基于雷達(dá)產(chǎn)品閾值與聞雷半徑的雷暴過(guò)程判別

孟蕾 廖玉芳 湯亦豪

(1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，長(zhǎng)沙 410125；2 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；3 湖南省氣象科學(xué)研究所，長(zhǎng)沙 410118；4 湖南省氣候中心，長(zhǎng)沙 410118)

引言

我國(guó)2013年后取消了雷暴人工觀測(cè)[1],目前在雷暴觀測(cè)及預(yù)警方面主要使用閃電、雷達(dá)、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤等[2]，新儀器新設(shè)備的運(yùn)用提高了雷暴觀測(cè)的準(zhǔn)確性和效率[3]，有效提高了雷暴預(yù)報(bào)預(yù)警的精細(xì)化水平。除了氣象臺(tái)站日常預(yù)報(bào)預(yù)警方面的應(yīng)用，新儀器新設(shè)備獲得的高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)還為氣象部門(mén)作氣候背景分析、雷暴風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、氣象服務(wù)等工作提供有力支撐。

由于閃電與雷暴系統(tǒng)關(guān)系密切，眾多學(xué)者利用閃電定位數(shù)據(jù)分析雷暴活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、移動(dòng)距離等特征及其與地形的關(guān)系。王婷波等[4]利用國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的云-地閃定位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)四川盆地西麓與珠江三角洲地區(qū)明顯呈現(xiàn)出隨地形抬升而導(dǎo)致雷暴觸發(fā)的情況。劉雪濤等[5]，張祎等[6]基于不同地理環(huán)境討論了雷暴活動(dòng)與地理參數(shù)的相關(guān)性，后者更加詳細(xì)地分析了海拔、坡度、坡向等對(duì)該地區(qū)地閃的影響。相比于閃電定位儀，雷達(dá)一直是主要的雷暴監(jiān)測(cè)預(yù)警工具[7]，劉維成等[8]分析高原東北側(cè)夏季對(duì)流性降水的雷達(dá)回波與雷暴活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了較好的雷暴預(yù)警方案。王麗榮等[9]、張玉潔等[10]則利用雷達(dá)資料對(duì)強(qiáng)雷暴系統(tǒng)引發(fā)的災(zāi)害性天氣進(jìn)行較好的追蹤和分析。雷達(dá)的時(shí)空分辨率較高，不僅能分析出雷暴的主要移動(dòng)路徑，還能對(duì)雷暴的走向進(jìn)行預(yù)判。這些精細(xì)化的研究主要基于閃電定位儀、多普勒雷達(dá)的高時(shí)空分辨率，但這些新設(shè)備的業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，其獲得的數(shù)據(jù)暫時(shí)無(wú)法用于研究氣候特征，通過(guò)與人工觀測(cè)進(jìn)行比對(duì)則能更好地延續(xù)歷史數(shù)據(jù)。因此有眾多學(xué)者著力對(duì)比研究新儀器新設(shè)備雷暴產(chǎn)品與人工觀測(cè)之間的關(guān)聯(lián)性。鐘穎穎等[11]利用閃電定位資料與目測(cè)雷暴日進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為兩種資料之間有較好的一致性?；襞鏂|等[3]、張堅(jiān)等[12]將閃電定位儀數(shù)據(jù)與雷暴人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，認(rèn)為等效觀測(cè)半徑為12～13 km時(shí)，兩者的觀測(cè)結(jié)果較為接近。這說(shuō)明閃電定位數(shù)據(jù)延續(xù)雷暴人工觀測(cè)記錄有很強(qiáng)的可行性，但要注意人工觀測(cè)過(guò)程中受人耳聽(tīng)力范圍限制，閃電與聞雷的比對(duì)必須要考慮聞雷范圍。同時(shí)，利用雷達(dá)進(jìn)行雷暴識(shí)別、跟蹤和預(yù)警的方法雖然有多種[13]，但這些方法往往要事先輸入識(shí)別雷暴系統(tǒng)的閾值，才能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別與跟蹤。現(xiàn)有的眾多研究中往往采用通用閾值，但實(shí)際上閾值是因地而異的[14]，不同地區(qū)需要結(jié)合本地的多普勒天氣雷達(dá)資料進(jìn)行計(jì)算。

