课件-讲座10-雷达、卫星测雨

6 基于雷达的临近预报技术
从国内外的发展趋势来看，短时预报技术主要是针对强风暴 和强降水( 雪) 等容易致灾的强对流天气开展研究的。这些 技术包括基于图形特征的雷暴识别追踪以及结合计算机图像 处理技术的临近外推预报及基于资料同化的短时数值预报等。
以雷达回波为主的临近外推预报，有两个因素影响预报的准 确性。其一是回波移速估计，另一个则是回波变化的估计。 无论矩形区域跟踪，或者不规则形状的回波区域跟踪，都是 假定所跟踪的对象线性移动，不仅导致预报位置的偏差，而 且降低了预报时效。 利用风暴生命史的概念模型控制回波变化，能在一定程度上 改善预报回波场。但是需要利用充足的样本来建立本地化的 风暴生命史概念模型。。
3 雷达测雨 雷达的分类
圆极化雷达。一般的气象雷达发射的是水 平极化波或垂直极化波，而圆极化雷达发射 的是圆极化波。雷达发射圆极化波时，球形 雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波， 而非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波会引 起退极化作用，利用非球形冰雹的退极化性 质的回波特征，圆极化雷达可用来识别风暴 中有无冰雹存在。 调频连续波雷达。它是一种探测边界层大 气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏度， 主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和 湍流（见大气边界层）。
6 基于雷达的临近预报技术
随着精细数值天气预报技术和计算机技术的发展，利用多普 勒天气雷达资料和其它中小尺度观测资料进行数值模式初始 化，来预报雷暴的发生、发展和消亡已经成为一个研究的热 点，该技术得益于雷达资料同化技术的发展和中尺度观测资 料的获取，发展很快。
ARPS(Advanced Regional Prediction)是美国Oklahoma大学 的风暴分析和预报中心（CAPS）研发的主要针对风暴尺度的非 静力高分辨率区域预报系统ARPS模式采用广义地形坐标系统 MM5（Mesoscale Model version 5）是PSU/NCAR研发的适用 于对热带风暴中纬度气旋锋面系统暴雨中尺度对流系统等重要天 气系统的非静力区域数值模式模式 RAMS模式 RAMS(Region Atmosphere Model System)是一 三维、非流体静力、可压缩区域大气模式。模式的动力框架是非 流体静力、原始方程中尺度模式， WRF大家都知道，不用介绍。
4 卫星测雨 星载测雨雷达 热带降水测量卫星测雨雷达（TRMMPR）是第一部星载测雨雷达。还有后继 产品，如TRMM-TMI 可见光，红外云图（降水云顶部） 微波探测器（较强穿透性，测雨） 最小可探测雨强0.7mm/h
基本处理：标定雷达回波强度，换算成 降水产品
4 卫星测雨 精度——瞬时值
雨量站网 估计降水分布 地区差异对比
甘肃省，55.5万km2，400个站点，山 洪灾害预警建设增加至4000个站点 江西，遂川江流域2845km2，雨量站96 个，其中45个长系列站。学者研究表明， 23~39个站可以满足当地不同时段测雨 精度的要求。
雷达 “测雨数据空间分布合理”
雷达 单个雷达的覆盖范围
2 测站、雷达、卫星 各自的产品
2 测站、雷达、卫星 各自的产品
2 测站、雷达、卫星 各自的产品
小结 站点、雷达、卫星
各有所长、各有所短 相互不可替代
3 雷达测雨 雷达的分类
凡是不具有多普勒性能的雷达称为非相干雷达或常 规气象雷达，具有多普勒性能的雷达称为相干雷达 或多普勒雷达。 主要的气象雷达有： 测云雷达。是用来探测未形成降水的云层高度、厚 度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25 厘米或0.86厘米。工作原理和测雨雷达相同，主要 用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时， 还能测出各层的高度。由于云粒子比降水粒子小， 测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比 较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云, 如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透，因而 只能用测雨雷达探测。
