1、中国雷达强天气预警信息质量控制与集成应用 孟昭林 季承荔 郭志梅 中国气象局气象探测中心 摘 要： 冰雹和龙卷等强对流天气容易产生严重气象灾害, 而雷达可以为强对流天气提供高时效的监测信息。针对当前雷达业务系统仅提供单站预警, 且强天气识别算法缺乏本地优化等问题, 研究了全国雷达预警信息组网集成技术, 为大范围监测中小尺度强对流天气提供及时高效的参考信息;通过对全国高空站 3 年 0层高度资料的统计分析表明, 雷达监测冰雹等算法的 0层高度应在 36km 范围动态调整, 提出了雷达强天气预警动态本地化等综合质量控制方法。通过质控前后统计分析表明, 质量控制可以有效降低雷达预警的虚警率, 虚警剔
2、除率可达到 95%以上;与雷电观测资料的检验结果显示, 质控后的雷达预警信息与雷电分布具有较好的契合度。将基于上述组网集成与质量控制的综合技术应用于2016 年 6 月 23 日盐城龙卷强天气监测, 取得了较好的应用效果。关键词： 天气雷达; 冰雹; 龙卷; 中气旋; 质量控制; 集成应用; 太阳高度; 作者简介：孟昭林, 男, 1960 年生, 正高工, 主要从事探测资料质量控制与应用工作;Email:Meng.Z作者简介：郭志梅, Email:收稿日期：2016 年 11 月 25 日基金：气象行业专项 (GYHY201506024) Quality Control and Integra
3、ted Application of Weather Radar Warning Information in ChinaMeng Zhaolin Ji Chengli Guo Zhimei Meteorological Observation Center, CMA; Abstract： Weather radar can provide early warning information of strong convective weather disasters such as hail and tornado.There are problems that radar provides
4、 only warning products on the site, and strong weather detection algorithms are not locally optimized.This paper studies the radar warning information integration technology to provide timely and efficient information for a wide range of strong convective weather.The statistical analysis of the 0lev
5、el height data of 3 years indicates that the 0level height should be adjusted dynamically in 3 to 5 km for the Hail Detection Algorithm, and a dynamic localization comprehensive quality control method is put forward.Through the statistical analysis before and after quality control, it is shown that
6、quality control can effectively reduce the false alarm rate of radar warning by more than 95%.The test results of lightning observation data show that the quality of radar warning information is better with the lightning distribution.Good application effectiveness is achieved in the 2016-6-23 Yanche
