降水序列算法在氣象多普勒雷達(dá)中的應(yīng)用

閆錦城，殷樹旺，馬 強(qiáng)，張 丹

（烏蘭察布市氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

降水序列算法在氣象多普勒雷達(dá)中的應(yīng)用

閆錦城，殷樹旺，馬 強(qiáng)，張 丹

（烏蘭察布市氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

氣象雷達(dá)中的降水序列RPG采用數(shù)種氣象算法，在基數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上生成一系列降水產(chǎn)品，幫助氣象工作人員對天氣降水現(xiàn)象進(jìn)行分析。RPG中的降水算法包括降水檢測功能和降水處理功能。文章具體闡述兩種功能在新一代天氣雷達(dá)（CINRAD/CB波段）中如何進(jìn)行應(yīng)用。

降水算法；檢測；處理；RPG

中國新一代天氣雷達(dá)是采用相干體制的脈沖多普勒天氣雷達(dá)，整個雷達(dá)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：（1）雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（Radar Data Acquisition Subsystem，RDA）；（2）雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（Radar Product Generation Subsystem，RPG）；（3）主用戶處理子系統(tǒng)（Primary User Processing Subsystem，PUP）。其中RPG中的降水序列產(chǎn)品涉及數(shù)種氣象算法，應(yīng)用于降水檢測功能和降水處理功能。RPG降水產(chǎn)品包括1小時降水，3小時降水，風(fēng)暴總降水等。降水量數(shù)據(jù)在氣象水文等許多部門都有廣泛的應(yīng)用，如大面積實(shí)時降水量的短期或長期估算、大面積或小面積1小時降水量的估算等。

1 降水檢測算法

降水檢測算法的主要目的是判斷一定范圍內(nèi)有無降水發(fā)生。

1.1 降水檢測算法門限參數(shù)

算法檢查幾個指標(biāo)：降水率門限、降水區(qū)域門限、雜波區(qū)域門限以及算法檢測進(jìn)行的仰角范圍。在每個體掃規(guī)定的仰角范圍上，反射率數(shù)據(jù)的密度和覆蓋區(qū)域與這幾個門限比較，如果讓降水算法從非零降水值開始累加降水量，實(shí)際回波密度和區(qū)域應(yīng)不小于降水量門限和區(qū)域門限（降水量區(qū)域門限和雜波區(qū)域門限之和）。

1.2 降水檢測算法定義的降水類型

為區(qū)別降水的大小，算法中把降水分為3類：0，1，2。檢測到某一類降水即表示體掃探測的數(shù)據(jù)超過了那一類降水所規(guī)定的各種門限。值得注意的是，降水類型對VCP有控制作用，在RDA遠(yuǎn)程控制模式下，它會引起RPG控制RDA在晴空或降水模式的VCP之間切換。

1.2.1 降水類型0

在過去的1小時內(nèi)，在規(guī)定的雷達(dá)半徑范圍內(nèi)沒有檢測到任何降水。當(dāng)降水類型為0時，實(shí)際探測降水值沒有超過任何一類降水的降水門限。如果雷達(dá)系統(tǒng)正使用晴空模式的體掃表，則它不會改變當(dāng)前的體掃模式；否則，RDA遠(yuǎn)控狀態(tài)下，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)而采用降水模式的體掃表。一旦指定當(dāng)前的降水類型為0，系統(tǒng)會停留在降水類型0上至少1小時，在這個區(qū)間降水處理過程的降水量累計(jì)值為0。

1.2.2 降水類型1

在過去的1小時內(nèi)，在規(guī)定的雷達(dá)半徑范圍內(nèi)探測到強(qiáng)降水，可能小區(qū)域的大強(qiáng)度降水或大區(qū)域的小強(qiáng)度降水。當(dāng)降水達(dá)到或超過降水類型1的門限時，系統(tǒng)指定當(dāng)前降水類型為1。根據(jù)當(dāng)前的體掃模式，可能出現(xiàn)以下兩種情況：（1）如果系統(tǒng)正處于降水模式，降水算法會被喚醒并執(zhí)行運(yùn)算，雷達(dá)仍然使用當(dāng)前的體掃模式；（2）如果系統(tǒng)正處于晴空模式，體掃會切換到降水模式（VCP21），并開始進(jìn)行降水運(yùn)算。其中降水類型1指過去的1小時內(nèi)有較強(qiáng)的降水，在接下來的1小時內(nèi)，即使沒有探測到強(qiáng)降水，系統(tǒng)仍然停留在降水類型1的狀態(tài)下。

