降水序列算法在气象多普勒雷达中的应用

闫锦城，殷树旺，马 强，张 丹

（乌兰察布市气象局，内蒙古 乌兰察布 012000）

降水序列算法在气象多普勒雷达中的应用

闫锦城，殷树旺，马 强，张 丹

（乌兰察布市气象局，内蒙古 乌兰察布 012000）

气象雷达中的降水序列RPG采用数种气象算法，在基数据的基础上生成一系列降水产品，帮助气象工作人员对天气降水现象进行分析。RPG中的降水算法包括降水检测功能和降水处理功能。文章具体阐述两种功能在新一代天气雷达（CINRAD/CB波段）中如何进行应用。

降水算法；检测；处理；RPG

中国新一代天气雷达是采用相干体制的脉冲多普勒天气雷达，整个雷达系统由3部分构成：（1）雷达数据采集子系统（Radar Data Acquisition Subsystem，RDA）；（2）雷达产品生成子系统（Radar Product Generation Subsystem，RPG）；（3）主用户处理子系统（Primary User Processing Subsystem，PUP）。其中RPG中的降水序列产品涉及数种气象算法，应用于降水检测功能和降水处理功能。RPG降水产品包括1小时降水，3小时降水，风暴总降水等。降水量数据在气象水文等许多部门都有广泛的应用，如大面积实时降水量的短期或长期估算、大面积或小面积1小时降水量的估算等。

1 降水检测算法

降水检测算法的主要目的是判断一定范围内有无降水发生。

1.1 降水检测算法门限参数

算法检查几个指标：降水率门限、降水区域门限、杂波区域门限以及算法检测进行的仰角范围。在每个体扫规定的仰角范围上，反射率数据的密度和覆盖区域与这几个门限比较，如果让降水算法从非零降水值开始累加降水量，实际回波密度和区域应不小于降水量门限和区域门限（降水量区域门限和杂波区域门限之和）。

1.2 降水检测算法定义的降水类型

为区别降水的大小，算法中把降水分为3类：0，1，2。检测到某一类降水即表示体扫探测的数据超过了那一类降水所规定的各种门限。值得注意的是，降水类型对VCP有控制作用，在RDA远程控制模式下，它会引起RPG控制RDA在晴空或降水模式的VCP之间切换。

1.2.1 降水类型0

在过去的1小时内，在规定的雷达半径范围内没有检测到任何降水。当降水类型为0时，实际探测降水值没有超过任何一类降水的降水门限。如果雷达系统正使用晴空模式的体扫表，则它不会改变当前的体扫模式；否则，RDA远控状态下，系统会转而采用降水模式的体扫表。一旦指定当前的降水类型为0，系统会停留在降水类型0上至少1小时，在这个区间降水处理过程的降水量累计值为0。

1.2.2 降水类型1

在过去的1小时内，在规定的雷达半径范围内探测到强降水，可能小区域的大强度降水或大区域的小强度降水。当降水达到或超过降水类型1的门限时，系统指定当前降水类型为1。根据当前的体扫模式，可能出现以下两种情况：（1）如果系统正处于降水模式，降水算法会被唤醒并执行运算，雷达仍然使用当前的体扫模式；（2）如果系统正处于晴空模式，体扫会切换到降水模式（VCP21），并开始进行降水运算。其中降水类型1指过去的1小时内有较强的降水，在接下来的1小时内，即使没有探测到强降水，系统仍然停留在降水类型1的状态下。

1.2.3 降水类型2

在过去的1小时内，在规定的雷达半径范围内检测到弱降水，这类降水解释为离散范围内的较小降水或较大范围内强度很小的降水。当探测到降水类型2时，没有体扫模式的切换，但降水算法会被执行，在左右体扫模式下，包括晴空模式下，降水类型2都将使系统进行降水处理运算。