有研究人員分析多個(gè)雷暴個(gè)例資料，利用統(tǒng)計(jì)方法得到相關(guān)閾值[2]，但所選個(gè)例有限，閾值的確定需要更加大量的雷達(dá)資料[15]計(jì)算，應(yīng)用于業(yè)務(wù)則需要更加自動(dòng)化的判定方法。本研究基于大量的雷暴人工觀測(cè)資料與雷達(dá)產(chǎn)品計(jì)算相關(guān)閾值，由前人研究可知，將雷暴人工觀測(cè)資料納入對(duì)比時(shí)需考慮到觀測(cè)員的聞雷范圍，因此將同時(shí)考慮聞雷過(guò)程的雷達(dá)產(chǎn)品閾值和聞雷半徑的判定，計(jì)算得到的結(jié)果既可用于雷暴識(shí)別、跟蹤系統(tǒng)的閾值預(yù)設(shè)，也可延續(xù)人工觀測(cè)的雷暴日判別，并作為精細(xì)化分析雷暴氣候特征的基礎(chǔ)。雖然需要利用較長(zhǎng)時(shí)間序列的雷達(dá)產(chǎn)品資料，但所用資料種類(lèi)較少，算法原理較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化分析，可提供給基層臺(tái)站根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況開(kāi)展閾值研究并應(yīng)用于業(yè)務(wù)實(shí)踐。

1 資料處理及方法

1.1 雷暴人工觀測(cè)資料預(yù)處理

根據(jù)地面觀測(cè)規(guī)范[16]要求，雷暴人工觀測(cè)記錄觀測(cè)員聞雷的起止時(shí)間和起止方位，以觀測(cè)員聞雷間隔時(shí)間不超過(guò)15 min記為同一場(chǎng)雷暴，間隔時(shí)間超過(guò)15 min記為另一場(chǎng)雷暴。觀測(cè)記錄以20:00為一天的分界，當(dāng)一場(chǎng)雷暴始于20:00之前，止于20:00之后，則記錄中分為2段記錄。在本研究中規(guī)定：若聞雷始于20:00之前，止于20:00之后，但不超過(guò)次日00:00，則將該場(chǎng)雷暴記為20:00之前所對(duì)應(yīng)日期當(dāng)天的雷暴，記當(dāng)天為1個(gè)雷暴日;若始于20:00之前且止于次日00:00之后，則將該場(chǎng)雷暴記為20:00之前所對(duì)應(yīng)日期的雷暴，但將當(dāng)日和次日均記1個(gè)雷暴日。

1.2 雷達(dá)產(chǎn)品資料預(yù)處理

利用中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的三維組網(wǎng)拼圖軟件[17]將雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系下的雷達(dá)產(chǎn)品格點(diǎn)數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.01°×0.01°(約1 km×1 km)，高度分辨率為0.5 km，雷達(dá)產(chǎn)品包括基本反射率，組合反射率、回波頂、垂直累積液態(tài)水等。

考慮到觀測(cè)員對(duì)于聞雷起始時(shí)間和終止時(shí)間的記錄為北京時(shí)，而雷達(dá)基數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間為世界時(shí)，每隔6 min生成1個(gè)文件，兩者的時(shí)間在分鐘量級(jí)上無(wú)法做到完全對(duì)應(yīng)，因此將觀測(cè)員的記錄時(shí)間轉(zhuǎn)換為世界時(shí)，選擇聞雷起止時(shí)間前后6 min內(nèi)與聞雷時(shí)間最接近的雷達(dá)產(chǎn)品文件為對(duì)應(yīng)聞雷起止時(shí)間的雷達(dá)數(shù)據(jù)。

