新一代天氣雷達(dá)多觀測模式切換策略和閾值分析

摘 要：利用廣元市地面觀測、雷達(dá)資料和多觀測模式運行日志文件，分析了廣元市2023年5—9月多觀測模式運行切換現(xiàn)狀，優(yōu)化了切換閾值和判定條件，探索了運行切換機(jī)制。結(jié)果顯示：（1）切換正確率、正確樣本率和預(yù)報員參與度均較低，超時次數(shù)較多。（2）觸發(fā)切換的關(guān)鍵因子中，VIL是最主要影響因素，A2和A3次之，A1、topArea和vilArea一次均未出現(xiàn)，開展切換閾值合理性研究形成A2≥90 km2，且topArea≥14 km2；CR≥48 dBz，且ET≥10.4 km；風(fēng)暴VIL值≥9.5 kg/m2三個判定條件。（3）建立由預(yù)報員主導(dǎo)的“天氣形勢研判+手動切換”和“智能提醒+人工判定”多觀測模式切換機(jī)制，既能增加提前量，又能避免出現(xiàn)漏報或發(fā)布不及時等問題。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；多觀測模式；閾值分析；智能提醒

中圖分類號：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

新一代天氣雷達(dá)包括VCP11和VCP21兩種降水掃描模式，VCP11在垂直方向上采樣層次多樣，具有較高的空間分辨率，能更有力地捕捉快速演變的強(qiáng)對流單體，在回波頂高、垂直液態(tài)水含量等產(chǎn)品上優(yōu)于VCP21模式，研究表明在強(qiáng)對流天氣中，當(dāng)距離＜150 km時，VCP11模式明顯優(yōu)于VCP21模式[1]。但由于受到人工切換、業(yè)務(wù)考核規(guī)范、系統(tǒng)適應(yīng)性等因素的限制，業(yè)務(wù)上僅運行VCP21，不利于對成云致雨全過程的動力和微物理結(jié)構(gòu)特征的精細(xì)化觀測。

根據(jù)中國氣象局的重點工作安排，廣元市在2022年8月—2023年9月開展多觀測模式試點工作，采用智能提示預(yù)報員確認(rèn)切換的方式，極大地減輕了預(yù)報員壓力及增加了預(yù)警信息發(fā)布量，但同時也存在僅使用回波強(qiáng)度和面積為閾值、設(shè)定不夠合理、報警過于頻繁等問題，間接降低了預(yù)報員參與度。對此，通過分析試點期間觸發(fā)切換時各適配參數(shù)的相關(guān)聯(lián)系，挖掘更優(yōu)的模式切換觸發(fā)條件和切換閾值指標(biāo)，以期進(jìn)一步提高雷達(dá)支撐氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警服務(wù)能力。

1 資料和方法

選取2023年5—9月廣元市多普勒雷達(dá)有效監(jiān)測范圍（0～150 km）內(nèi)閃電、地面降水及雷達(dá)等觀測資料和多觀測模式運行日志文件。地閃數(shù)據(jù)來源于四川氣象三維雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，短時強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)來源于天擎。

利用統(tǒng)計學(xué)方法對正確樣本（當(dāng)觸發(fā)切換提示為VCP11，2 h內(nèi)，有效監(jiān)測范圍內(nèi)每個縣區(qū)出現(xiàn)1個站點以上的短時強(qiáng)降水或10個站點以上的地閃為正確樣本。）中的切換適配參數(shù)A1、A2、A3、VIL、topArea、vilArea、CR和ET進(jìn)行分析，選取合理的切換閾值及判定條件，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合廣元市強(qiáng)對流天氣特征，探討多觀測模式的切換策略。

2 廣元雷達(dá)多觀測模式運行切換現(xiàn)狀

通過多觀測模式運行切換日志文件統(tǒng)計（表1）可知，5—9月共出現(xiàn)智能提示切換482次，人工確認(rèn)

287次，人工否定132次，超時63次。正確樣本57個，正確樣本率為39.7%，并逐月遞減。9月正確樣本率僅有13.1%，同時超時次數(shù)明顯躍增，預(yù)報員參與度偏低。

主要原因包括以下幾個方面：一是預(yù)報員會根據(jù)個人經(jīng)驗延遲切換或不切換觀測模式，導(dǎo)致切換正確率和參與度明顯偏低；二是閾值設(shè)定不合理，且難以把握，尤其是8月12日升級ROSE2.1.2，更改了閾值和判定條件，導(dǎo)致報警更加頻繁，對此預(yù)報員可能調(diào)小報警聲音，造成夜間休息時間超時嚴(yán)重，可能未經(jīng)人工判定而是直接確定切換，造成正確樣本率偏低。

