姬海斌，趙 琛

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣具有災(zāi)害性和危險(xiǎn)性，其范圍涵蓋了暴雨、颶風(fēng)、雷暴、龍卷風(fēng)等惡劣天氣，對(duì)人們的生活、工作、生產(chǎn)，乃至經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事活動(dòng)等，都會(huì)造成較為嚴(yán)重的影響，因此對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行及時(shí)、有效的探測(cè)和預(yù)警具有重要意義。作為先進(jìn)類型的雷達(dá)之一，多普勒天氣雷達(dá)從上個(gè)世紀(jì)60年代就開始使用，并經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展完善，其技術(shù)功能得到不斷的完善。該雷達(dá)適用于中小尺度的天氣系統(tǒng)，我國將其應(yīng)用于警戒強(qiáng)對(duì)流天氣，而如何應(yīng)用好這種雷達(dá)，為天氣預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等天氣服務(wù)工作，是目前氣象工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 強(qiáng)對(duì)流天氣的特征

強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生，同步出現(xiàn)的對(duì)流風(fēng)暴必不可免，后者可以說是強(qiáng)對(duì)流天氣的“始作俑者”。也就是說，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)，其首要前提是摸索對(duì)流風(fēng)暴的產(chǎn)生原因和發(fā)展規(guī)律。強(qiáng)對(duì)流天氣是強(qiáng)大對(duì)流系統(tǒng)的大氣環(huán)境產(chǎn)物，具有以下天氣特征。

1.1 對(duì)流單體發(fā)展特征

強(qiáng)對(duì)流天氣的制造者是對(duì)流風(fēng)暴，作為最簡(jiǎn)單的對(duì)流風(fēng)暴類型，對(duì)流單體在積云塔和積雨云系中，在周圍熱力與動(dòng)力環(huán)境的雙重影響下，對(duì)流單體的強(qiáng)弱、移動(dòng)方向和移動(dòng)速度都有明顯變化，不同階段有不同的發(fā)展特征。在第一個(gè)階段，稱之為塔狀積云階段，在局部暖空氣正浮力影響下，這個(gè)階段氣流上升，速度與高度成正比，平均速度為5m/s。上升氣流產(chǎn)生托力，降水粒子在不超出一定大小和濃度之前，不會(huì)降落到地面。在成熟階段，同時(shí)存在2種相反方向的垂直運(yùn)動(dòng)氣流，上部上升氣流發(fā)展到極限，在風(fēng)的作用下，云砧呈水平伸展?fàn)顟B(tài)，覆蓋范圍短則數(shù)十公里，長(zhǎng)則數(shù)百公里，中部氣流平衡，以穩(wěn)定上升的氣流、冷結(jié)冰狀態(tài)水體和其他水成物為主。在消散階段，降水滯留于對(duì)流云體內(nèi)部，暖濕空氣被切斷，導(dǎo)致對(duì)流單體回波強(qiáng)度減弱，最后消散。對(duì)流單體經(jīng)歷3個(gè)階段僅持續(xù)15～20 min，強(qiáng)對(duì)流天氣有數(shù)量不等的對(duì)流單體組成，因此其變化情況復(fù)雜。

1.2 局部環(huán)境條件影響特征

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的可能性，可從局部環(huán)境條件進(jìn)行判斷，其中包括強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的時(shí)間和區(qū)域，在局部環(huán)境條件影響特征中可找出蛛絲馬跡。通過雷達(dá)的監(jiān)測(cè)顯示，強(qiáng)對(duì)流天氣的回波特征，對(duì)應(yīng)局部環(huán)境的熱力穩(wěn)定度、上升氣流強(qiáng)度、垂直風(fēng)切變、水汽條件。上升氣流與高層空氣存在溫差，前者以暖濕特征，尤其是降雹等強(qiáng)對(duì)流天氣為主，溫差越明顯，不穩(wěn)定度就越大，所產(chǎn)生的對(duì)流云可作為強(qiáng)對(duì)流天氣潛在強(qiáng)度的重要參照指標(biāo)。除了氣塊的不穩(wěn)定，上升氣流強(qiáng)度的變化將產(chǎn)生不同程度的動(dòng)力效應(yīng)，成為影響強(qiáng)對(duì)流天氣上升運(yùn)動(dòng)的因子，上升氣流強(qiáng)度越大，表示將產(chǎn)生的天氣災(zāi)害越嚴(yán)重。另外，垂直風(fēng)切邊和水汽條件，也是佐證局部環(huán)境條件影響強(qiáng)對(duì)流天氣特征，譬如水平風(fēng)速大小、方向和云內(nèi)水分含量，都可作為判斷強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展程度的依據(jù)。