1.3 匹配率模型構(gòu)建

首先定義雷暴發(fā)生過(guò)程中，以氣象觀測(cè)站所在位置為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)為觀測(cè)員能聞雷的范圍，為聞雷圓周，R為聞雷半徑，給定一組聞雷半徑嘗試值，稱(chēng)為嘗試半徑Ri(圖1)。即

Ri=R0+iΔRi=1,2,3,…,n

(1)

式中,R0為聞雷半徑初始值，ΔR為嘗試半徑的取值間隔，n為嘗試半徑個(gè)數(shù)。

根據(jù)已有研究設(shè)定一組雷暴過(guò)程中雷達(dá)產(chǎn)品閾值的嘗試值，稱(chēng)為嘗試閾值Th，假設(shè)雷暴過(guò)程中，雷達(dá)產(chǎn)品取值在嘗試閾值Th之上，能在半徑為R的聞雷圓周內(nèi)聽(tīng)到雷聲。

Thi=Th0+iΔThi=1,2,3,…,m

(2)

式中,Thi為第i個(gè)嘗試閾值，Th0為閾值初始值，ΔTh為嘗試閾值的取值間隔，m為嘗試閾值個(gè)數(shù)。

圖1 聞雷圓周示意

選取多個(gè)雷暴人工觀測(cè)記錄樣本，通過(guò)多次迭代的方式得到雷達(dá)產(chǎn)品在不同嘗試閾值和不同嘗試半徑條件下與觀測(cè)員聞雷記錄相對(duì)應(yīng)的“匹配率”。此時(shí)的“匹配率”為1個(gè)m×n的矩陣P，pi,j(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)表示雷暴過(guò)程中雷達(dá)產(chǎn)品取值≥Thi，聞雷半徑為Rj時(shí)觀測(cè)員聞雷的雷暴樣本比所有雷暴樣本的百分率。矩陣的行表示在給定嘗試閾值下，匹配率隨嘗試半徑的增加而變化，矩陣的列表示為在給定嘗試半徑下，匹配率隨嘗試閾值的增加而變化。

(3)

根據(jù)匹配率矩陣畫(huà)出給定嘗試閾值(嘗試半徑)情況下，匹配率隨嘗試半徑(嘗試閾值)變化的一組折線，稱(chēng)為閾值折線(圖2a)和半徑折線(圖2b)。圖2a中每條折線的拐點(diǎn)(qThk,k=1,2,…,n)對(duì)應(yīng)的嘗試閾值Thqk(k=1,2,…,n)判定為最終閾值的取值范圍[min(Thq1,Thqn)，max(Thq1,Thqn)，稱(chēng)為待定閾值;圖2b中每條折線的拐點(diǎn)(qRk,k=1,2,…,m)對(duì)應(yīng)的嘗試半徑Rqk(k=1,2,…,m)判定為最優(yōu)半徑的取值范圍[min(Rq1,Rqm)，max(Rq1,Rqm)]，稱(chēng)為待定半徑，作為最終確定產(chǎn)品閾值和最優(yōu)聞雷半徑的取值范圍。當(dāng)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)時(shí)，表明取高于拐點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的雷達(dá)產(chǎn)品值(聞雷半徑值)作為閾值(最優(yōu)半徑)時(shí)，觀測(cè)員聞雷的百分率迅速降低，說(shuō)明大部分雷暴人工觀測(cè)記錄樣本中雷達(dá)產(chǎn)品取值(聞雷半徑取值)無(wú)需高于該拐點(diǎn)所在位置即可聞雷，圖中有多條折線有多個(gè)拐點(diǎn)位置，這些拐點(diǎn)位置即為最終確定的閾值取值參考范圍。

1.4 匹配率折線拐點(diǎn)的計(jì)算方法

(4)

(5)