7、ng tornado disaster weather warning based on the network integration and the integrated application of quality control.Keyword： weather radar; hail; tornado; mesocyclone; quality control; integrated application; solar altitude; Received： 2016 年 11 月 25 日引言冰雹和龙卷等强对流天气容易产生严重气象灾害, 有效提高强对流天气监测预警能力, 是防灾减
8、灾的重要工作。多普勒天气雷达以其高时空分辨率等特性成为监测强对流天气的最有力探测工具之一。中国新一代天气雷达业务系统能够提供包括风暴追踪、冰雹指数、中尺度气旋和龙卷涡旋特征为代表的强对流天气监测预警 (简称:雷达预警) 信息, 相关监测识别算法是天气雷达软件系统中极具特色的功能。国外在算法上进行了大量研究工作, 美国 WSR-88D 雷达软件与数据处理方法, 为风暴识别、跟踪和预报提供了成功范例1。雷达预警从风暴系列算法中识别的三维风暴体结构出发, 分析风暴单体反射率因子、温度及高度的关系识别冰雹, 通过多普勒速度切变计算涡旋强度识别中尺度气旋和龙卷涡旋特征等, 自动识别算法在美国多年的业务运
9、行中显示了较强的雷达预警监测能力, 但在各种因子选取、阈值确定等方面也暴露出许多不足2-4。基于新一代天气雷达探测资料, 国内学者在冰雹识别算法效果检验方面做了很多卓有成效的工作。周金莲等应用湖北、山东、河南和重庆多部雷达监测到的致灾性强冰雹天气, 对强冰雹识别及最大冰雹直径监测产品进行了检验分析, 发现对 0层高度和-20层高度进行订正, 可显著提高雷达对强冰雹天气的监测预警能力5;郭晓超等分析了遵义雷达冰雹指数误差, 发现 0层高度、反射率垂直廓线和离雷达距离等因子对强冰雹概率 (POSH) 误差影响较大, -20层高度对其影响较小6。很多学者对冰雹等探测算法检验评估以及应用技术进行了研究
10、7-12尽管国内外已开展了很多雷达强天气预警能力方面研究, 中国新一代天气雷达业务系统也含有强天气监测产品, 但这些产品在日常业务中没有得到充分利用, 没有发挥多普勒天气雷达在强天气监测中的应有效益。原因主要是存在几个影响应用效果的关键问题: (1) 业务中大都局限于单部雷达应用, 面对全国近200 部雷达的巨大产品数量, 难于在实际业务中全部应用; (2) 由于业务规定等原因, 国家级层面得到的雷达预警信息有限; (3) 强天气识别算法缺乏有针对性的本地优化, 实际业务雷达常常只用默认参数, 存在虚警过多问题, 而强天气发生、发展及移动路径具有明显局地特征, 受自然地理条件影响很大。本文以提
11、高雷达强天气预警信息可用性为基本目标, 研究基于全国天气雷达单站产品的强天气预警信息获取及组网集成技术, 发挥雷达网大范围监测能力, 获取更全的雷达预警信息并实现组网集成, 提高应用效率;探索更具广泛适用性的雷达预警动态本地化等综合质量控制技术, 尽可能提高其可靠性, 减少虚警率;研究组网集成雷达预警信息的综合应用技术。1 资料来源与处理方法1.1 综合雷达预警信息获取天气雷达软件系统根据风暴检测算法 SCIT、冰雹监测算法 HDA、中尺度气旋监测算法 MDA 和龙卷监测算法 TDA, 分别生成单站的风暴追踪、冰雹指数、中尺度气旋和龙卷涡旋特征等雷达强对流天气预警产品。通过气象专用通信网传送至
12、国家气象信息中心, 再分发给中国气象局气象探测中心 (雷达资料处理中心) 等分析应用。气象探测中心加工处理形成雷达预警组网集成产品, 并结合全国雷达组网拼图数据和全国雷电监测数据等, 检验分析雷达预警信息的可靠性。虽然雷达站生成各种雷达预警产品, 由于天气雷达业务运行规定原因, 并未全部上传至雷达资料处理中心。为了获取更全的雷达预警信息, 应用日常业务能够确保传送的单站雷达组合反射率因子产品 (简称:组合反射率) , 其包含以风暴追踪信息为线索的综合预警信息, 从中获取更全的综合风暴信息, 具体内容包括:风暴标识 ID、相对雷达方位 AZ 与距离 Rng、移动方向 Dir 与速度 Spd、龙卷
