，將其命名為中氣旋算法，1996年秋季開始正式用于全美布網(wǎng)的165部S波段多普勒雷達(dá)。目前我國(guó)CINRAD WSR-98D SA/SB使用的即是中氣旋算法。

中氣旋切變算法考慮的僅是單層中氣旋，中氣旋算法增加了對(duì)垂直連續(xù)性的檢驗(yàn)，即考慮中氣旋有一定的伸展厚度。中氣旋算法第一步是由中氣旋切變算法探測(cè)2D特征（對(duì)稱或不對(duì)稱）；第二步是通過對(duì)垂直連續(xù)性的檢驗(yàn)將中氣旋切變分成三種類型。其流程圖見圖3。

圖3 中氣旋算法流程圖Fig.3 Flow chart of mesocyclone algorithm

2.2.2 中氣旋產(chǎn)品應(yīng)用

由圖3可見，中氣旋算法通過對(duì)2D特征做垂直相關(guān)性檢驗(yàn)，最終得到三種類型：非相關(guān)切變、三維切變、中氣旋。在目前的CINRAD WSR-98D SA/SB中氣旋圖形產(chǎn)品（M，60號(hào)）中，中氣旋用深黃色的圓圈（線的寬度為4個(gè)像素）顯示，并帶有離它最近的被識(shí)別的風(fēng)暴單體的標(biāo)識(shí)號(hào)；三維切變用淺黃色的圓圈（線的寬度為1個(gè)像素）顯示，不帶有風(fēng)暴單體的標(biāo)識(shí)號(hào)；非相關(guān)切變?cè)趫D形產(chǎn)品上不顯示，但在中氣旋文本產(chǎn)品（M，60號(hào)；中氣旋文本產(chǎn)品是中氣旋圖形產(chǎn)品的匹配產(chǎn)品，共用一個(gè)產(chǎn)品號(hào)）中有顯示。

中氣旋圖形產(chǎn)品可以疊加到反射率因子或徑向速度圖形產(chǎn)品上，與強(qiáng)單體相伴隨的中氣旋伴隨著龍卷、強(qiáng)雹、大風(fēng)等強(qiáng)天氣發(fā)生，要充分引起注意。圖4出示了2013年3月23日14：53（北京時(shí)間）1.5°仰角百色雷達(dá)反射率因子圖疊加中氣旋圖形產(chǎn)品（黃色圓圈），此超級(jí)單體風(fēng)暴維持了較長(zhǎng)時(shí)間的中氣旋，并造成沿途經(jīng)過的田林縣定安鎮(zhèn)、八渡鄉(xiāng)、八桂鄉(xiāng)出現(xiàn)了直徑為20～30mm的冰雹、強(qiáng)風(fēng)和雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣 。

圖4 2013年3月23日百色雷達(dá)強(qiáng)反射率因子疊加中氣旋（黃色圓圈）Fig.4 Strong reflectivity with mesocyclone product (yellow circle) in Baise radar on 23 March 2013

在中氣旋圖形產(chǎn)品上并不能確定中氣旋最強(qiáng)2D特征的高度，但在中氣旋文本產(chǎn)品中會(huì)顯示最強(qiáng)切變值及其高度?？梢岳梦谋井a(chǎn)品中的最強(qiáng)切變值及其高度進(jìn)一步區(qū)分強(qiáng)天氣類型。

2013年3月23日午后，百色市田林縣、右江區(qū)、田陽縣、田東縣、平果縣的部分地區(qū)先后出現(xiàn)雷暴、冰雹、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。根據(jù)百色SB雷達(dá)探測(cè)，導(dǎo)致田林降雹的強(qiáng)風(fēng)暴維持了一個(gè)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的中氣旋，圖5即是中氣旋最強(qiáng)切變高度演變圖。由圖5可見，強(qiáng)中氣旋的最強(qiáng)切變維持在0℃層左右，這里稱為中層中氣旋，意味著旋轉(zhuǎn)上升氣流超過0℃層。由冰雹形成和增長(zhǎng)的概念模型，上升氣流超過0℃層高度且持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，說明冰雹胚胎在過冷卻水累積區(qū)生長(zhǎng)，冰雹則可以增長(zhǎng)到很大的尺寸。