累積距平的最大值或最小值對(duì)應(yīng)的位置就是匹配率折線的拐點(diǎn)位置。

1.5 最優(yōu)聞雷半徑和閾值的確定

利用累積距平方法得到閾值折線和半徑折線中不同匹配率折線的拐點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的待定閾值和待定半徑，根據(jù)待定閾值取值范圍[min(Thq1,Thqn)，max(Thq1,Thqn)]查找出相應(yīng)的嘗試半徑取值，若此時(shí)嘗試半徑取值相同，則確定該嘗試半徑取值即為最優(yōu)聞雷半徑，小于等于最優(yōu)聞雷半徑的聞雷圓周內(nèi)對(duì)應(yīng)的最低嘗試閾值為最終確定的產(chǎn)品閾值；若此時(shí)嘗試半徑取值出現(xiàn)不同的值，則在匹配率矩陣中查找此時(shí)與待定閾值相對(duì)應(yīng)的匹配率最高的嘗試半徑作為最優(yōu)聞雷半徑，再取小于等于最優(yōu)聞雷半徑的聞雷圓周內(nèi)對(duì)應(yīng)的最低嘗試閾值為最終確定的產(chǎn)品閾值。

1.6 回波面積閾值計(jì)算

雷達(dá)產(chǎn)品閾值和最優(yōu)聞雷半徑是基于觀測(cè)員聞雷過(guò)程所得到的，聞雷是雷暴存在的充分條件而非必要條件，因此通過(guò)計(jì)算匹配率得到的閾值和聞雷半徑，直接用于判別雷暴日有可能出現(xiàn)虛警率較高的情況。研究[19-20]表明雷達(dá)對(duì)于雷暴系統(tǒng)的識(shí)別還與回波面積有關(guān)系，為進(jìn)一步降低虛警率，還需計(jì)算回波面積閾值:選定數(shù)據(jù)樣本后，當(dāng)聞雷過(guò)程中雷達(dá)產(chǎn)品取值大于閾值，且其位置在最優(yōu)聞雷圓周內(nèi)的，則記下聞雷圓周內(nèi)大于閾值的回波面積S，分析聞雷期間S的分位值，選取S的25%分位值作為回波面積閾值。

1.7 檢驗(yàn)方法

隨機(jī)選取一段時(shí)間的連續(xù)雷達(dá)產(chǎn)品為樣本，當(dāng)雷達(dá)產(chǎn)品取值大于閾值，其位置在最優(yōu)聞雷圓周以?xún)?nèi)，并且回波面積大于等于回波面積閾值，則記下出現(xiàn)的時(shí)間，時(shí)間精確到日，記為產(chǎn)品雷暴日，與同時(shí)段的雷暴人工觀測(cè)雷暴日進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算成功預(yù)警率和臨界成功指數(shù)[21]。

2 實(shí)例分析

選取2009—2011年雷暴人工觀測(cè)記錄和雷達(dá)組合反射率資料進(jìn)行對(duì)比分析。雷暴人工觀測(cè)記錄來(lái)自于湖南省氣象信息中心提供的觀測(cè)資料，由常德國(guó)家氣象觀測(cè)站觀測(cè)人員記錄。常德國(guó)家氣象觀測(cè)站位于111.6764°E，29.1169°N，2009—2011年間未有搬遷。雷達(dá)組合反射率資料來(lái)源于湖南常德新一代SB型多普勒天氣雷達(dá)，雷達(dá)站位于111.71°E，29.18°N，海拔高度579.5 m。

根據(jù)常德觀測(cè)站記錄的雷暴場(chǎng)次檢索出相應(yīng)常德站雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料，利用三維組網(wǎng)拼圖軟件將雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系下的組合反射率格點(diǎn)數(shù)據(jù)。組合反射率是指在1個(gè)體積掃描中，將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上的產(chǎn)品[21]。

檢索出有雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料的雷暴過(guò)程共有77場(chǎng)，每場(chǎng)雷暴有人工觀測(cè)記錄的聞雷開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，因此可利用的時(shí)間數(shù)據(jù)樣本有154個(gè)，利用這些時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的前后6 min內(nèi)最接近聞雷起止時(shí)間的雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品構(gòu)建匹配率模型。