13、涡旋特征 TVS、中尺度气旋 MESO、强冰雹概率 POSH、冰雹概率 POH、冰雹最大直径 Hmax、液态含水量 VIL、风暴最大反射率 (简称强回波) Rm 及其高度Hm、回波顶高 Top 等信息。主要分析处理了 20132016 年全国雷达单站组合反射率产品数据。1.2 全国雷达预警信息组网集成针对当前业务系统中雷达预警产品局限于单部雷达应用困难的问题, 雷达资料处理中心通过提取全国各站雷达组合反射率产品的综合风暴信息, 根据每个雷达预警相对于雷达站位置, 经过投影变换处理, 把雷达预警重新定位到经纬度坐标, 实现全国雷达预警信息的组网集成, 形成以 10min 为周期的全国雷达预警组网
14、集成产品, 发挥雷达探测网优势, 提高雷达预警信息的易用性。1.3 雷达预警信息质量控制为了对雷达预警信息进行质量控制和综合分析, 应用了气象探测中心加工处理的全国雷达组网拼图数据和全国雷电监测数据, 用以进行检验分析雷达预警信息;基于全国 120 个高空站 20132015 年探空资料, 统计分析了 0层高度日平均变化规律, 用于全国雷达预警集成信息质量控制。2 雷达预警质量控制方法针对雷达预警虚警率过高问题, 本文以提高雷达预警信息可靠性, 尽可能减少虚警率为目标, 在对雷达强天气预警信息国家级集成过程中, 进行一系列质量控制, 主要包括:雷达算法适用性检查、预警有效范围检查、冰雹概率检查
15、、回波顶高检查、回波顶高与强回波高度差检查、风暴移动速度检查、强回波 (最大反射率) 高度检查等。2.1 雷达预警算法适用性检查雷达监测预警算法包括冰雹监测算法 HDA、中尺度气旋监测算法 MDA 和龙卷监测算法 TDA。但不同型号雷达径向速度资料可用性存在很大差异, 对于SA、SB、CA 和 CB 型号雷达, 雷达监测预警算法全部适用。对于其它型号雷达, 仅保留冰雹监测预警算法检查, 其它预警类型有待进一步研究确定。不同型号的雷达有效探测范围有所差异, 因此根据雷达型号对其预警的有效范围进行了设置。2.2 风暴强回波高度差检查风暴强回波高度差是特指回波顶高与最强回波高度之差。通过大量监测事实
16、发现, 由于雷达预警监测算法存在缺陷, 有些孤立的强回波高度与回波顶高常常相同或十分接近, 而监测显示并没有冰雹等强对流天气发生。统计表明, 当强回波高度差大于 3km 时, 出现强对流天气的可能性显著增大。2.3 风暴移动速度检查强对流天气一个重要特征是移动速度快, 为此, 在雷达预警集成质量控制过程中, 设置风暴移动速度达到 10m/s 条件。该项检查不仅利用了强天气快速移动特性, 也作为检查异常传播条件, 有效避免超折射现象引起的监测错误。其带来的问题是会丢失新识别的雷达预警信息。2.4 雷达预警信息 0层高度质量控制在冰雹监测算法中, 0层和-20层高度非常重要, 特别是 0层高度,
17、需要根据实际环境变化进行调整, 但实际业务运行中雷达站常常仅用默认初始值, 通常分别设定约为 3km 和 6km, 个别雷达站调整为 5km 和 8km, 对冰雹监测算法等有很大影响。本文根据日平均 0层高度随正午太阳高度变化的规律, 动态调整强回波高度等参量进行本地化质量控制。0层高度通常与地理位置和季节变化相关, 一般可从探空资料获取。但在实际业务运行中, 有些雷达站建设地点偏远无法获得探空数据。本文统计分析了20132015 年全国 120 个探空站的 0层高度观测资料, 分析发现 0层高度与当地正午太阳高度角的正弦变化趋势一致 (图 1) 。因此, 采用雷达站当地正午太阳高度角的正弦来
18、控制调整 0层高度的变化, 从地理纬度和季节变化两方面对其进行优化, 减少雷达业务运行中因算法参数固定引起的误差, 虽然不能等同于实际天气条件, 但这种参数动态调整方法比实时调用探空资料等更具业务可操作性。当地每天正午太阳高度角的正弦 Hs计算公式如下:其中, 为太阳高度角; 为地理纬度; 为天文太阳赤纬角, 变化范围在23.45之间, 常用简化公式13进行计算, =-23.45cos360/365 (N+10) =23.45sin360/365 (N+284) , 当然也可用更高精度的计算方法14-15;N 是自 1 月 1 日起的年积日数, 1 月 1 日为 1;t 为太阳时角, 正午取值