1.3 雷達(dá)反射率因子特征

強(qiáng)對(duì)流天氣的垂直風(fēng)切變方向變化，會(huì)產(chǎn)生單單體脈沖風(fēng)暴、多單體組合風(fēng)暴、超級(jí)單體風(fēng)暴，在雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中，會(huì)表現(xiàn)出雷達(dá)反射率因子特征，其中脈沖強(qiáng)風(fēng)暴特征是垂直風(fēng)切變不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較短的暴雨和冰雹，除了飛行要注意防范下?lián)舯┝?，?duì)地面不會(huì)產(chǎn)生比較大的災(zāi)害，雷達(dá)現(xiàn)實(shí)初始回波高度在6～9 km，強(qiáng)回波的中心值在50 dBz以上。雷達(dá)數(shù)值說明上升氣流強(qiáng)度的增強(qiáng)，屬于水分的積累區(qū)域，進(jìn)而會(huì)成為冰雹成長(zhǎng)的重要條件。

2 多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警方法

圍繞強(qiáng)對(duì)流天氣的天氣特征，利用多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)和預(yù)警，主要是為了明確強(qiáng)對(duì)流天氣的成因、影響范圍和危害性，為預(yù)防強(qiáng)對(duì)流天氣提供相應(yīng)的工作依據(jù)。

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的最基礎(chǔ)步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是分析處理雷達(dá)脈沖誤差，誤差的主因是強(qiáng)對(duì)流天氣由于環(huán)境復(fù)雜，地物雜波和低信噪比影響雷達(dá)資料分析，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。數(shù)據(jù)預(yù)處理方法為：在雷達(dá)測(cè)試區(qū)域內(nèi)，選擇具體多個(gè)點(diǎn)，利用雷達(dá)探測(cè)濾波中值，然后完成大小排序，九點(diǎn)區(qū)域中值濾波如圖1所示。

圖1 九點(diǎn)區(qū)域中值濾波

圖1中九點(diǎn)區(qū)域中值濾波虛線區(qū)域內(nèi)是中間值，是預(yù)處理數(shù)據(jù)的對(duì)象，其余雜亂的記錄點(diǎn)可去除。記錄時(shí)，視這9個(gè)點(diǎn)作為濾波區(qū)域，設(shè)定徑向單位距離N+1，記錄后的區(qū)域中值濾波是3×3平均徑向距離，取出9個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，形成誤差相對(duì)較小的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.2 多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的算法流程設(shè)計(jì)

識(shí)別、跟蹤和預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣，需要一套科學(xué)合理的算法流程，流程的設(shè)計(jì)以雷達(dá)預(yù)處理的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用多普勒天氣雷達(dá)所探測(cè)的資料，完成強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別算法，進(jìn)而衍生出有利于預(yù)防強(qiáng)對(duì)流天氣的天氣識(shí)別產(chǎn)品和跟蹤、預(yù)報(bào)產(chǎn)品。識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)，在雷達(dá)體掃描數(shù)據(jù)中，從最底層開始搜索一維徑向風(fēng)暴段和二維徑向風(fēng)暴段，形成循環(huán)方位和循環(huán)仰角，組成三維風(fēng)暴體，在體系排序流程中，按照權(quán)重排序，最后確定強(qiáng)對(duì)流天氣的可能區(qū)域產(chǎn)品和跟蹤臨時(shí)文件。首先是風(fēng)暴段的搜索，作為識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣的基礎(chǔ)，根據(jù)第i個(gè)反射率因子徑向，沿徑向從內(nèi)到外搜索風(fēng)暴段，判斷風(fēng)暴段是否有效，判斷沒效時(shí)，可即刻結(jié)束搜索；判斷有效時(shí)，計(jì)算風(fēng)暴段的特征值，記入第i個(gè)徑向風(fēng)暴段組，才能夠結(jié)束搜索，記入本層風(fēng)暴段組，結(jié)束本層搜索。風(fēng)暴段的搜索，判斷風(fēng)暴是否有效，主要視搜索結(jié)果的強(qiáng)度大小、分布長(zhǎng)度、分布連續(xù)程度。其次是合成風(fēng)暴分量，在同一仰角的風(fēng)暴段，按照順序選擇未合成風(fēng)暴分量的段，合成臨時(shí)風(fēng)暴分量組，判斷風(fēng)暴分量是否有效，如果有效，計(jì)算本風(fēng)暴分量特征值和記入本層風(fēng)暴分量數(shù)組，直至本層合成結(jié)束，最后記入本體掃描風(fēng)暴分量數(shù)組。在合成風(fēng)暴分量期間，根據(jù)相關(guān)方位角、長(zhǎng)度重疊情況，記入臨時(shí)風(fēng)暴段組，便于搜索下一風(fēng)暴段。再次是組成風(fēng)暴體，由低向高層搜索未組成的風(fēng)暴分量，按照順序搜索下一風(fēng)暴分量之前，判斷已完成搜索風(fēng)暴體的有效性，依次完成風(fēng)暴體特征值計(jì)算、本體掃描風(fēng)暴體數(shù)組記錄，按照體積由大到小排序并取值N個(gè)，完成風(fēng)暴體的組成探測(cè)。