選取正確樣本中觸發(fā)切換提示時的體掃產(chǎn)品，切換參數(shù)未特殊說明均在水平150 km范圍內(nèi)。其中A1為30 dBz以上的回波面積，A2為35 dBz以上的回波面積，A3為垂直6 km以上35 dBz以上的回波面積（水平范圍40～150 km），topArea為6 km以上的回波面積，vilArea為垂直液態(tài)水含量15 kg/m2以上的風(fēng)暴面積。

8月12日之前切換VCP11的判斷條件：A1≥1 000 km2或A2≥100 km2，且A3≥15 km2；VIL值≥10 kg/m2。8月12日之后切換VCP11的判斷條件：A1≥1 000 km2或A2≥100 km2，且topArea≥15 km2；vilArea≥10 km2。

觸發(fā)切換為VCP11的判定條件及關(guān)鍵因子的特征如表2所示，在8月12日之前的45次樣本中，關(guān)鍵因子為VIL共出現(xiàn)29次，占比為64.4%，是觸發(fā)切換的最主要影響因素；A2和A3分別出現(xiàn)7次和9次，為次要影響因素；A1未出現(xiàn)，說明A1的門限閾值設(shè)定過高。8月12日之后出現(xiàn)12次樣本，但判定條件僅出現(xiàn)A2≥100 km2且topArea≥15 km2，且關(guān)鍵因子均為A2，說明topArea相比A2較易達(dá)到閾值，需提高門限閾值；判定條件中A1與vilArea均未出現(xiàn)，說明A1與vilArea應(yīng)降低門限閾值。

3 廣元雷達(dá)多觀測模式閾值特征分析

3.1 回波面積門限分析

從回波面積箱線圖統(tǒng)計可得，A1離散度大，出現(xiàn)多個異常值，中位數(shù)值（247 km2）＜閾值，各月箱體相對較窄，數(shù)據(jù)有一定集中性；A2雖出現(xiàn)異常值，離散度較大，但各月箱體更窄，數(shù)據(jù)更為集中，尤其是9月數(shù)值均集中在103～143 km2。同時，其他各月數(shù)值雖有差異，但中位數(shù)值均相對較小，說明A2值對發(fā)生強(qiáng)對流天氣的敏感度較高；A3離散度一般，但各月箱體較厚，數(shù)值亦存在一定差異，但其中位數(shù)值（19 km2）＜平均值，說明半數(shù)過程出現(xiàn)在A3數(shù)值較小的環(huán)境中，對于強(qiáng)對流天氣具有一定指示意義。選取四分位數(shù)值作為閾值，A1的閾值≥197 km2；A2的閾值≥90 km2；A3的閾值≥14 km2。

3.2 組合反射率分析

組合反射率是指在一個體積掃描中，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上的產(chǎn)品[2]。由圖1a可見，組合反射率樣本數(shù)據(jù)較為集中，離散程度較小，各月四分之一位值位于47.4～49.5 dBz，差異較小；中位數(shù)值呈單峰特征，最高為8月52.5 dBz，7月和9月次之，5—6月略小。這與局地對流樣本量有關(guān)，說明局地對流天氣過程相對更易發(fā)生在組合反射率較高的環(huán)境中，并且，其值具有一定指示意義，可選取四分位值為閾值（≥48 dBz）作為判定指標(biāo)。

3.3 回波頂高分析

回波頂高是在≥18 dBz反射率因子被探測到的顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度。大量的觀測和研究表明，回波頂高相對于低層反射率因子的位置可以更好地指示對流風(fēng)暴的強(qiáng)弱[4-7]。從圖1b可以看出，箱體較窄，數(shù)據(jù)集中度較高；各月四分之一位值位于10.2～11 km，差異較??；各月中位值位于11.3～11.7 km，幾乎無差異。這說明回波頂高隨月份無明顯變化，對強(qiáng)對流天氣具有指示意義，可選取四分位值為閾值（≥10.4 km）作為判定指標(biāo)。

3.4 垂直液態(tài)水含量分析

垂直液態(tài)含水量表示將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價的液態(tài)水值，它用的是假設(shè)所有反射率因子返回都是由液態(tài)水滴引起的經(jīng)驗導(dǎo)出關(guān)系。其代表了雷暴的總體強(qiáng)度，是判斷強(qiáng)對流天氣的有效工具之一。從圖1c可以看出，5—9月的VIL值為3.5～25.4 kg/m2，數(shù)據(jù)集中度一般；5—8月各月箱體上下值較為接近，中位數(shù)值逐步遞增，說明在較大垂直液態(tài)水含量的環(huán)境中更易出現(xiàn)強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)的對流天氣；9月四分位值與中位數(shù)值明顯下降，與判定條件改變有一定關(guān)系，也說明在VIL一般的環(huán)境中也可能出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣[8-11]。