設(shè)定組合反射率的嘗試閾值范圍為30～50 dBz，初始值為30 dBz，間隔為0.5 dBz。聞雷嘗試半徑范圍為5～100 km，初始值為5 km，間隔為5 km。

2.1 匹配率模型分析

如圖3所示，不同的嘗試半徑對(duì)應(yīng)的匹配率折線有所不同，但都出現(xiàn)了拐點(diǎn)。圖3a顯示，當(dāng)組合反射率嘗試閾值低于拐點(diǎn)位置時(shí)，匹配率下降緩慢，高于拐點(diǎn)位置時(shí)，匹配率下降速度增加，說(shuō)明此時(shí)嘗試閾值取值偏高，組合反射率未達(dá)到該取值,但已聞雷的樣本增加迅速，拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位置即為待定閾值。同時(shí)，隨著嘗試半徑越來(lái)越大，折線分布越來(lái)越密集，圖3b也顯示不同嘗試閾值的匹配率隨聞雷半徑變化的趨勢(shì)明顯出現(xiàn)了拐點(diǎn)，表明當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)，聞雷半徑的增加對(duì)于匹配率的增加貢獻(xiàn)很小。

圖3 2009—2011年常德人工與雷達(dá)產(chǎn)品觀測(cè)雷暴匹配率隨組合反射率嘗試閾值(a)和嘗試半徑(b)的變化

通過(guò)進(jìn)一步分析不同嘗試半徑、不同嘗試閾值對(duì)應(yīng)的匹配率發(fā)現(xiàn)，在同樣的匹配率邊界條件下，嘗試閾值隨著聞雷半徑的增加而增加，但在超過(guò)一定嘗試半徑后，嘗試閾值隨半徑增加的速度迅速減小。在給定的匹配率邊界條件下，嘗試半徑與嘗試閾值的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，在90%的匹配率邊界條件下，擬合得到的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Th=-65.34R-0.597+46.77

(6)

此關(guān)系式擬合系數(shù)達(dá)到0.96，說(shuō)明擬合線與X軸圍成的陰影區(qū)對(duì)應(yīng)的嘗試半徑和嘗試閾值取值可使匹配率高于90%。對(duì)關(guān)系式求極限可知，當(dāng)R趨于正無(wú)窮時(shí)，Th不會(huì)超過(guò)46.77。說(shuō)明在匹配率高于90%的情況下，無(wú)論聞雷半徑如何取值，雷達(dá)產(chǎn)品閾值都不會(huì)超過(guò)46.77(圖4)。

圖4 2009—2011年常德人工與雷達(dá)產(chǎn)品觀測(cè)雷暴匹配率高于90%時(shí)閾值與聞雷半徑對(duì)應(yīng)曲線

2.2 雷達(dá)產(chǎn)品閾值與最優(yōu)聞雷半徑計(jì)算

根據(jù)已構(gòu)建匹配率模型計(jì)算每條匹配率折線的拐點(diǎn)(圖5)，發(fā)現(xiàn)所有拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的待定閾值波動(dòng)范圍為38.5～40 dBz，嘗試半徑波動(dòng)范圍為20～30 km。根據(jù)待定閾值范圍查找嘗試半徑可知，嘗試半徑均為25 km，即判定最優(yōu)聞雷半徑為25 km，常德雷暴組合反射率因子閾值為38.5 dBz。利用組合反射率因子閾值和最優(yōu)聞雷半徑查詢(xún)匹配率為83.9%。

2.3 回波面積閾值計(jì)算

選取每個(gè)樣本中從聞雷起始時(shí)間至結(jié)束時(shí)間即每場(chǎng)聞雷過(guò)程的雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品，搜尋聞雷半徑25 km內(nèi)，大于等于參考閾值38.5 dBz的樣本，聞雷圓周內(nèi)大于參考閾值的回波面積各分位值如表1所示。其中，中位數(shù)與平均數(shù)相差較大，說(shuō)明回波面積高值的數(shù)量較多。根據(jù)分位值特點(diǎn)，選擇73 km2作為回波面積閾值。