19、为 0, 即只考虑年变化, 不考虑日变化影响。图 1 20132015 年北京站探空资料计算的平均 0层高度 (散点) 及正午太阳高度角的正弦 Hs (曲线) 的年积日变化 下载原图图 2 是 20132015 年不同纬度地区代表探空站 0层高度与 Hs的线性统计关系, 图中显示 0层高度在低纬度变化小, 在高纬度变化大, 相关性高纬度地区更好。图 2 不同纬度地区代表站 0层高度与正午太阳高度的正弦线性关系 下载原图与人工观测强对流天气出现 0层高度比较发现, H s值一般在 0.8 以上, 表 1是不同纬度代表站以及全国探空站 0层高度 (H 0) 与 Hs的线性关系, 可以看出出现强天气
20、时 0层高度, 全国 120 站高度范围在 3.75.2km 之间, 低纬度地区变化较小, 高纬度地区变化较大。说明单站强天气监测算法中, 按日统计全国各地 0层高度, 大致在 36km 区间调整, 而不应固定不变。表 1 0层高度 (H0) 与 Hs 综合线性分析表 下载原表 在单站强天气监测算法中, 本地化 0层高度 H0可以参考全国 120 站综合统计关系式进行每日动态调整。3 雷达预警信息质控效果初步分析雷达预警可靠性检验是个技术难题, 主要是因为雷达时空覆盖范围与人工观测差异很大, 缺少人工观测信息佐证。面向全国范围检查, 这里主要通过与人工观测个例简单比较说明, 并与同样是监测强天
21、气的雷电观测资料对比分析。3.1 雷达预警与人工观测个例比较以 2015 年 5 月 6 日的雷达冰雹预警信息为例, 全国雷达监测到强天气预警信息34300 余个, 经过质量控制后剩约 400 个, 剔除率超过 98%。这也反映了雷达预警监测算法确实存在虚警过多问题, 经过质控后, 虚警率显著降低。与人工观测冰雹相比, 雷达预警信息仍偏多, 这除了雷达预警监测算法和质控算法需要完善外, 雷达观测在 3 个方面有叠加效应, 从一个侧面体现了雷达预警监测的优势: (1) 在空间上, 雷达覆盖面远远大于人工观测站; (2) 在时间上, 雷达分钟级的预警监测信息, 频度远大于人工观测; (3) 雷达间
22、预警信息重叠, 这实际也提供了雷达间可靠性验证。图 3 (彩页) 是国家气象中心强天气监测预报一体化平台给出的 2015 年 5 月 6日雷达冰雹预警信息与人工观测冰雹及雷电发生位置对比, 图中显示雷达冰雹预警和人工观测冰雹对比在中北部地区和西南地区基本一致, 在东北地区雷达冰雹有漏报情况, 在华南地区雷达冰雹明显误报 (即虚警) ;雷达冰雹预警和雷电对比, 除东北地区外, 中北部、西南和华南地区都有很好的一致性。该日雷达冰雹监测预警情况具有典型的代表性, 质量控制后的雷达预警信息大都与雷电分布一致, 雷达预警基本能够反映可能有强对流天气发生情况, 但既有漏报, 也有误报。3.2 雷达预警与雷
23、电监测统计分析通过闪电定位信息对雷达监测预警进行间接检验, 利用两种不同探测原理监测的强天气信息相互检验, 这种检验只能确定有强对流天气发生, 不能具体确定是否发生冰雹等。综合比较表明, 雷达预警信息与雷电分布大都具有很好契合度。利用雷电探测信息检验雷达预警信息, 采用对每个识别的雷达预警信息, 计算1h 不同距离被雷电“击中次数”。表 2 统计分析了 20142015 年 1h 内雷达预警信息数, 以及在半径 5、15、25、35、45km 距离内, 雷电平均“击中”雷达预警次数, 可以看出各个距离内都有雷电发生, 平均情况具有一致性, 距离越大“击中”次数越多, 但 2014 年 38 月
