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1、天气雷达 V IL 产品的算法设计及应用郭泽勇 , 郑清 , 毛小燕 , 张阳生(阳江市气象局 , 广东阳江 529500 )摘 要 :介绍云体中在垂直方向上液态水总量 (V IL )的水平分布的数值图像产品 ,及天气雷达物理量产品中 V IL 产品的理论计算模式 ,通过 VB6. 0软件编写相应的算法 ,实现 V IL 的彩色显示 ,放大等功 能 。分析了 V IL 值产生误差的几种原因 。最后通过一次典型天气过程进行检测 ,结合阳江新一代天气 雷达 2007年的资料 ,将实时运算结果应用于阳江地区强对流天气的预警预报服务中 。结果表明 V IL 产 品对强对流天气的预警预报服务工作有很好的
2、辅助作用 。关键词 :大气探测 ; V IL 显示 ;垂直方向上液态水 ;闪电定位 ;阳江中图分类号 : P41文献标识码 : B文章编号 : 1007 - 6190 ( 2008 ) 03 - 0029 - 0320世纪 70年代初期 , Greene等人 1 - 2 提出了垂直积分液态含水量 ( ve rtica lly in tegra ted liqu id wa te r, V IL ) 的概 念之后 , Robe rt等人 3 利用 V IL 产品在强对流天气预报 、回波跟踪以及估测降水等领域作了深入的研究 。 80 年代 一些雷达气象学者进一步发展和完善了对 V IL 产品的应用
3、 ,如建 立 了 基 于 V IL 产 品 的 强 对 流 天 气 潜 势 ( seve re wea the r p robab ility, SW P)算法 ,并分析了该产品在不同季 节 、不同区域的应用情况 。80 年代末 ,随着美国的 W S -88D 多普勒雷达布网 , V IL 产品越来越被广泛地应用于风 暴定位 、强对流天气跟踪预报 、降水强度估测以及冰雹判别等领域 。V IL 产品提供了包含大量水凝物的云体中在垂直方 向上液态水总量的水平二维分布的数值图像产品 。由于 种种原因 ,目前 V IL 在广东各基层台站应用比较少 ,本文 将较为详细地介绍 V IL 产品的算法设计 ,
4、分析其误差产生的原因 ,并将实时运算结果应用于阳江地区强对流天气的预警预报服务中 。V IL = f云顶高 3. 44 10 - 3 Z4 / 7 dh,( 3 )云底高式中 h表示与 Z 数据样本相对应的云体内高度 。式( 3)为 V IL 产品的理论表达式 ,实际计算时只能应用实测 的体积扫描 三 维 回 波 强 度 数 据 进 行 离 散 求 和 , 这 样 , 式 ( 3)可改写为 :V IL = 3. 44 10 - 3 ( Z i + Z i + 1 ) 4 / 7h ,N - 1( 4 )i2i = 1式 ( 4)中 , Z i 为第 i层高度上的雷达反射因子 ,hi 为第 i层
5、和 i + 1之间的高度差 , N 为体积扫描的仰角总数 。 值得注意的是 , 在式 ( 3) 、( 4)中 , 高度 h、hi 的单位与 V IL 所采用的单位相互关联 , h、hi 以 m 为单位 ,则 V IL 的单位22为 g /m ;如果要求 V IL 用 kg /m 作为标准单位 ,则 h、hi 必2须以 km 为单位 。在这里采用习惯的标准单位 kg /m ,所以 hi 单位取 km。2 V IL 的实现流程1 )把每个仰角的极坐标形式转换成直角坐标 , 对于1 km 1 km、2 km 2 km 的区域 ,近距离可能有多个实测 资料点落在区域内 ,而远距离处有些区域又可能没有实
6、测资料 。为此 ,近距离采用平均值 ,远距离则先用线性内插法加以弥补后再求平均 。2 )将反射 率 因 子 的 单 位 由 常 用 的 dB z转 换 为 标 准 值 。3 )应用地球测高公式计算高度差 hi (hi = hi + 1 - hi为第 i、i + 1两高度层之间的垂直距离 ) 。4)计算第 i层 (即 ai 仰角 )的 PP I资料中位于某个底 面积的垂直柱体内的所有资料点的算术平均值 。这样重复计算所有垂直柱体内所有层次的算术平均值 。5 )应用式 ( 4 ) 分别计算每一个底面积的垂直柱体中 的 V IL ,从而得到整个探测区域的 V IL 分布 。1 V IL 的原理V I
7、L 产品反映降水云体中 ,在某一确定的底面积 (一 般为 1 km 1 km、2 km 2 km、4 km 4 km 3 种 )的垂直 柱体内液态水总量的分布图像产品 。利用天气雷达回波 信息来确定垂直方向上液态水的累计总含量 ,是以雷达 反射率因子 Z 与云中液态水含量 M (M 实际就是非气态水粒子云内空间分布的质量密度 , 气象上习惯称之为“液态水含量 ”)之间的数值统计关系 , 即所谓的 Z - M 4 关系 为基础 , 其关系式为 :Z = 2. 042 104M 1. 75 ,M = 3. 44 10 - 3 Z4 / 7 ,( 1 )( 2 )式 ( 1) 、( 2)中 M 为单
8、位体积云体中含有的液态水的总质 量 , 单 位 为 g /m3 ; Z 为 雷 达 反 射 率 因 子 , 单 位 为mm6 /m3 。V IL 定义为某底 面 积 的 垂 直 柱 体 内 总 的 含 水 量 , 所 以 :3 实例分析本程序用 16种颜色的彩色带 ,代表 V IL 的值 。图中 鼠标所指的方位和距离都能精确地显示出来 ,并且以该收稿日期 : 2007 - 09 - 30作者简介 :郭泽勇 ( 1982 年生 ) ,男 ,助理工程师 ,学士 ,主要从事雷达探测工作 。点为中心的周围小部分区域在程序界面的右下角得到 4倍的放大显示 ,以便能够清楚 、准确地读出该区域的位置 以及它