根據(jù)算法步驟，在同一體積掃描范圍中，搜索仰角不同的風(fēng)暴分量，組成三維空間區(qū)域，三維風(fēng)暴體組成如圖2所示。

圖2 三維風(fēng)暴體組成

結(jié)合圖2分布狀況，分別設(shè)計(jì)好風(fēng)暴體組成閥值、風(fēng)暴體合成、有效風(fēng)暴體的特征量。

1)風(fēng)暴體組成閥值。重點(diǎn)確定風(fēng)暴風(fēng)量的水平距離最大值和有效風(fēng)暴體的最小體積，前者涉及到水平投影距離參數(shù)，整個(gè)參數(shù)必須大于水平距離的最大值，平均取值6.25 km左右。后者的風(fēng)暴體體積小于最小體積時(shí)，要重新分析風(fēng)暴體的反射率因子權(quán)重體積，否則超出有效范圍，意味著災(zāi)害性更大。

2)風(fēng)暴體合成?；谘鼋堑淖畹椭?，確定分量的PPI層，其他仰角開始的風(fēng)暴分量與毗鄰仰角層的風(fēng)暴分量展開比對(duì)，首先需要完成不同反射率權(quán)重水平距離的搜索，其中出現(xiàn)若干個(gè)風(fēng)暴分量，垂直于某個(gè)風(fēng)暴分量的情況，則要選擇水平距離最小的一個(gè)，方可結(jié)束搜索，并且在同個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，逐級(jí)搜索結(jié)果的風(fēng)暴體個(gè)數(shù)，僅保留發(fā)射率權(quán)重體積最大的風(fēng)暴體，視為有效風(fēng)暴體。

3)有效風(fēng)暴體的特征量。按照表1進(jìn)行區(qū)分。表中參數(shù)是風(fēng)暴體合成過程中，確定有效風(fēng)暴段的關(guān)鍵性參數(shù)，也是多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣慣用的數(shù)據(jù)分析方法。在以上參數(shù)應(yīng)用中，要根據(jù)雷達(dá)所在地域的氣候特征，選擇合適的發(fā)射率因子閥值，其中在距離多普勒天氣雷達(dá)較遠(yuǎn)的地方，由于探測(cè)波束呈扇形狀，寬度較大的位置沒有辦法填充整個(gè)照射體積，因此雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)度自然低于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，閥值也會(huì)小于平均值。針對(duì)這種情況，多普勒天氣雷達(dá)要考慮電磁波衰減的客觀情況，確定合理的方位距離，盡可能完善不同距離觀測(cè)資料，為雷達(dá)觀測(cè)的切向瓶頸，提高后續(xù)跟蹤效果。

表1 有效風(fēng)暴體特征量

2.3 多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的實(shí)現(xiàn)