表1 回波面積各分位值 km2

2.4 臨界成功指數(shù)計(jì)算

以測(cè)站為中心25 km圓周內(nèi)，若常德雷達(dá)站出現(xiàn)了73 km2以上組合反射率達(dá)到38.5 dBz的回波，則可以判定當(dāng)日有雷暴發(fā)生。為進(jìn)一步確定各閾值的準(zhǔn)確度，選取2012—2013年3—8月的常德雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品計(jì)算臨界成功指數(shù)。2012—2013年3—8月有對(duì)應(yīng)雷達(dá)數(shù)據(jù)的人工觀測(cè)雷暴日為48天，產(chǎn)品雷暴日相比人工觀測(cè)，成功預(yù)警率為85.4%，臨界成功指數(shù)為41.0%，雖然臨界成功指數(shù)較低，但考慮到聞雷過(guò)程是雷暴發(fā)生發(fā)展的充分而非必要條件，取當(dāng)前計(jì)算得到的組合反射率閾值、最優(yōu)聞雷半徑和回波面積閾值是較為合適的。值得注意的是，常德地區(qū)雷暴主要集中在春夏季節(jié)，即3—8月，在計(jì)算閾值的過(guò)程中，其樣本個(gè)例也主要集中在3—8月，當(dāng)應(yīng)用計(jì)算得到的各項(xiàng)閾值結(jié)合2012—2013年全年雷達(dá)資料判別雷暴日時(shí)，秋冬季節(jié)虛警率很高，而在春夏季節(jié)虛警率較低。

2.5 相關(guān)問(wèn)題分析

隨機(jī)選取常德氣象站2011年4—6月雷暴人工觀測(cè)記錄，同時(shí)選擇常德雷達(dá)站及其相鄰的配備新一代SA型多普勒天氣雷達(dá)的長(zhǎng)沙雷達(dá)站(113.01°E，28.46°N，海拔高度630.4 m)對(duì)應(yīng)時(shí)次的雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)2個(gè)雷達(dá)站基數(shù)據(jù)資料進(jìn)行相同的預(yù)處理后，計(jì)算2部雷達(dá)在常德地區(qū)雷暴過(guò)程中組合反射率的閾值，發(fā)現(xiàn)常德雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品計(jì)算出的閾值為38.5 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km，長(zhǎng)沙雷達(dá)資料計(jì)算出的閾值為43.5 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km。利用常德和長(zhǎng)沙雷達(dá)組網(wǎng)后得到的組合反射率產(chǎn)品計(jì)算出閾值為39 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km。 考慮到雷達(dá)拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)雷暴系統(tǒng)的取樣比雷達(dá)單站更為精確[22]，雷達(dá)拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品能更加全面地描述常德觀測(cè)站附近雷暴系統(tǒng)，因此以其計(jì)算出的閾值和最優(yōu)聞雷半徑為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比常德和長(zhǎng)沙2部雷達(dá)單站資料計(jì)算出的閾值和聞雷半徑，常德單站要好于長(zhǎng)沙單站。

