降水序列算法在氣象多普勒雷達中的應用

閆錦城，殷樹旺，馬 強，張 丹

（烏蘭察布市氣象局，內蒙古 烏蘭察布 012000）

降水序列算法在氣象多普勒雷達中的應用

閆錦城，殷樹旺，馬 強，張 丹

（烏蘭察布市氣象局，內蒙古 烏蘭察布 012000）

氣象雷達中的降水序列RPG采用數種氣象算法，在基數據的基礎上生成一系列降水產品，幫助氣象工作人員對天氣降水現象進行分析。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（CINRAD/CB波段）中如何進行應用。

降水算法；檢測；處理；RPG

中國新一代天氣雷達是采用相干體制的脈沖多普勒天氣雷達，整個雷達系統由3部分構成：（1）雷達數據采集子系統（Radar Data Acquisition Subsystem，RDA）；（2）雷達產品生成子系統（Radar Product Generation Subsystem，RPG）；（3）主用戶處理子系統（Primary User Processing Subsystem，PUP）。其中RPG中的降水序列產品涉及數種氣象算法，應用于降水檢測功能和降水處理功能。RPG降水產品包括1小時降水，3小時降水，風暴總降水等。降水量數據在氣象水文等許多部門都有廣泛的應用，如大面積實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有無降水發生。

1.1 降水檢測算法門限參數

算法檢查幾個指標：降水率門限、降水區域門限、雜波區域門限以及算法檢測進行的仰角范圍。在每個體掃規定的仰角范圍上，反射率數據的密度和覆蓋區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，實際回波密度和區域應不小于降水量門限和區域門限（降水量區域門限和雜波區域門限之和）。

1.2 降水檢測算法定義的降水類型

為區別降水的大小，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據超過了那一類降水所規定的各種門限。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，在規定的雷達半徑范圍內沒有檢測到任何降水。當降水類型為0時，實際探測降水值沒有超過任何一類降水的降水門限。如果雷達系統正使用晴空模式的體掃表，則它不會改變當前的體掃模式；否則，RDA遠控狀態下，系統會轉而采用降水模式的體掃表。一旦指定當前的降水類型為0，系統會停留在降水類型0上至少1小時，在這個區間降水處理過程的降水量累計值為0。

1.2.2 降水類型1

在過去的1小時內，在規定的雷達半徑范圍內探測到強降水，可能小區域的大強度降水或大區域的小強度降水。當降水達到或超過降水類型1的門限時，系統指定當前降水類型為1。根據當前的體掃模式，可能出現以下兩種情況：（1）如果系統正處于降水模式，降水算法會被喚醒并執行運算，雷達仍然使用當前的體掃模式；（2）如果系統正處于晴空模式，體掃會切換到降水模式（VCP21），并開始進行降水運算。其中降水類型1指過去的1小時內有較強的降水，在接下來的1小時內，即使沒有探測到強降水，系統仍然停留在降水類型1的狀態下。

1.2.3 降水類型2

在過去的1小時內，在規定的雷達半徑范圍內檢測到弱降水，這類降水解釋為離散范圍內的較小降水或較大范圍內強度很小的降水。當探測到降水類型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都將使系統進行降水處理運算。

1.3 降水減弱時降水類型的變化

降水類型1表示最強的降水，一旦被指定，將會持續至少1小時。

1.3.1 降水類型1到降水類型2

在某種情況下，降水強度低于類型1的門限，達到了類型2的門限，1小時后系統將指定降水類型為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，降水強度低于類型1和2的門限，降水類型1在保持1小時后轉變到降水類型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，如果雷達運行在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。由于這是降水強度值超過類型2的門限而未超過類型1的門限，系統會指定當前的降水類型為2，于是雷達可以用體掃模式運行，可以在顯示低反射率值的同時生成降水產品。

當探測某一指定區域，而該區域正處于降水過程中，這時使用上述方法也是很有效的。因為使用雷達敏感度較高的體掃表運轉的同時，降水產品可以生成并分發給用戶。

使用這種操作時需要注意，因為存在出現強風暴天氣而體掃模式不能自動切換的可能性。當把降水類型1的雜波門限改大以后，風暴可能超過降水類型1的反射率門限但不達到區域門限，于是不能自由切換到降水模式下運行。

在異常傳播發生時，若想到同時提高降水類型1和2的雜波區域，以此來使雷達保持在晴空模式下運行，這種方法是錯誤的。因為如果在RDA不進行抑制，回撥仍然可能被異常傳播破壞，如果因為異常傳播的原因導致系統進入降水類型1或者2，使用時應該在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，雷達只是間接接收降水率，進一步對降水量進行估算需要另外4個方法，分別是：降水預處理算法、降水率算法、降水累計算法和降水調整算法。

2.1 降水預處理算法

降水預處理算法對一定范圍內的降水量進行估算，范圍以外的不作處理。因為這個范圍外降水誤差增長得太快，以至于得到的產品數據嚴重失真。降水預處理算法采用最低4個仰角的反射率數據作為輸入。

2.2 降水率算法

采用混合掃描的結果作為輸入數據，根據Z-R關系將反射率數據轉換成降水率數據。在這個過程中使用了兩步質量控制：時間連續性測試和修正距離影響。

2.2.1 時間連續性檢驗

檢查每個仰角之間的降水率的時間連續性。檢查降水過程中降水率的增加或減少情況，當從一個體掃到另一個體掃的降水數據嚴重失真時，有可能舍棄整個體掃的數據。導致這種情況的原因是：雷達波束的異常傳播，同頻干擾，系統噪聲，發射機發射功率不夠穩定。如果體掃之間的整體降水量的變化超過門限規定，這個體掃的數據會被認為不可信而被丟棄。當相鄰兩個體掃之間的時間間隔超過15 min時，不會執行時間連續性檢測。

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距離的信號減弱或數據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a，b，c會因季節和站點的不同而變化。

2.3 降水累計算法

降水累計算法采用降水率算法的輸出結果，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據。

2.3.1 體掃累積

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

2.3.2 整點降水累積

整點降水累積用體掃間累積進行計算，有3種類型的整點降水累積：（1）當前體掃的小時結束累積。用于生成1小時降水產品，1小時降水是個不斷更新的產品，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）每小時結束累積。為生成3小時降水產品，需要持續3小時的降水量累積，3小時降水產品每個體掃都可以生成，但只在整點時更新。（3）雨量計累積時間的小時結束累積，這種數據用來計算雷達估算值和雨量計觀測值之間的偏差。

[1]李社宏，呂東峰，楊銀見，等.陜西多普勒天氣雷達監測信息發布系統的開發與應用[J].陜西氣象，2005（1）：31-32.

[2]張培昌.中國新一代天氣雷達系統簡介[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。