多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法(1)

中心落在较高阈值分量区域中的较低 阈值分量被抛弃
确定风暴质心
风 暴 单 体 质 心 输 出
质心（在极坐标中）， 质心的高度（ARL—相对于雷达高度），
最大反射率（3个距离库的平均）， 最大反射率的高度（波束中心点高度—ARL） 单体底和顶（ARL）， 分量数目， 基于单体的垂直累积 液态水含量（VIL）。
风暴单体跟踪
预报位置
R7
前次体积扫位置 预报位置
R3
前次体积扫位置
风暴未来位置预报
风暴位置预报是依据过 去风暴移动的记录来预报单 体将来的质心位置。
表6-1 对于各种风暴类型(30-39dBZ,40-49dBZ, 50dBZ以上） 风暴系列算法的正确识别率（POD）
风暴类型 孤立强单体 孤立非强单体 MCS/Line 层状降水 微型超级单体 总体
Oklahoma 发生大冰雹所必须的VIL估计值。
基于单体的VIL
垂直剖面产品
垂直剖面产品包括反射率因子剖面RCS、平 均径向速度剖面VCS和速度谱宽剖面SCS。可在半 径为230公里的雷达覆盖范围内的任意两点间做剖 面。 垂直剖面产品是由如下过程产生的体积产品： 1） 用1km分辨率的基本数据连接所有的仰角扫描； 2）对没有数据的地方用相邻二个仰角的资料垂直插 值， 垂直间隔为0.5km；3）没有从最高或最低仰 角向外外插。 反射率因子剖面和速度剖面产品各有两个， 分别对应于16个和8个数据级，谱宽剖面产品只有 一个。
SHI 0.1 WT EdH
H0
HT
对于
H H0
对于
WT ( H ) 0 H H0 WT ( H ) H m 20 H 0 WT ( H ) 1
（6-4-2）
H 0 H H m 20
对于
H H m 20
E 5 10 10
对于 Z Z L
88D TVS (opt)
POD FAR CSI HSS 37 78 16 26
88D TVS
POD FAR CSI HSS 3 0 3 0
组合反射率因子
组合反射率因子（CR）
是在一个体积扫中，将常定仰角方位扫 描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格 点上的产品。两种分辨率（1km x 1km 和 4km x 4km），两个数据级（8，16），共4个 产品（35-38号）。显示范围230公里和460公 里。最常用的为37号产品：1km分辨率，显示 范围230km，16个数据级。 揭示了所有回波中的最高反射率因子。
中气旋(M)
龙卷涡旋特征(TVS)
TVS Detection Algorithm (TDA)
Reflectivity
Velocity
Rotational shear
Rotation tracks
TVS评分对比(6个例）
NSSL TVS
POD FAR CSI HSS 43 48 31 46
垂直累积液态水(VIL)
反映降水云体中，在某一确定的底面 积（4KM ×4KM）的垂直柱体内液态水 总量分布的图形产品。产品号为57，显示 范围230公里。
它可以表征雷暴的总体强度。
垂直累积液态水（VIL）算法
液态水混合比的经验公式：
M 3.44 10 Z
3
4/7
这里M =液态水混合比，Z=雷达反射率因子。从每个4 ×4KM 网格里导出值M，然后再垂直积分得到VIL。 算法假定反射率因子是由液态水滴散射得到的。Z值的 上限取为55dBZ以减少冰雹污染。
14% 21% 18% 0% 4% 17%
21% 33% 23% 7% 24% 24%
61% 45% 35% --30% 41%
表6-2 对于各种风暴类型(30-39dBZ,40-49dBZ, 50dBZ以上） SCIT算法的正确识别率（POD）
风暴类型 孤立强单体 孤立非强单体 MCS/Line 层状降水 微型超级单体 总体
计算步骤
1）把每个仰角的极坐标形式转换成直角坐 标。 2）把回波强度dbz转换成反射率因子Z值。 3）计算第I层的PPI资料中位于4 ×4KM底面 积的垂直柱体内的所有资料的算术平均值。 4）计算每一个底面积的柱体内的累积液态 水含量。

( Z i Z i 1 2 VIL 3.44 10 h (kgm ), 2 i 1
步骤4 TVS处理：1）检查搜寻范围TPC （threshold search percentage）内所有的中气旋 2D特征；2）如果一个2D特征最大和最小径向速 度间的切变超过阈值TTS，则这个2D特征包含 一个潜在的TVS；3）如果一个3D特征中有2个 或更多的2D特征包含潜在的TVS，则一个TVS 被识别。
n 6
4/7
High-Resolution VIL

Same resolution as Level-II data Rapidly updating (20-30 seconds).
WSR-88D VIL
Hi-res VIL
70 60 50 40 30 20 10 0 1
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
POD 27% 43% 25% 0% 71% 28%
70% 68% 64% 13% 82% 68%
96% 97% 96% --96% 96%
表6-5
SCIT算法对不同的 Lead Time 的平均预报误差
样本中单体的数量 平均预报误差（公里）
预报时效（分钟）
5 15 30 45 60
898 498 227 109 55
中气旋（M）与龙卷涡旋特 征（TVS）产品和算法
步骤1 1D中气旋处理：识别1D 型矢量并测试它们是 否满足切变（THS, TLS）和角动量（THM，TLM） 阈值。 步骤2 2D中气旋处理：1）将1D型矢量组成2D特征， 组成2D特征的最小型矢量的个数为可调参数TPV；2） 确定2D特征的对称性；3）计算2D特征的属性；4） 去掉在高度TFM以上的2D特征。 步骤3 3D中气旋处理：1）将2D特征组成3D特征；2） 丢弃不能组成3D特征的非对称的2D特征；3）不能组 成3D特征的2D特征归类为“非相关切变”；4）包含 少于2个对称2D特征的3D特征归类为“3D相关切变”； 5）包含2个或更多对称2D特征的三维特征归类为“中 气旋”。
相对于风暴的平均径向速度图(SRM)
回波顶（ET）
回波顶定义为高反射率核上空18.3 dBZ回 波的高度。 回波顶算法估记反射率因子大于等于18.3 dBZ所在的高度，然后将RDA的MSL高度加到回波 顶高度里。该产品的分辨率为 4km x 4km，显示 范围230公里。
局限性：1）由于雷达静锥区的存在，雷达附近的顶会 被过低估计；2）由于缺乏向上的垂直外推，很难决定 风暴的最高回波顶。
12 基本产品
反射率因子 径向速度 谱宽