1.3 降水减弱时降水类型的变化

降水类型1表示最强的降水，一旦被指定，将会持续至少1小时。

1.3.1 降水类型1到降水类型2

在某种情况下，降水强度低于类型1的门限，达到了类型2的门限，1小时后系统将指定降水类型为2。指定为类型2时，UCP操作者可以将VCP切换到任何模式。

1.3.2 降水类型1到降水类型0

在某种情况下，降水强度低于类型1和2的门限，降水类型1在保持1小时后转变到降水类型0。指定为降水类型0时，UCP操作者可以切换到晴空模式运行。

1.4 晴空模式和降水模式探测

有些时候（如下雪），回波的反射率会小于5 DBZ。在这种情况下，如果雷达运行在VCP31或VCP32下，则可以显示较低的直到﹣28 DBZ的反射率值。为此，提高降水类型1的杂波门限，降低降水类型2的杂波门限，让降水的强度超过降水类型2的门限，但不超过降水类型1的门限。由于这是降水强度值超过类型2的门限而未超过类型1的门限，系统会指定当前的降水类型为2，于是雷达可以用体扫模式运行，可以在显示低反射率值的同时生成降水产品。

当探测某一指定区域，而该区域正处于降水过程中，这时使用上述方法也是很有效的。因为使用雷达敏感度较高的体扫表运转的同时，降水产品可以生成并分发给用户。

使用这种操作时需要注意，因为存在出现强风暴天气而体扫模式不能自动切换的可能性。当把降水类型1的杂波门限改大以后，风暴可能超过降水类型1的反射率门限但不达到区域门限，于是不能自由切换到降水模式下运行。

在异常传播发生时，若想到同时提高降水类型1和2的杂波区域，以此来使雷达保持在晴空模式下运行，这种方法是错误的。因为如果在RDA不进行抑制，回拨仍然可能被异常传播破坏，如果因为异常传播的原因导致系统进入降水类型1或者2，使用时应该在UCP上控制使用地物杂波抑制图来消除这种影响。

2 降水处理算法

对于降水处理过程，雷达只是间接接收降水率，进一步对降水量进行估算需要另外4个方法，分别是：降水预处理算法、降水率算法、降水累计算法和降水调整算法。

2.1 降水预处理算法

降水预处理算法对一定范围内的降水量进行估算，范围以外的不作处理。因为这个范围外降水误差增长得太快，以至于得到的产品数据严重失真。降水预处理算法采用最低4个仰角的反射率数据作为输入。

2.2 降水率算法

采用混合扫描的结果作为输入数据，根据Z-R关系将反射率数据转换成降水率数据。在这个过程中使用了两步质量控制：时间连续性测试和修正距离影响。

2.2.1 时间连续性检验

检查每个仰角之间的降水率的时间连续性。检查降水过程中降水率的增加或减少情况，当从一个体扫到另一个体扫的降水数据严重失真时，有可能舍弃整个体扫的数据。导致这种情况的原因是：雷达波束的异常传播，同频干扰，系统噪声，发射机发射功率不够稳定。如果体扫之间的整体降水量的变化超过门限规定，这个体扫的数据会被认为不可信而被丢弃。当相邻两个体扫之间的时间间隔超过15 min时，不会执行时间连续性检测。

2.2.2 修正距离影响

修正距离影响，即距离订正。使用这种方法可以修正由于远距离的信号减弱或数据填充不完整而引起的低估降水率的情况。距离订正使用以下的公式处理：

其中，R为降水率，单位为mm/h；r为距离，单位为km；系数a，b，c会因季节和站点的不同而变化。

2.3 降水累计算法

降水累计算法采用降水率算法的输出结果，生成体扫和小时降水累积。算法还同时检查越界的累积降水量和丢失的体扫数据。

2.3.1 体扫累积

体扫间降水累积用来生成风暴总降水，在降水类型1或2，风暴总降水产品会在每个体扫更新。

2.3.2 整点降水累积

整点降水累积用体扫间累积进行计算，有3种类型的整点降水累积：（1）当前体扫的小时结束累积。用于生成1小时降水产品，1小时降水是个不断更新的产品，更新周期是在降水模式下每5～6 min（即1个降水模式体扫时间）更新，在晴空模式下，每10 min（即1个晴空模式体扫时间）更新。（2）每小时结束累积。为生成3小时降水产品，需要持续3小时的降水量累积，3小时降水产品每个体扫都可以生成，但只在整点时更新。（3）雨量计累积时间的小时结束累积，这种数据用来计算雷达估算值和雨量计观测值之间的偏差。

[1]李社宏，吕东峰，杨银见，等.陕西多普勒天气雷达监测信息发布系统的开发与应用[J].陕西气象，2005（1）：31-32.

[2]张培昌.中国新一代天气雷达系统简介[J].山东气象，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

闫锦城（1969— ），男，北京。