24、和 2015 年 68 月 1h 平均击中次数差异很大, 2015 年雷达预警数量和雷电击中次数都比 2014 年少很多, 说明 2015年强对流天气偏少偏弱, 同时可以看出雷达预警和雷电发生具有一致性。但个别时段分析时, 发现雷达预警和雷电并不完全匹配, 可能是时空尺度不匹配以及探测的天气现象差异引起, 还需要进一步研究, 具体检验半径也还有待确定。表 2 20142015 年 1h 平均雷达预警数量与雷电击中次数 下载原表 4 雷达预警信息综合应用雷达探测网可以提供高时效雷达强对流天气预警信息, 由于强对流天气中小尺度特性, 在大尺度环境与相关观测信息综合应用, 更能发挥雷达预警信息的中小
25、尺度强对流天气警示作用, 为此中国气象局气象探测中心开发了气象探测检验分析系统 MOTAS, 在 3DGIS 环境中进行检验分析, 提供综合叠加检验和 3D 雷达云体构建能力16。实践表明, 雷达预警信息与雷达拼图、雷电分布以及 3D雷达云体图等进行综合可视化分析能够产生更好效果, 可通过其他观测信息匹配程度检验雷达预警信息可信性 (图 46, 彩页) 。2016 年 6 月 23 日在江苏盐城阜宁县发生强龙卷灾害天气过程, 当天质控前全国雷达监测预警信息数量为 71039, 龙卷预警数量为 1700, 质控后雷达预警信息数量为 440, 龙卷预警数量为 1, 剔除率大于 99%, 成功地监测
26、到此次龙卷天气过程, 取得了较好效果, 图 4 为 14:30 雷达组合反射率拼图及盐城雷达其后约 1h 监测的龙卷和中气旋移动路径, 图 5 为雷达预警信息与 3D 雷达云体 (10dBz 青色, 30dBz 红色) 及雷达组合反射率叠加, 30dBz 云体结构显示是一个很强的对流天气存在。图 6 为 2013 年 8 月 29 日的一次雷达冰雹预警与 1h 内闪电分布。从使用效果看, 雷达预警在我国东部地区具有较好参考意义, 高原地区质量控制算法还需要深入研究, 对于台风等风速特别强天气, 由于雷达速度模糊限制, 可能仍会导致龙卷和中气旋预警偏多。5 结论与问题雷达预警可以为冰雹等强对流天
27、气提供高时效监测信息, 雷达业务系统提供了单站雷达预警信息, 通过全国雷达预警信息组网集成, 质量控制可以获得更全的综合雷达预警信息, 为中小尺度强对流天气监测提供更有效的参考信息。(1) 应用单站雷达组合反射率产品, 获得了综合雷达预警信息, 规避了雷达业务运行规定不合理带来的信息不全问题。(2) 通过组网集成, 为大范围监测中小尺度强对流天气提供及时高效的参考信息, 相对单站产品易用性提高。(3) 对雷达预警信息进行按日计算 0层高度动态本地化等质量控制方法, 虚警剔除率达到 95%以上。通过对 3 年高空 0层高度统计分析表明, 雷达监测冰雹等算法的 0层高度应在 36km 范围调整。(
28、4) 雷达预警信息仍偏多, 特别是华南地区, 说明监测算法和质控算法还需要不断完善, 此外, 雷达预警存在空间上、时间上和雷达间覆盖重叠等叠加效应, 与人工观测比较偏多具有一定合理性, 这体现了天气雷达高时效和大覆盖特性。(5) 天气雷达对冰雹和龙卷等强天气不能直接探测, 通过监测算法得到的是冰雹指数、龙卷涡旋特征等信息, 对灾害性天气监测服务只能起到预警提醒作用。(6) 雷达预警信息质量控制效果, 目前仅是初步综合对比分析, 还需要在全国范围与人工等观测资料等进行大量统计检验分析, 进一步完善质量控制方法。图 3 2015 年 5 月 6 日中国雷达冰雹预警 (a) 、人工观测冰雹 (b)
29、及雷电 (c) 分布 下载原图图 4 2016-6-23 14:30 雷达拼图与盐城雷达监测龙卷和中气旋移动路径 下载原图(透明白色冰雹, 红色龙卷和黄色中气旋, 下同) 图 5 2016-6-23 14:30 雷达预警信息与盐城雷达 3D 云体 (10dBz 青色, 30dBz红色) 及雷达组合反射率 下载原图图 6 2013-8-29 01:00 雷达冰雹预警与闪电分布 下载原图参考文献1Rinehart R E.A pattern-recognition technique for use with convention weather radar to determine intern
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