多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法(2)

雷达降水估计反射率因子Z和降水率R反射率因子Ｚ：反射率因子与滴谱分布和滴的尺度有关。表示为：Z=∫N(D)D6dD这里，Z＝反射率因子D＝滴直径N（D）＝每立方米给定直径的滴数量cPrZr23600/1lg10mmmZZZdBZ表2.6dBZ和Z值dBZZ(mm6/m3)-320.000631-100.101101030100053199,526953,162,277,660降水率R取决于滴谱分布，但与Z不同。R还取决于粒子的下落速度Wt，Wt又与粒子直径有关。关系式为：dDDwDDNRt36这里R＝降水率D＝滴直径N(D)＝给定直径的滴数目／立方米Wt(D)=给定直径滴的下落速度注意：R正比于滴直径的3次方。•R正比于滴直径的3次方；•Z正比于滴直径的6次方；•改变滴直径会引起R的大变化，Z会产生更大的变化。Z-R关系降水率R和反射率因子Z都和雨滴谱有关，因而可建立某种关系。根据实测雨强和雨滴谱资料统计的结果，得到如下的经验公式，它既是数学的又是经验的：Z=ARb参数A、b与地区及降水的类型有关，在较大的范围内变动。这是因为在不同的地区和不同类型的降雨中，滴谱是不同的。对于WSR-88D，一般取：Z=300R1.4转换降水率的最大dBZ值这个参数给出可转换成R的dBZ值的上限。在这个特殊dBZ值以上，我们假定反射率因子被冰雹污染了。冰雹魔术般地影响着所计算的降水率。大于53dBZ的值都改为53dBZ。这样雹污染的距离库在降水估计中影响就较小了。用Z=300R1.4式计算,50dBZ可产生64mm/小时的降水率。53dBZ产生105mm/小时的降水率。70dBZ意味着每小时1715mm/小时的降水！所以对于大部分地区，53dBZ是转换降水率最大dBZ的好的缺省值。对于热带和干旱地区，这个值是可以改变的。雷达估计降水误差的来源•Z估计误差•Z-R关系误差•降水在波束以下的影响误差Z估计误差①固定地物杂波：地物杂波定义为静止的或近似静止的非气象目标物返回的能量。如果这些能量不被滤掉，并输入Z-R方程，那么在地物杂波范围内降水量是过高估计的。②非正常传播（AP）：雷达假设它的波束是在标准大气中传播的。这样可以计算波束高度。如果大气状态不标准，那么波束传播会是不同的方式，或者说非正常地传播。非正常传播，一般指的是波束被超折射并在远离正常的地物杂波区处撞到地面。因此，AP是真正的远离雷达区域的地物杂波。这些来自非正常传播波束的能量会被包含在Z-R方程里，就象正常地物杂波那样会引起降水的过量估计。③波束部分充塞：波束部分充塞一般对距离雷达较远的气象目标是个问题。WSR-88D的波束宽度是1。在距雷达100海里远处，1宽的波束是近似2海里尺度的截面。雷达必须做的假定之一就是所有的目标完全充满波束，因为它没有别的确定方法。因此，在这个距离上比波束窄的目标物会显示得比真实情况大。来自小目标物的能量被平均到整个宽的波束上，结果是低估了降水量（整个区域范围是高估的）。④湿的天线罩：如果天线罩被大雨或部分冻雨弄湿，雷达会低估较远处目标物的降水率，因为波束能量在接近雷达时被消弱。目标物的较少返回能量就意味着较小的反射率因子和降水率。⑤不正确的硬件定标：不正确的硬件定标会影响降水估计的准确性。WSR-88D对每一次体积扫描进行自动标校，所以能得到更准确的反射率因子，因而得到较准确的降水估计。Z-R关系误差①滴谱分布的变化:Z-R方程是在对滴谱分布形式做了某种假定的条件下得到的。实际滴谱分布可以偏离假定。②混合型降水与亮带:混合型降水—雨与雹、雪或是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水率的过高估计。当冰晶下落通过溶化层时，它们的外表面开始溶化。正好位于溶化层（0°层面）下面，这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷达上叫做“亮带”，亮带会造成降水率的过高估计。