1.2.3 降水類型2

在過去的1小時內(nèi)，在規(guī)定的雷達(dá)半徑范圍內(nèi)檢測到弱降水，這類降水解釋為離散范圍內(nèi)的較小降水或較大范圍內(nèi)強(qiáng)度很小的降水。當(dāng)探測到降水類型2時，沒有體掃模式的切換，但降水算法會被執(zhí)行，在左右體掃模式下，包括晴空模式下，降水類型2都將使系統(tǒng)進(jìn)行降水處理運(yùn)算。

1.3 降水減弱時降水類型的變化

降水類型1表示最強(qiáng)的降水，一旦被指定，將會持續(xù)至少1小時。

1.3.1 降水類型1到降水類型2

在某種情況下，降水強(qiáng)度低于類型1的門限，達(dá)到了類型2的門限，1小時后系統(tǒng)將指定降水類型為2。指定為類型2時，UCP操作者可以將VCP切換到任何模式。

1.3.2 降水類型1到降水類型0

在某種情況下，降水強(qiáng)度低于類型1和2的門限，降水類型1在保持1小時后轉(zhuǎn)變到降水類型0。指定為降水類型0時，UCP操作者可以切換到晴空模式運(yùn)行。

1.4 晴空模式和降水模式探測

有些時候（如下雪），回波的反射率會小于5 DBZ。在這種情況下，如果雷達(dá)運(yùn)行在VCP31或VCP32下，則可以顯示較低的直到﹣28 DBZ的反射率值。為此，提高降水類型1的雜波門限，降低降水類型2的雜波門限，讓降水的強(qiáng)度超過降水類型2的門限，但不超過降水類型1的門限。由于這是降水強(qiáng)度值超過類型2的門限而未超過類型1的門限，系統(tǒng)會指定當(dāng)前的降水類型為2，于是雷達(dá)可以用體掃模式運(yùn)行，可以在顯示低反射率值的同時生成降水產(chǎn)品。

當(dāng)探測某一指定區(qū)域，而該區(qū)域正處于降水過程中，這時使用上述方法也是很有效的。因?yàn)槭褂美走_(dá)敏感度較高的體掃表運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，降水產(chǎn)品可以生成并分發(fā)給用戶。

使用這種操作時需要注意，因?yàn)榇嬖诔霈F(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴天氣而體掃模式不能自動切換的可能性。當(dāng)把降水類型1的雜波門限改大以后，風(fēng)暴可能超過降水類型1的反射率門限但不達(dá)到區(qū)域門限，于是不能自由切換到降水模式下運(yùn)行。

在異常傳播發(fā)生時，若想到同時提高降水類型1和2的雜波區(qū)域，以此來使雷達(dá)保持在晴空模式下運(yùn)行，這種方法是錯誤的。因?yàn)槿绻赗DA不進(jìn)行抑制，回?fù)苋匀豢赡鼙划惓鞑テ茐模绻驗(yàn)楫惓鞑サ脑驅(qū)е孪到y(tǒng)進(jìn)入降水類型1或者2，使用時應(yīng)該在UCP上控制使用地物雜波抑制圖來消除這種影響。

2 降水處理算法

對于降水處理過程，雷達(dá)只是間接接收降水率，進(jìn)一步對降水量進(jìn)行估算需要另外4個方法，分別是：降水預(yù)處理算法、降水率算法、降水累計(jì)算法和降水調(diào)整算法。