9、的 V IL 值 ,进而判断该区域的天气状况 。2007年 8 月 8日 19: 05合山机场遭到雷击 ,引起油罐燃烧 ,下面验 证 V IL 值的变化情况与这次天气过程的关系 。2007年 8月 8日 18: 05阳江地区的 V IL 显示 (图 1 ) ,合山方向的 V IL 值较小 。 18: 45 的 V IL 可以明显看出合 山镇局部地区的 V IL 值达到了 1015 kg /m2 (图 2 ) ,有的 达到 1525 kg /m2 , V IL 值的明显跃变预示着合山地区可 能有大到暴雨或雷雨大风的出现 。图 3是闪电定位仪 18: 05 测出的阳江合山方向的雷电图 ,此时该地区
10、出现的负闪相对较少 , 19: 00 北惯镇与合山镇的交界一带出现了大量的负闪 (图 4 ) ,与合山机场遭到雷击的时间相符 。当日由闪电定位系统计算出来的阳江市雷击频度日统计 (图 5) , 19: 00 的总回击数达到了当天的最大值 , 同 样与合山机场遭到雷击的时间相符 。可以明 显地看出 , 由 V IL 程序计算出来的结果与用闪电定位仪测出的实际 结果是相当吻合的 , 并且由该地区 V IL 值的跃变可以提 前预测天气变化 , 也间接论证了闪电发生密集的区域与 V IL 值较大的区域相对应的客观事实 ,证明了该产品在强对流天气的预警预报服务中有着很好的辅助作用 ,是一种很有效的预报手
11、段 5 - 15 。图 5 2007 年 8 月 8 日阳江市雷击频度日统计31第 3期郭泽勇等 :天气雷达 V IL 产品的算法设计及应用4 误差分析1)近距离处 ,雷达探测不到回波顶 ,使 V IL 值的估计 过低 。而在远距离处 ,最低仰角的底层的高度已经较高 ,与回波顶高度之间的厚度小于距离较近处的厚度 ,这将导致 V IL 值估计过低的现象 。2)地物杂波污染的影响 , 即由残余杂波和地表折射 (非正常传播 A P) 引起的回波导致 Z 值偏大 。观测时应 根据晴空时采集的相同仰角对应的地物回波强度值 ,采 用滤波器进行地物抵消 ,这样可以减少 V IL 值高估 。3)雷达波束受障碍
12、物屏蔽可能出现 V IL 值低估 。目前解决此问题的途径主要有两种 : 一是根据降水回波的 性质 ,若是均匀连续性降水 ,以障碍物屏蔽边缘部分的回 波形状特征来判断回波在屏蔽区中的发展情况 ; 若是非 均匀降水 ,应以回波强中心的所在位置及对流云体的一 般特征 、结构来判断回波在屏蔽区中的发展情况 ,进而弥 补雷达波束受障碍物屏蔽造成 V IL 值低估的情况 。二是采用雷达联网观测 , 可以互相弥补部分障碍物屏蔽区内的回波情况 ,使得 V IL 值接近真值 。4)湿的天线罩导致 V IL 值低估 。波束能量两次经过 湿的 天 线 罩 进 入 到 接 收 机 时 能 量 被 减 弱 , 引 起
13、Z 值 偏小 16 。5)由上面的讨论可以看出 , Z - M 的关系式是在雨滴 谱服从 M - P 分布假定下得到的 , 所以实际降水雨滴的易变性将导致 V IL 值产生误差 。用户最好根据不同降水分型 , 对同一类型降水的不同降水过程的 V IL 进行比较 ,以 便得到对本地有实际意义的判别指标 。6) V IL 是假设反射率因子 Z 都是由液态水粒子所贡 献的 ,实际上 ,有效照射体积内存在一些冰水混合物或者 冰晶等 ,使得 V IL 值 被 极 度 地 高 估 , 在 已 有 的 研 究 中 知道 ,影响回波强度的主要有地物杂波 、波束 填充系数 、天线罩 、云雨滴谱直径等 ,在众多因
14、子中除了散射粒子由液 态变为固态 ,而使粒子的后向散射特性由瑞利散射 17 转 为米散射时 ,对回波强度的影响迅速增大外 ,其它因子影 响都相对较小 。因此 ,由于冰晶或冰水混合物的存在 ,回 波强度迅速增大使得 V IL 计算结果出现跃增 ,这一跃增 特征是识别冰雹云的有效标志 。这也正是 V IL 产品能够用于探测冰雹的主要原因之一 。4 )对流云降水 V IL 变化范围很大 , 在对流较强处常出现比其周围数值大得多的区域 。在多普勒雷达速度图 上 ,此区域呈中小尺度气旋式切变 (辐合 ) 或逆风区 。暴 雨伴有冰雹的 V IL 数值也比较大 , 0 层上部对整层 V IL 的贡献达到 7
15、0% 80% 18 - 21 。参考文献 : 1 Greene D R , C la rk R A. A n ind icato r of exp lo sive deve lopm en t in severe sto rm R . 7 th Conf on Seve re Local Sto rm s, 1971: 97 -104. 2 Greene D R. A Comp a rison of echo p red ic tab ility con stan t e leva2 tion vs. V IL R ada r - data Pa ttern s R . 15 th Conf
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