強(qiáng)對(duì)流天氣的探測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)、識(shí)別是跟蹤的基礎(chǔ)，前者是通過掃描后，獲取不同時(shí)間長(zhǎng)度的空間資料，其識(shí)別效果，與多普勒天氣雷達(dá)的機(jī)械性能有關(guān)；跟蹤則是在識(shí)別基礎(chǔ)上，采集時(shí)間間隔的強(qiáng)對(duì)流天氣空間位置，這樣才有跟蹤的實(shí)際意義。多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的實(shí)現(xiàn)，務(wù)必保持觀測(cè)的連續(xù)性，主要是因?yàn)閺?qiáng)對(duì)流天氣的不穩(wěn)定性，雷達(dá)的機(jī)械跟蹤必然會(huì)隨著雷達(dá)機(jī)械性能穩(wěn)定性改變，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不同程度的波動(dòng)，因此要基本保證探測(cè)的連續(xù)性。為便于識(shí)別和跟蹤，每個(gè)數(shù)據(jù)的入口，都要給予大小排序的編號(hào)。

關(guān)于探測(cè)與預(yù)警的實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)中心跟蹤法是一種值得參考的方法。強(qiáng)中心跟蹤法，強(qiáng)調(diào)的是強(qiáng)對(duì)流天氣的運(yùn)動(dòng)矢量，可精準(zhǔn)估計(jì)強(qiáng)對(duì)流天氣的合并、分裂、新生和消亡。首先識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣的風(fēng)暴單體，確定是否是新生單體，通過計(jì)算，估計(jì)權(quán)重中心和計(jì)算t1時(shí)刻的風(fēng)暴與估計(jì)位置距離，以此判斷存在風(fēng)暴的數(shù)量，如果沒有風(fēng)暴數(shù)量，則會(huì)逐漸消亡或者合并。強(qiáng)中心跟蹤可以得出風(fēng)暴位置的信息，以此識(shí)別出風(fēng)暴的位置，以及不同時(shí)次風(fēng)暴的影響，利用跟蹤的結(jié)果，預(yù)報(bào)和修正風(fēng)暴的運(yùn)動(dòng)矢量。被識(shí)別的風(fēng)暴，不僅在空間區(qū)域內(nèi)存在相互關(guān)聯(lián)的練習(xí)，在時(shí)間范疇也在互相影響，譬如存在體積和強(qiáng)度等的相似點(diǎn)，可采用線性外推法，輔助補(bǔ)充多普勒天氣雷達(dá)的探測(cè)和預(yù)警。鑒于回波強(qiáng)度分布層次的不同，以高層、中層和低層顯示多普勒天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，形成上文所提到的三維結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)平面上配置以下的強(qiáng)對(duì)流天氣情況：一種是中等強(qiáng)垂直風(fēng)切邊環(huán)境中的非強(qiáng)對(duì)流天氣，這種天氣在平面位置上，回波分布基本處于重合狀態(tài)，其風(fēng)垂直切邊不明顯，而且上升的氣流速度較小，在低層的位置，形成了弱回波區(qū)。另外一種是中等到強(qiáng)垂直風(fēng)切邊環(huán)境中的強(qiáng)對(duì)流天氣，這種天氣是多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的重點(diǎn)，隨著上升速度的加快，所形成的上升氣流就越大，在達(dá)到頂峰值后，就會(huì)形成強(qiáng)對(duì)流天氣，此時(shí)雷達(dá)顯示結(jié)果中，只需要通過強(qiáng)度梯度區(qū)，在8 km高度位置，歸類為中層，回波伸長(zhǎng)強(qiáng)度20 dBz，隨著回落，低層形成弱回波分布特征，降水質(zhì)點(diǎn)也會(huì)被攜帶上升，天氣特征顯示出豐富水汽、凝結(jié)高度抬升、逆溫層發(fā)展維持等，其中降水的微粒，由大雨滴和冰雹組成，氣流下沉后，單體風(fēng)暴演變成強(qiáng)降水、大冰雹、龍卷等各種強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 結(jié)語

通過對(duì)多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣的分析，詳細(xì)掌握了強(qiáng)對(duì)流天氣的條件和特點(diǎn)，以及多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警的相關(guān)算法和實(shí)例驗(yàn)證思路。研究結(jié)果顯示，多普勒天氣雷達(dá)在立體結(jié)構(gòu)方面的搜索、合成以及強(qiáng)中心跟蹤識(shí)別是在對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的不斷修正后，分析雷達(dá)波速與距離增加后的影響關(guān)系所確定的三維分量，進(jìn)而界定強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展和影響程度等，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣探測(cè)和預(yù)警精準(zhǔn)度的提高，起到了非常明顯的協(xié)助作用，這也是本文研究的重要成果體現(xiàn)。