基于天气雷达探测和预报降水
短时预报一般是 0-12 h 的天气预报, 临近预报则是 0-3 h 的天气预报。雷暴、暴雨( 雪)、大风、冰雹等 严重灾害性天气大多由 25-250 km 的 β- 中尺度天气 系统所造成, 龙卷的尺度更小。
5 基于卫星遥感信息的邻近预报
5 小流域洪水灾害预警预报系统 的两种可选方案
4 卫星测雨 资料的获取
产品线很长
实时3B42RT
修正3B42V7
4 卫星测雨 资料的处理
下载的文件 *.Z
解压*.bin 或 *.hdf
自解释二进制文件
单个文件的处理有很多专用工具，hdfView等 多个文件批处理或在线实时处理（1年2920）
FORTRAN 头文件
MATLAB 外部函数库
3 雷达测雨 雷达的分类
测雨雷达。又称天气雷达，是利用雨滴、云状滴、 冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的 降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变，了解 天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局 部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等，并能 监视天气的变化。 测风雷达。用来探测高空不同大气层的水平风向、 风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达 的探测方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶 或应答器，不断对气球进行定位。根据气球单位时 间内的位移，就能定出不同大气层水平风向和风速。 在气球上同时挂有探空仪，遥测高空的气压、温度 和湿度。
3 雷达测雨 雷达的分类
双波长雷达和机载多普勒雷达等。 利用一个运动着的小天线来等效许多静 止的小天线所合成的一个大天线的合成 孔径雷达的新发展 双线偏振雷达除了能获得云中的强度信 息外还能获得云粒子的相态信息。因此， 双线偏振雷达可以帮助确定雨滴谱，并 有效地改善区域降雨量的测量和提高洪 水预报能力。
3 雷达测雨 雷达的分类
气象多普勒雷达。利用多普勒效应来测 量云和降水粒子相对于雷达的径向运动 速度的雷达。 甚高频和超高频多普勒雷达。利用对流 层、平流层大气折射率的不均匀结构和 中层大气自由电子的散射，探测1～100 公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅 直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定 层结和大气波动等的雷达。
VB6 函数库
VB.NET 函数库
小结 卫星测雨就是星载雷达测雨 自己的特点：范围大 固定的团队做硬件维护和wk.baidu.com件解译 使用上的“零成本”
5 雷达卫星测雨的三种境界
偏硬件
提高雷达扫描速度、提高实效 克服距离模糊和速度模糊的问题
偏数据统计分析
准确识别降水相态 提高雷达测量降水精度
小结 雷达的基础知识 雷达很“能”
但不是万能的
4 卫星测雨 星载测雨雷达产品 经过近50年的发展，基于可见光、红外 和微波等各类卫星传感器的降水反演算 法也逐渐发展成熟起来。 应用降水反演算法制成的3种主要全球 降水数据集，包括 热带雨林观测卫星（TRMM） 全球降水卫星制图（GSMaP） 全球降水气候项目（GPCP）数据集
3 雷达测雨 雷达的主要显示方式
3 雷达测雨 雷达的主要显示方式
3 雷达测雨 雷达的主要显示方式
3 雷达测雨 雷达的反射率因子气候特征：福建
3 雷达测雨 雷达测量的局限性
虚假回波与地物回波对识别的影响 遮蔽物对降水的遮掩 速度模糊与距离模糊 不同距离的最小回波强度不同 不同距离有不同的切向分辨率 不同位置、不同波长的雷达，探测结果 可能不同
2 测站、雷达、卫星 雷达的难言之隐
雷达：
缺乏历史资料 提高硬件的可靠性（12,5600km2） 研究把雷达回波转换为降雨量的方法 提高雷达测雨产品的精度 ……