波束以下的影响带来的误差①强水平风：强水平风（云底以下的）把降水吹得远离样本目标物下方的地面（地点）位置，吹到另一个完全不同的样本的下方了。②雷达波束下面的蒸发：雷达波束下的蒸发会引起雷达对实际落到地面降水的过高估计。极端的例子是番状云，雷达在云里的估计相对准确，但到达地面是小雨或无雨。这情况在西部地区频繁发生。WSR-88D降水处理子系统WSR-88D降水处理子系统（PPS）由五个主要算法子程序和两个外部支持功能块构成。五个子算法是：1）降水预处理；2）降水速率；3）降水累加；4）降水调整；5）降水产品。该算法包括46个可调（适配）参数。通过调整这些参数，可以适应局地气象条件。两个外部支持功能块是：1）降水检测；2）雨量计数据获取。这两个功能块独立于算法运行，为算法提供附加的重要输入信息。整个系统的框图如下图所示。降水检测功能块降水检测功能块（PDF）主要是确定在230km的范围内是否有降水发生，从而确定是否开始降水累积算法程序。有两个主要功能。一是确定雷达的扫描方式，另一个是确定降水处理子系统（PPS）的处理方式。第一类阈值确定是否变换体扫模态：PPS使用最低4个仰角的反射率因子数据计算降水。如果在上述4个仰角的任一仰角扫中，非地物回波的反射率因子超过一定的强度和面积阈值（可调参数，称做“显著降水”阈值或“第一类”阈值），PDF将自动地把雷达的扫描方式从“晴空”模变到“降水”模（如果已经在降水模态，则保持不变）。体扫间隔从10分钟减为5或6分钟，取样频率增加，从而改善降水估计。第二类阈值确定算法的处理方式：PDF使用另一组反射率因子强度和面积阈值（称作“小雨”阈值或“第二类”阈值）来确定PPS的处理方式。它们比第一类阈值小，对应PPS算法中能够分辨的降水强度的下限。如果第二类阈值被超过，则不论目前的扫描模态是“降水”还是“晴空”，PDF将指示PPS算法从一个初始的零值场开始累加降水。如果第二类阈值不被超过，则对应于没有降水，PPS将以一个简化的方式运行以大大减少计算机处理时间。如果PDF在1h期间没有检测到降水，则认为降水事件结束，风暴总降水产品被重新赋初值为零。同时，若当前体扫处在降水模态，可手动转换到晴空模态。雨量计数据获取功能块RPG内第二个PPS支持函数称为雨量计数据获取功能块（RGDAF）。它从一个外部雨量计数据支持（GDS）计算机接收“标准水文气象交换格式”的实时雨量计报告，并把这些数据存放到RPG上的雨量计数据库，提供给降水算法程序（PPS）使用。GDS计算机同时传送雨量计标号和位置以确定每个WSR-88D使用的雨量计网。在PDF没有检测到降水时，RGDAF处于休眠状态。一旦PDF检测到降水，RGDAF给外部GDS计算机传送一个唤醒电话，指示它开始给RPG传送实时雨量计报告。当PDF不再检测到降水，GDS计算机将从RGDAF接收到一条停止传送雨量计数据的讯息。降水算法子程序1：反射率因子预处理降水处理算法使用来自距雷达230km范围内分辨率为1km×1º的四个最低仰角（0.5º，1.5º，2.4º和3.4º）的基反射率因子作为输入（不依赖于VCP）。这个算法在第四个仰角扫描结束后开始执行。为得到较好的反射率因子值，在基本反射率因子数据中使用了五个质量控制步骤。1）雷达波束阻碍第一个质量控制步骤是纠正雷达波束的物理阻碍，否则将导致对降水的过低估计。如果对每个体积扫，雷达波束的阻碍低于60%，预置的dBZ值被添加到被部分阻碍的距离库中。如果超过60%的波束被阻碍，那么采取下列二种步骤之一：如果阻碍物的方位伸展是2或更小，则在相应仰角紧挨阻碍物的其它距离库上的平均值被指定为被阻碍物所阻碍的样本体积的距离库的值。如果阻碍物的方位伸展大于2，则不做修正，对那个扇面，将使用邻接的的较高仰角上的值。2）虚假的噪声和极端值在预处理算法中，第二和第三个质量控制纠正不真实的高反射率因子值，这些反射率因子具有异常高值但覆盖面积很小。