2.1 降水預(yù)處理算法

降水預(yù)處理算法對一定范圍內(nèi)的降水量進(jìn)行估算，范圍以外的不作處理。因?yàn)檫@個范圍外降水誤差增長得太快，以至于得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。降水預(yù)處理算法采用最低4個仰角的反射率數(shù)據(jù)作為輸入。

2.2 降水率算法

采用混合掃描的結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)Z-R關(guān)系將反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成降水率數(shù)據(jù)。在這個過程中使用了兩步質(zhì)量控制：時間連續(xù)性測試和修正距離影響。

2.2.1 時間連續(xù)性檢驗(yàn)

檢查每個仰角之間的降水率的時間連續(xù)性。檢查降水過程中降水率的增加或減少情況，當(dāng)從一個體掃到另一個體掃的降水?dāng)?shù)據(jù)嚴(yán)重失真時，有可能舍棄整個體掃的數(shù)據(jù)。導(dǎo)致這種情況的原因是：雷達(dá)波束的異常傳播，同頻干擾，系統(tǒng)噪聲，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率不夠穩(wěn)定。如果體掃之間的整體降水量的變化超過門限規(guī)定，這個體掃的數(shù)據(jù)會被認(rèn)為不可信而被丟棄。當(dāng)相鄰兩個體掃之間的時間間隔超過15 min時，不會執(zhí)行時間連續(xù)性檢測。

2.2.2 修正距離影響

修正距離影響，即距離訂正。使用這種方法可以修正由于遠(yuǎn)距離的信號減弱或數(shù)據(jù)填充不完整而引起的低估降水率的情況。距離訂正使用以下的公式處理：

其中，R為降水率，單位為mm/h；r為距離，單位為km；系數(shù)a，b，c會因季節(jié)和站點(diǎn)的不同而變化。

2.3 降水累計(jì)算法

降水累計(jì)算法采用降水率算法的輸出結(jié)果，生成體掃和小時降水累積。算法還同時檢查越界的累積降水量和丟失的體掃數(shù)據(jù)。

2.3.1 體掃累積

體掃間降水累積用來生成風(fēng)暴總降水，在降水類型1或2，風(fēng)暴總降水產(chǎn)品會在每個體掃更新。

2.3.2 整點(diǎn)降水累積

整點(diǎn)降水累積用體掃間累積進(jìn)行計(jì)算，有3種類型的整點(diǎn)降水累積：（1）當(dāng)前體掃的小時結(jié)束累積。用于生成1小時降水產(chǎn)品，1小時降水是個不斷更新的產(chǎn)品，更新周期是在降水模式下每5～6 min（即1個降水模式體掃時間）更新，在晴空模式下，每10 min（即1個晴空模式體掃時間）更新。（2）每小時結(jié)束累積。為生成3小時降水產(chǎn)品，需要持續(xù)3小時的降水量累積，3小時降水產(chǎn)品每個體掃都可以生成，但只在整點(diǎn)時更新。（3）雨量計(jì)累積時間的小時結(jié)束累積，這種數(shù)據(jù)用來計(jì)算雷達(dá)估算值和雨量計(jì)觀測值之間的偏差。

[1]李社宏，呂東峰，楊銀見，等.陜西多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測信息發(fā)布系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].陜西氣象，2005（1）：31-32.

[2]張培昌.中國新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)簡介[J].山東氣象，2000（2）：6-9.

Application of precipitation sequence algorithm in meteorological Doppler radar

Yan Jincheng, Yin Shuwang, Ma Qiang, Zhang Dan
（Wulanchabu Meteorological Bureau, Wulanchabu 012000, China）

The precipitation sequence RPG in meteorological radar uses several meteorological algorithms to generate a series of precipitation products on the basis of basic data, which helps the meteorological staff to analyze the phenomenon of weather precipitation.The precipitation algorithms in RPG includes precipitation detection function and precipitation processing function. This paper describes how the two functions are applied in the next generation weather radar（CINRAD/CB band）.

precipitation algorithm; detection; processing; Radar Product Generation Subsystem

閆錦城（1969— ），男，北京。