13 导出产品与算法
风暴跟踪信息 产品（STI）与算法
识别每个对流风暴单体、并给 出风暴过去、现在和将来的位置。 举例
风暴跟踪信息(STI)
风 暴 位 置 预 报

风 暴 单 体 跟 踪

风 暴 单 体 质 心

风 暴 单 体 段
表6-8 旧的冰雹探测算法HDA的评分，利用“probable”作警报阈值 （即“probable”和“positive”指示都作为有强冰雹的预报） 日期 11/02/1992 17/02/1992 25/03/1992 19/04/1992 28/04/1992 28/05/1992 02/06/1992 12/06/1992 09/06/1992 01/09/1989 总体 WT （Jｍ-1s-1） probable probable probable probable probable probable probable probable probable probable H 0 6 25 24 103 5 3 0 0 53 219 M 19 18 14 3 26 0 3 0 0 7 90 FA 0 4 24 78 43 37 28 81 21 204 520 POD（%） 0 25 64 89 80 100 50 88 71 FAR（%） 40 49 76 29 88 90 100 79 70 CSI（%） 0 21 40 23 60 12 9 0 0 20 26
2.0 5.0 9.9 15.2 22.8
冰雹指数（HI）
冰雹指数的显示形式
冰雹探测算法
最小显示临界值 <=POH<填充的临界值
POH>=填充的临界值以及POSH <最小POSH显示临界值 最小显示临界值<=POSH< 填充的临界值
POSH >填充的临 界值
预于 期 3 冰 的 雹 冰 4 概 雹英 率 尺寸 （ 寸） （概 率） （ ） 强 冰 ）雹 （ 最直 大径 大 / C)

a)
冰 雹 指 数 (HI)
POH b) POSH MEHS
冰雹指数(88D)
冰雹探测算法
• 高悬的高反射率因子核
• 0 ºC和-20 º 等温线的高度 C
• 及时更新上述等温线的高度值对 算法的成功极为重要
图6-14 地面降雹概率作为（H45- H0）的函数。其中H45是雷达以上45 dBZ回波的高 度（ARL），H0是融化层的高度（引自Waldvogel et al. 1979）。

风 暴 算单 法体 （的 识 别 ）和 跟 踪
SCIT
风暴单体段

定义 段（segment）是指沿径向排列的、反 射率大于或等于特定阈值的一组相邻距离库。
处理过程 风暴单体段子功能搜寻七个 不同的最小反射率阈值的段。
段搜寻例子
径向观测，可以了解反射率是如何被量化的。反射率的基 本观测是在距离库中得到的。此算法的功能是将单个距离 库合成为沿径向的风暴段。注意此图中的段
合成反射率(CR)
、 冰 雹 指 数 和 中 气 旋
组 合 反 射 率 因 子 、 风 暴 路 径 跟 踪
风暴相对平均径向
速度图（SRM）
与基本速度产品类似，只不过减 去了由风暴跟踪信息(STI)识别的所 有风暴的平均运动速度（缺省值）， 或减去由操作员选定的风暴运动速度 （分辨率1公里，显示范围230公里， 序号56）。
CΒιβλιοθήκη Baidumposite reflectivity
Applications combines radar data and numerical model data to plot reflectivity at constant temperature levels.
Hail algorithm uses reflectivity at 0oC and -20oC. This allows forecaster to see the inner-workings of the algorithm.
。
风暴单体质心
定义 分量——在某一仰角扫描所构成的 锥面内，段的二维区域。 质心——单体质量中心的三维位 置。

处理过程 在仰角扫描的最后一个径向被 分析完后，单个风暴段在空间相邻的基 础上被组合成2D风暴分量。
图
砖形轮廓线表示30dBZ阈值风暴段，假定它们满足方位和距离阈值， 则所有30-dBZ风暴段将被组合成一个2D分量。风暴段将被组合成一个 2D分量。
表6-7 新的冰雹探测算法HDA的评分 日期 11/02/1992 17/02/1992 25/03/1992 19/04/1992 28/04/1992 28/05/1992 02/06/1992 12/06/1992 09/06/1992 01/09/1989 总体 WT （Jｍ-1s-1） 20 26 63 66 74 97 100 120 126 134 H 16 13 30 16 94 5 3 0 0 40 217 M 1 10 9 12 39 0 3 0 0 20 94 FA 33 11 18 21 32 10 6 5 0 71 207 POD（%） 94 57 77 57 71 100 50 67 70 FAR（%） 67 46 38 59 25 67 67 100 64 49 CSI（%） 32 38 53 31 57 33 25 0 31 42
6
0.084 z
W (Z )
W (Z ) 0
对于 Z L Z Z U 对于 Z Z U
Z ZL W (Z ) ZU Z L
W (Z ) 1
ZL=40dBZ ZU=50dBZ
Reflectivity plotted at temperature levels
Reflectivity at 0o C Reflectivity at -20o C