新一代多普勒天气雷达产品

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二零零二.二2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)34．9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hailH……………………………………………………..…(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)4一.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51．2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）。6三、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。71．3雷达产品生成单元雷达产品生成单元（RPG）是一