它们是由于系统噪声或非气象目标（飞机、异常传播回波、或残留的地物回波）造成的虚假回波。这些反射率因子有二种类型：孤立的反射率因子和反射率因子极端值。孤立的反射率因子：第二个质量控制步骤搜索并矫正孤立的反射率因子。孤立反射率因子是一表明有降水的值，但距离库是在无降水的回波区域。这可能是虚假噪声或飞机飞过波束造成的。如果反射率因子的值大于最小临界值（一般为18dBZ）并且相邻样本中最多只有一个样本的值大于该临界值，则算法认为反射率因子的值是孤立的。一旦反射率因子的值被标记为孤立的，它将被赋为0dBZ。孤立的反射率因子值反射率因子极端值：第三个质量控制步骤是去除会造成降水过高估计的反射率因子极端值。这些极端值往往是由残留的固定地物回波或没有被抑制的异常传播回波造成的。极端值被定义为在可降水区域回波距离库内大大超过预计的回波强度。如果距离库中反射率因子的值超过了极端值的临界值（65dBZ），则此距离库就被标记为极端值。根据极端值周围的值，它将以二种方法被更改：a）如果所有8个相邻距离库的值都低于该临界值，则极端值用8个相邻值的平均来取代;b）如果周围的相邻距离库中也包含一个极端值，则此距离库将被赋予较低的dBZ值（7dBZ）。这一步骤不能消除所有的固定地物回波残留和异常传播回波，需要进一步的质量控制步骤。3）异常传播和倾斜测试第四个质量控制步骤是为了去除由异常传播造成的异常地物杂波。虽然在RDA中使用了杂波抑制，一般能消除大部分异常地物杂波，但需要进一步的质量控制以去除没有被抑制的杂波。根据气象目标回波反射率因子一般在垂直方向连续的规律，算法检查每个体积扫，以决定是否有特定百分率的在最低仰角的回波在下一个较高仰角不出现。这称为倾斜测试。通常，百分率设为75%，但它是可调的。如果距雷达40至150公里的环形面积内超过75%的最低仰角的回波在下一个较高仰角不出现，就认为从最低仰角的返回不是降水，丢弃最低仰角的数据，用下一个较高仰角的数据进行降水计算。7月2日01：124）波束高度随距离的改变混合扫描（hybridscan）：最后一个质量控制步骤试图矫正波束高度随距离的改变，尽可能使用在同一高度上的反射率因子值来计算降水。混合扫描是尽可能使用4个最低仰角的联合，使得使用的是最接近雷达高度以上1公里的反射率因子数据。缺省的混合扫描：对没有波束明显被阻碍的径向，3.4的反射率因子用在1到11nm（2-20公里）范围，2.4用在11到19nm（20-35公里），1.5用在19到27nm（35-50公里）范围。超过27nm（50公里），使用0.5或1.5角(96年以后只使用0.5仰角）。双扫描最大化（bi-scanmaximization）：超过50km（27nm）时，此技术选择最低2个仰角的较大反射率因子值（除非最低仰角在倾斜测试中被丢弃）。这主要是弥补波束障碍造成的对降水的过低估计，但同时带来亮带污染的问题。自96年起，双扫描最大化被取消。分区混合扫描（sectorizedhybridscan）：分区混合扫描是缺省混合扫描和波束障碍要求所定义的较高高度的联合。其结果对每个雷达站形成一个图形化的分区混合扫描“查询表”，如下图所示。考虑到地形和波束障碍的分区混合扫描降水算法子程序2：降水速率1）反射率因子转换为降水率由分区混合扫描，反射率因子数据用Z-R关系式转换成降水速率。降水速率算法的输入是由混合扫描产生的每个1×1km距离库的最好的低层反射率因子值。反射率因子数据用Z-R关系式转换成降水速率。缺省关系式是：Z=300R1.4对于热带性降水，关系式为：Z=250R1.2其中反射率因子的单位是mm6m-3，降水率R的单位是mmh-1。分辨率为1km×1的降水率被转换到2km×1的新分辨率上。这是通过将二个相邻的1km距离库上的降水率平均后放在相应的2km距离库上来得到的。2km×1代表了降水估计的最小空间尺度，在雷达估计降水的最远距离230km处为2km×4km，在中间距离（115km）处为2km×2km，在近处（20km）为2km×0.3km。2）冰雹污染的订正最大的