基于此，為進(jìn)一步研究，選取改變判定條件后的12次樣本數(shù)據(jù)，topArea值位于1 334～23 274 km2，遠(yuǎn)超過設(shè)定閾值，可以提高回波高度設(shè)定，將6 km以上回波面積改為10.4 km以上回波面積，或者增加附加條件，改為6 km以上35 dBz以上回波面積。同時，vilArea只有三次有數(shù)值，且最大為5 km2（遠(yuǎn)低于設(shè)定閾值），要么降低強(qiáng)度門限，選取四分之一位VIL值為閾值，要么取消面積門限。鑒于垂直液態(tài)水含量作為判定條件對強(qiáng)對流天氣具有重要的指示意義，因此可將vilArea恢復(fù)為VIL判定，取四分位值為閾值（≥9.5 kg/m2）。

3.5 判定條件設(shè)定

對切換參數(shù)A1、A2、A3、VIL、topArea、vilArea、CR和ET進(jìn)行分析，A1因未有一次成為主要影響因子，可以考慮去掉；A2的閾值≥90 km2；A3和topArea設(shè)定條件相似，為減少靜錐區(qū)影響選擇保留topArea，設(shè)定為6 km以上35 dBz以上的回波面積，閾值≥14 km2；CR的閾值≥48 dBz；ET的閾值≥10.4 km；vilArea效果不如VIL，選擇保留VIL，閾值≥9.5 kg/m2。判斷是否切換為VCP11需滿足以下任意一個條件：一是A2≥90 km2，且topArea≥14 km2；二是CR≥48 dBz，且ET≥10.4 km；三是VIL值≥9.5 kg/m2。

4 廣元雷達(dá)多觀測模式運行切換機(jī)制探索

在2023年選取的57個樣本中，廣元市區(qū)域性系統(tǒng)對流過程14個，局地性突發(fā)對流過程43個，僅依靠預(yù)報員難以做到全面實時監(jiān)測。統(tǒng)計分析近五年廣元市大部分短時強(qiáng)降水過程影響范圍＜10%，局地性強(qiáng)，且04：00～09：00發(fā)生強(qiáng)降水頻次極高，這給預(yù)報員夜間值班帶來極大壓力。智能多觀測模式能有效幫助預(yù)報員及時關(guān)注強(qiáng)對流天氣，減輕值班壓力。但這個方式存在一定缺陷，對于系統(tǒng)性移入型回波智能提醒提前量一般，也易使預(yù)報員依賴智能提醒，當(dāng)報警出現(xiàn)故障或強(qiáng)回波生于靜錐區(qū)時，易造成漏報或發(fā)布產(chǎn)品不及時等問題。

基于上述問題，結(jié)合廣元市氣象臺預(yù)報員關(guān)于多觀測模式切換機(jī)制的研討交流，建立由預(yù)報員主導(dǎo)的兩種觀測模式切換機(jī)制。一是“天氣形勢研判+手動切換”，主要是針對系統(tǒng)性強(qiáng)對流、移入型回波和靜錐區(qū)初生回波，根據(jù)天氣形勢研判，確定強(qiáng)對流天氣過程開始與結(jié)束的時間，提前通過人工手動切換PUP或者RDA實現(xiàn)；二是“智能提醒+人工判定”，主要針對局地性強(qiáng)對流天氣或夜間值班時，由于突發(fā)性強(qiáng)，無法提前準(zhǔn)確判斷對流天氣開始時間和具體的位置，開啟智能多觀測模式，能有效提醒預(yù)報員，減輕夜間值班壓力。

5 結(jié)論

（1）受閾值設(shè)定不合理及預(yù)報員主觀判斷等因素影響，廣元多觀測模式切換正確率（59.5%）和預(yù)報員參與度（86.9%）較低，8月12日升級ROSE2.1.2，更改了閾值和判定條件后，正確樣本率進(jìn)一步下降，夜間超時次數(shù)明顯躍增。

（2）觸發(fā)切換VCP11的關(guān)鍵因子中，VIL占比達(dá)64.4%是最主要影響因素，A2和A3次之，A1、topArea和vilArea一次均未出現(xiàn)，說明閾值設(shè)定明顯不合理。開展閾值切換的合理性研究得到以下判定條件：A2≥90 km2，且topArea≥14 km2；CR≥48 dBz，且ET≥10.4 km；VIL值≥9.5 kg/m2。

（3）建立由預(yù)報員主導(dǎo)的多觀測模式切換機(jī)制，一種是針對系統(tǒng)性強(qiáng)對流和移入型回波，采用“天氣形勢研判+手動切換”；另一種是局地性強(qiáng)，尤其是夜間突發(fā)出現(xiàn)的強(qiáng)對流天氣，采用“智能提醒+人工判定”。兩種模式均可減輕值班壓力，避免出現(xiàn)漏報或發(fā)布產(chǎn)品不及時等問題。

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收稿日期：2024-07-15

作者簡介：康丁元（1994—），男，四川營山人，工程師，研究方向為中短期天氣預(yù)報。#通信作者：王璐思，E-mail：505753459@qq.com。