圖5 2013年3月23日14:40—15:43百色雷達(dá)探測(cè)降雹單體中氣旋最強(qiáng)切變高度Fig.5 The height of the strongest shear in the hail cell detected by Baise radar at 14:40 to 15:43 BT on 23 March 2013

2013年7月7日午后，一個(gè)伴有短時(shí)強(qiáng)降水和龍卷產(chǎn)生的超級(jí)單體風(fēng)暴維持了一個(gè)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的中氣旋，圖6是中氣旋最強(qiáng)切變高度演變圖。由圖6可見，強(qiáng)中氣旋的最強(qiáng)切變維持在0℃層距地高度一半左右，可以稱為低層中氣旋，可以排除降雹可能。在環(huán)境中邊界層相對(duì)濕度較高和 0～1 km垂直風(fēng)切變較強(qiáng)時(shí)，如果低層中氣旋強(qiáng)度強(qiáng)、維持時(shí)間長(zhǎng)，龍卷發(fā)生的可能則較大。

圖6 2013年7月7日15:16—16:59南京雷達(dá)探測(cè)的龍卷單體中氣旋最強(qiáng)切變高度Fig.6 The height of the strongest shear in the tornado cell detected by Nanjing radar at 15:16 to 16:59 BT on 7 J uly, 2013

2.2.3 中氣旋產(chǎn)品應(yīng)用中需要注意的問題

1）注意剔除退速度模糊引起的虛假中氣旋。在中氣旋算法中，沒有去除風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)退模糊算法有很大的依賴性，不正確的退模糊算法會(huì)導(dǎo)致不正確的中氣旋識(shí)別。如圖7所示的2006年4月9日湖南永州的例子，由于退速度模糊的影響，圖中標(biāo)識(shí)號(hào)為Do的深黃色圓圈（算法識(shí)別的中氣旋）是虛假的中氣旋。

2）目前算法中的大部分缺省參數(shù)來源于中氣旋方位切變算法開發(fā)使用的參數(shù)。由于資料集只有幾個(gè)風(fēng)暴過程時(shí)間只有幾小時(shí)，且是20世紀(jì)70年代Oklahoma中部春季伴有強(qiáng)冰雹和龍卷的中氣旋參數(shù)。因此在我國(guó)使用時(shí)可以適當(dāng)對(duì)缺省參數(shù)做修改。如對(duì)于我國(guó)臺(tái)風(fēng)前部龍卷，可以適當(dāng)調(diào)低缺省參數(shù)中的類型矢徑（TPV）值。

圖7 2006年4月9日湖南永州疊加中氣旋產(chǎn)品的徑向速度圖Fig.7 Radial velocity and mesocyclone product in Yongzhou, Hunan on 9 April 2006

2.3 中氣旋探測(cè)算法

中氣旋算法參數(shù)來源于中氣旋切變算法參數(shù)，是以Norman多普勒雷達(dá)觀測(cè)到的中氣旋資料集建立的。隨著美國(guó)多普勒雷達(dá)的布網(wǎng)，NSSL發(fā)現(xiàn)一些地區(qū)產(chǎn)生了龍卷等強(qiáng)天氣的風(fēng)暴尺度（2～10km）渦旋會(huì)被中氣旋算法漏報(bào)。因此，NSSL又設(shè)計(jì)開發(fā)出了一個(gè)新算法，稱為中氣旋探測(cè)算法［15］。根據(jù)算法過程，給出下列流程圖（圖8）。

圖8 中氣旋探測(cè)算法流程圖Fig.8 The flow chart of mesocyclone detection algorithm

與目前使用的中氣旋算法相比，中氣旋探測(cè)算法使用了中氣旋強(qiáng)度閾值來代替切變閾值；并使用多個(gè)不同距離的強(qiáng)度閾值，以識(shí)別更多的2D特征；增加了時(shí)間連續(xù)性測(cè)試，能夠跟蹤并預(yù)報(bào)中氣旋的移動(dòng)路徑。圖形產(chǎn)品中增加了隨時(shí)間變化的最大切變高度顯示等特征（圖5、圖6是根據(jù)目前中氣旋文本產(chǎn)品的最大切變高度值和探空的0℃層高度做的，中氣旋探測(cè)算法的圖形產(chǎn)品則將會(huì)直接顯示隨時(shí)間變化的最大切變高度），這樣可以使預(yù)報(bào)員更快地判斷中氣旋的強(qiáng)度值和高度值，為相應(yīng)強(qiáng)天氣預(yù)警提供寶貴的提前時(shí)間。