常德和長(zhǎng)沙2部雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的最優(yōu)聞雷半徑相同，長(zhǎng)沙雷的閾值高于常德雷達(dá)，除了相鄰不同型號(hào)雷達(dá)對(duì)同一對(duì)流系統(tǒng)的探測(cè)本身存在差異[23]之外，還考慮是因?yàn)殚L(zhǎng)沙雷達(dá)站相距常德觀測(cè)站約149 km，而常德雷達(dá)站相距常德觀測(cè)站僅7.7 km(圖6)，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)方式，長(zhǎng)沙雷達(dá)可較好地探測(cè)位于常德雷達(dá)靜錐區(qū)的雷暴系統(tǒng)， 而常德雷達(dá)無(wú)法探測(cè)到靜錐區(qū)的雷暴系統(tǒng)，對(duì)于離雷達(dá)站較近的雷暴系統(tǒng)也只能探測(cè)到其低層。但盡管如此，常德單站雷達(dá)得到的閾值卻更接近于雷達(dá)拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品閾值?？紤]是因?yàn)槌５吕走_(dá)站位于觀測(cè)站北邊，而長(zhǎng)沙雷達(dá)站位于觀測(cè)站南邊，根據(jù)雷暴人工觀測(cè)中的起止方位統(tǒng)計(jì)，常德多聞雷于觀測(cè)站南邊，聞雷于測(cè)站北邊的情況少，對(duì)于最終閾值的確定影響較小。

圖5 不同嘗試半徑(a)和不同嘗試閾值(b)的匹配率折線累積距平

圖6 常德觀測(cè)站、常德雷達(dá)站和長(zhǎng)沙雷達(dá)站位置分布

由于樣本選擇的不同，常德雷達(dá)站單站3年數(shù)據(jù)樣本和3個(gè)月數(shù)據(jù)樣本分別計(jì)算出的閾值相等，而最優(yōu)聞雷半徑則相差較大，說(shuō)明當(dāng)選擇不同雷達(dá)產(chǎn)品樣本進(jìn)行分析時(shí)，閾值受樣本個(gè)數(shù)的影響較小，而最優(yōu)聞雷半徑受樣本個(gè)數(shù)的影響較大。

3 結(jié)論與討論

本文利用雷暴人工觀測(cè)歷史數(shù)據(jù)與雷達(dá)回波產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，建立了匹配率模型，判定出雷達(dá)產(chǎn)品閾值與最優(yōu)聞雷半徑，并結(jié)合回波面積閾值可利用雷達(dá)資料進(jìn)行雷暴過(guò)程識(shí)別及雷暴日的判別，以湖南常德雷暴人工歷史數(shù)據(jù)和常德雷達(dá)產(chǎn)品為例進(jìn)行了應(yīng)用和分析，得到較好的效果。

(1)利用常德觀測(cè)站2009—2011年資料計(jì)算出來(lái)的雷達(dá)產(chǎn)品閾值為38.5 dBz，與眾多研究相近，但計(jì)算出的最優(yōu)聞雷半徑達(dá)到25 km，要大于利用閃電定位數(shù)據(jù)與人工雷暴日對(duì)比得到的半徑[3,11-12]，且在給定的匹配率邊界條件下，嘗試半徑與嘗試閾值的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，回波面積閾值為73 km2。

(2)計(jì)算得到的各項(xiàng)閾值結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)判別雷暴日時(shí)，在雷暴多發(fā)季節(jié)的應(yīng)用效果較好，如常德地區(qū)在3—8月間應(yīng)用效果明顯好于其他月份。

(3)該方法是基于雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算的，實(shí)例中選用常德觀測(cè)站與常德雷達(dá)站數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)得到的閾值與選用常德觀測(cè)站和長(zhǎng)沙雷達(dá)站數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)時(shí)得到的閾值不同，主要與雷達(dá)探測(cè)方式、雷達(dá)站與觀測(cè)站距離有關(guān)，應(yīng)用該判定方法時(shí)最好根據(jù)歷史聞雷方位選擇雷達(dá)單站產(chǎn)品或其參與的雷達(dá)拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品。

(4)常德雷暴過(guò)程實(shí)例分析中顯示閾值受雷達(dá)數(shù)據(jù)樣本個(gè)數(shù)的影響較小，而最優(yōu)聞雷半徑受其影響較大，在相同的高匹配率情況下，閾值與聞雷半徑呈冪函數(shù)關(guān)系，最優(yōu)聞雷半徑所受的影響最終也會(huì)體現(xiàn)在產(chǎn)品閾值上，建議選擇長(zhǎng)時(shí)間序列的雷達(dá)數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建匹配率模型。