新一代天氣雷達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狀，優化了切換閾值和判定條件，探索了運行切換機制。結果顯示：（1）切換正確率、正確樣本率和預報員參與度均較低，超時次數較多。（2）觸發切換的關鍵因子中，VIL是最主要影響因素，A2和A3次之，A1、topArea和vilArea一次均未出現，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；風暴VIL值≥9.5 kg/m2三個判定條件。（3）建立由預報員主導的“天氣形勢研判+手動切換”和“智能提醒+人工判定”多觀測模式切換機制，既能增加提前量，又能避免出現漏報或發布不及時等問題。

關鍵詞：天氣雷達；多觀測模式；閾值分析；智能提醒

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

新一代天氣雷達包括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對流單體，在回波頂高、垂直液態水含量等產品上優于VCP21模式，研究表明在強對流天氣中，當距離＜150 km時，VCP11模式明顯優于VCP21模式[1]。但由于受到人工切換、業務考核規范、系統適應性等因素的限制，業務上僅運行VCP21，不利于對成云致雨全過程的動力和微物理結構特征的精細化觀測。

根據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，采用智能提示預報員確認切換的方式，極大地減輕了預報員壓力及增加了預警信息發布量，但同時也存在僅使用回波強度和面積為閾值、設定不夠合理、報警過于頻繁等問題，間接降低了預報員參與度。對此，通過分析試點期間觸發切換時各適配參數的相關聯系，挖掘更優的模式切換觸發條件和切換閾值指標，以期進一步提高雷達支撐氣象監測預報預警服務能力。

1 資料和方法

選取2023年5—9月廣元市多普勒雷達有效監測范圍（0～150 km）內閃電、地面降水及雷達等觀測資料和多觀測模式運行日志文件。地閃數據來源于四川氣象三維雷電監測預警系統，短時強降水數據來源于天擎。

利用統計學方法對正確樣本（當觸發切換提示為VCP11，2 h內，有效監測范圍內每個縣區出現1個站點以上的短時強降水或10個站點以上的地閃為正確樣本。）中的切換適配參數A1、A2、A3、VIL、topArea、vilArea、CR和ET進行分析，選取合理的切換閾值及判定條件，并在此基礎上結合廣元市強對流天氣特征，探討多觀測模式的切換策略。

2 廣元雷達多觀測模式運行切換現狀

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

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%，同時超時次數明顯躍增，預報員參與度偏低。

主要原因包括以下幾個方面：一是預報員會根據個人經驗延遲切換或不切換觀測模式，導致切換正確率和參與度明顯偏低；二是閾值設定不合理，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，導致報警更加頻繁，對此預報員可能調小報警聲音，造成夜間休息時間超時嚴重，可能未經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切換提示時的體掃產品，切換參數未特殊說明均在水平150 km范圍內。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為垂直液態水含量15 kg/m2以上的風暴面積。

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。

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

3 廣元雷達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計可得，A1離散度大，出現多個異常值，中位數值（247 km2）＜閾值，各月箱體相對較窄，數據有一定集中性；A2雖出現異常值，離散度較大，但各月箱體更窄，數據更為集中，尤其是9月數值均集中在103～143 km2。同時，其他各月數值雖有差異，但中位數值均相對較小，說明A2值對發生強對流天氣的敏感度較高；A3離散度一般，但各月箱體較厚，數值亦存在一定差異，但其中位數值（19 km2）＜平均值，說明半數過程出現在A3數值較小的環境中，對于強對流天氣具有一定指示意義。選取四分位數值作為閾值，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現的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產品[2]。由圖1a可見，組合反射率樣本數據較為集中，離散程度較小，各月四分之一位值位于47.4～49.5 dBz，差異較?。恢形粩抵党蕟畏逄卣鳎罡邽?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，說明局地對流天氣過程相對更易發生在組合反射率較高的環境中，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。

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暴的強弱[4-7]。從圖1b可以看出，箱體較窄，數據集中度較高；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。

3.4 垂直液態水含量分析

垂直液態含水量表示將反射率因子數據轉換成等價的液態水值，它用的是假設所有反射率因子返回都是由液態水滴引起的經驗導出關系。其代表了雷暴的總體強度，是判斷強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，數據集中度一般；5—8月各月箱體上下值較為接近，中位數值逐步遞增，說明在較大垂直液態水含量的環境中更易出現強度大、局地性強的對流天氣；9月四分位值與中位數值明顯下降，與判定條件改變有一定關系，也說明在VIL一般的環境中也可能出現強對流天氣[8-11]。

基于此，為進一步研究，選取改變判定條件后的12次樣本數據，topArea值位于1 334～23 274 km2，遠超過設定閾值，可以提高回波高度設定，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只有三次有數值，且最大為5 km2（遠低于設定閾值），要么降低強度門限，選取四分之一位VIL值為閾值，要么取消面積門限。鑒于垂直液態水含量作為判定條件對強對流天氣具有重要的指示意義，因此可將vilArea恢復為VIL判定，取四分位值為閾值（≥9.5 kg/m2）。

3.5 判定條件設定

對切換參數A1、A2、A3、VIL、topArea、vilArea、CR和ET進行分析，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設定條件相似，為減少靜錐區影響選擇保留topArea，設定為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 廣元雷達多觀測模式運行切換機制探索

在2023年選取的57個樣本中，廣元市區域性系統對流過程14個，局地性突發對流過程43個，僅依靠預報員難以做到全面實時監測。統計分析近五年廣元市大部分短時強降水過程影響范圍＜10%，局地性強，且04：00～09：00發生強降水頻次極高，這給預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報員及時關注強對流天氣，減輕值班壓力。但這個方式存在一定缺陷，對于系統性移入型回波智能提醒提前量一般，也易使預報員依賴智能提醒，當報警出現故障或強回波生于靜錐區時，易造成漏報或發布產品不及時等問題。

基于上述問題，結合廣元市氣象臺預報員關于多觀測模式切換機制的研討交流，建立由預報員主導的兩種觀測模式切換機制。一是“天氣形勢研判+手動切換”，主要是針對系統性強對流、移入型回波和靜錐區初生回波，根據天氣形勢研判，確定強對流天氣過程開始與結束的時間，提前通過人工手動切換PUP或者RDA實現；二是“智能提醒+人工判定”，主要針對局地性強對流天氣或夜間值班時，由于突發性強，無法提前準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，能有效提醒預報員，減輕夜間值班壓力。

5 結論

（1）受閾值設定不合理及預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，正確樣本率進一步下降，夜間超時次數明顯躍增。

（2）觸發切換VCP11的關鍵因子中，VIL占比達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，說明閾值設定明顯不合理。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）建立由預報員主導的多觀測模式切換機制，一種是針對系統性強對流和移入型回波，采用“天氣形勢研判+手動切換”；另一種是局地性強，尤其是夜間突發出現的強對流天氣，采用“智能提醒+人工判定”。兩種模式均可減輕值班壓力，避免出現漏報或發布產品不及時等問題。

參考文獻

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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報。#通信作者：王璐思，E-mail：505753459@qq.com。