3 結(jié)語

中氣旋探測(cè)與強(qiáng)天氣預(yù)警密切相關(guān)。中氣旋的判據(jù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)中最常使用的中氣旋判據(jù)是其中的第三階段，即使用與距雷達(dá)站距離有關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度和厚度閾值。對(duì)沒有內(nèi)置中氣旋算法的多普勒雷達(dá)，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員依據(jù)圖1來識(shí)別中氣旋及其強(qiáng)度，要注意其閾值不一定完全適用于國(guó)內(nèi)中氣旋的實(shí)際狀況，因此需有更多的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，才能由權(quán)威部門對(duì)圖1的閾值做修訂。此外，在雷達(dá)探測(cè)單仰角上旋轉(zhuǎn)速度滿足閾值后，還要確定所探測(cè)到的旋轉(zhuǎn)速度區(qū)是否滿足垂直伸展厚度大于3km的要求。對(duì)滿足垂直伸展厚度的真實(shí)中氣旋要立即發(fā)布強(qiáng)天氣警報(bào)。

中氣旋客觀算法的發(fā)展也經(jīng)歷了三個(gè)階段：中氣旋切變算法、中氣旋算法和中氣旋探測(cè)算法。對(duì)目前有中氣旋算法的CINRAD WSR-98D SA/SB多普勒雷達(dá)，對(duì)與強(qiáng)單體相伴隨的真實(shí)中氣旋要引起高度注意。由于目前我國(guó)多普勒雷達(dá)業(yè)務(wù)中使用的速度退模糊算法效果不夠顯著，因此對(duì)算法識(shí)別的中氣旋要人工剔除由退速度模糊算法引起的虛假中氣旋。同時(shí)要充分關(guān)注文本產(chǎn)品中切變值大小和高度。根據(jù)中氣旋文本產(chǎn)品中的最大2D切變高度與環(huán)境0℃層高度的比較，可以將中氣旋分成中層中氣旋和低層中氣旋，通常在環(huán)境邊界層相對(duì)濕度較高和 0～1km強(qiáng)垂直風(fēng)切變時(shí)，如果低層中氣旋強(qiáng)度強(qiáng)、維持時(shí)間長(zhǎng)，則要優(yōu)先發(fā)龍卷預(yù)警；對(duì)直徑較大的低層中氣旋，優(yōu)先發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警；對(duì)中層強(qiáng)中氣旋，優(yōu)先發(fā)冰雹預(yù)警。

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The Development and Application of Doppler Radar Mesocyclone Criterion and Algorithm

Fei Haiyan， Zhou Xiaogang， Wang Xiuming
（China Meteorological Administration Training Centre， Beijing 100081）

Since more than 90 % of the mesocyclones are accompanied by severe weather such as tornadoes， severe hails， strong winds etc.， it is a great signifi cance to identify the mesocyclones and apply to publishing the severe weather warning in real-time for more accurate. At present， only the CINRAD WSR-98D SA / SB in China has mesocyclone algorithm， which was developed by US National Severe Storms Laboratory， and mesocyclone products. While other types of Doppler radar have to recognize mesocyclone by using radial velocity maps artifi cially only. This paper reviews the evolution of the mesocyclone criterion for three stages in the operational application， and analyzes some issues in the third stage. Based on the development of the mesocyclone algorithm， this paper introduces the mesocyclone shear algorithm， mesocyclone algorithm and mesocyclone detection algorithm，and discusses the operational applications and the issues of products from the mesocyclone algorithm.

mesocyclone， criterion， algorithm， shear， detection

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.05.003

2015年6月3日；

2015年9月11日

費(fèi)海燕（1983—），Email： feihy2009@163.com

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41475042）；江蘇省氣象科學(xué)研究所北極閣基金（BJG201305）