2 测站、雷达、卫星 雷达的难言之隐
雷达：
2 测站、雷达、卫星 卫星的难言之隐
卫星：
研究把卫星遥测信号波转换为降雨量的 方法 提高卫星测雨产品的精度 缺乏历史资料（1997年之后） ……
雷达、卫星测雨技术与应用
河海大学
王加虎
雨量站网 估计降水分布 存在的困难和问题
成本问题。雨量计只能在点上精确测量降水， 降水是具有高度空间分布特性的物理量，因此， 一个雨量计所能代表的区域非常有限，要准确 测量一个流域上的降水分布必须布设非常稠密 的雨量站网； 系统维护。在人口稠密的发达地区，人员和技 术支持不成为问题，但在人烟稀少的地区尤其 是在上游山区，雨量站的维护相当困难； 质量效率问题。雨量站通常有人工站和自动站， 人工站的人为读数错误，自动站的数据传输错 误，以及将所有雨量站数据及时传送到区域水 情中心的时效等都是问题。（95%，公网）
6 基于雷达的临近预报技术
识别追踪和外推预报技术主要以雷达资料为基础，在这 方面，交叉相关外推和回波特征追踪识别外推是比较成 熟的技术，已经用于许多的临近预报业务系统中，其缺 陷是预报时效较短，准确率也不是很高。
概念模型预报技术主要是通过综合分析多种中小尺度观 测资料，包括雷达和气象卫星资料等，在此基础上建立 雷暴发生、发展和消亡的概念模型，特别是边界层辐合 线和强对流的密切关系等，再结合数值模式分析预报和 其它外推技术的结果，然后建立雷暴临近预报的专家系 统，其不但可以获取雷暴和对流降水移动、发展的信息， 还可以预报它们的生成和消亡。
3 雷达测雨 雷达的局限性——遮蔽物
3 雷达测雨 雷达的局限性——雷达位置差异
3 雷达测雨 雷达的局限性——雷达位置差异
雷达电磁波在降水和大气中的衰减情况不同，探测 的回波形态和强度也可能不同 架设高度的差异
厦门，150m，1km高的探测能力180km 长乐，648m，1km高的探测能力280km
4 卫星测雨 精度——月累计
4 卫星测雨 资料的获取 固定的团队做硬件维护和软件解译
TRMM 3B42 RT ftp://trmmopen.gsfc.nasa.gov TRMM 3B42 V6 http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/ datapool/TRMM/
3 雷达测雨 雷达的基本原理（略）
电磁波的发射与接收 雷达常用参数：工作频率、波长、发射功 率、天线增益…… 雷达的反射率因子 多普勒速度 雷达仰角 雷达方位角 大气折射 ……
3 雷达测雨 雷达的回波形态
片状（亮带） 回波——层状 云连续降水 块状（带状） 回波——对流 云连续降水 絮状回波—— 混合型降水
雷达 雷达群
卫星测雨 卫星测雨
2 测站、雷达、卫星 测站投资
2 测站、雷达、卫星 测站应急通讯
2 测站、雷达、卫星 雷达投资
2003年中国新一代多 普勒天气雷达
南京浦口的龙王山， 山上建10层楼高的塔， 塔上有一个12米的大 球，球内有直径10m 的天线，1300万。 成都，95米高的塔楼， 5700多万
2 测站、雷达、卫星 时空间分辨率比较，相互不可替代
站点：单点过程准确， 6h报，整点 1mm触发，闲事5mm加报 雷达：局地空间分布合理，R=460km 的圆形，但是<200km以内效果较好， 分辨率 1-4km2，5~6min 卫星： 大范围的空间分布合理，±50度 之间，0.25*0.25度， 约4000km2，3h 一幅数据
仰角的差异
……
3 雷达测雨 雷达资料的产品线
3 雷达测雨 雷达资料的获取和使用
雷达资料的获取 气象局网站有云图一类的影像数据
实时资料，签合同
国外的雷达数据即产品可以实时在线下载
FTP功能
3 雷达测雨 雷达资料的获取和使用
雷达数据的 格式 中国气象 局雷达通 用数据格 式（V1.2） 有代码用 于读取， 能够自由 实现雷达 产品显示 和二次处 理功能
山洪，从降雨到成灾，时间间隔是“分钟”
“雨量站群” ，是“重在免责”思路 有什么好办法呢？
办法一：老农敲锣 办法二：测量、估算、报警一体
办法二：雷达，做强降雨的邻近预报
6 基于雷达的临近预报技术
相对于降水测量，用雷达资料进行临近降水预 报的水平提高得较慢。
目前，临近预报技术主要包括雷暴识别追踪 和外推预报技术、分析观测资料为主的概念 模型预报技术以及数值预报技术等。