利用高辨別率DEM數(shù)據(jù)提高雷達(dá)測雨精度的方法

本文格式為Word版，下載可任意編輯——利用高辨別率DEM數(shù)據(jù)提高雷達(dá)測雨精度的方法常用阻擋仰角（或稱為遮擋仰角）、波束阻擋率、混合掃描仰角、等射束高度圖（或稱為等高度射束圖）及高度射束圖拼圖等參數(shù)來描述。根據(jù)文獻(xiàn)[22]，在假定標(biāo)準(zhǔn)大氣折射指數(shù)條件及雷達(dá)波束傳輸模型下，獲取經(jīng)波束訂正的區(qū)域內(nèi)雷達(dá)定量估測降水的反射率因子探測范圍的計(jì)算流程為：首先計(jì)算地形的阻擋仰角，根據(jù)設(shè)定的掃描仰角由阻擋仰角數(shù)據(jù)計(jì)算波束阻擋率，再由波束阻擋率數(shù)據(jù)計(jì)算混合掃描仰角，最終由混合掃描仰角數(shù)據(jù)和0℃層高度值得到等射束高度圖，并將其拼接起來，由此構(gòu)成某區(qū)域提取用于定量估測降水的雷達(dá)反射率因子的范圍。計(jì)算等射束高度圖時(shí)所用的高度參數(shù)是由湖南省探空站數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的0℃層高度值。

2結(jié)果與分析

2.1長沙雷達(dá)反射率因子的構(gòu)成

2.1.1地物阻擋仰角。以長沙雷達(dá)站為例，提取的DEM數(shù)據(jù)見圖1，雷達(dá)站的東北方向10km附近及雷達(dá)站正西方70km附近有一些相對較高的地形。在計(jì)算阻擋仰角時(shí)，應(yīng)要驗(yàn)證算法的正確性，即要確定是否每一個(gè)DEM數(shù)據(jù)均歸入到某距離庫內(nèi)，為此給每一個(gè)網(wǎng)格相應(yīng)地設(shè)置一個(gè)中間規(guī)律變量，以判斷其是否被遺漏，計(jì)算結(jié)果說明確實(shí)所有的網(wǎng)格均歸屬到距離庫中，從而證明白方案可行性。從圖2可看出，在長沙雷達(dá)站的NNE方向、東北偏南方向和西邊有>0℃的阻擋仰角，最大值達(dá)0.35°，NNE方向有可觀的阻擋仰角，與圖1雷達(dá)站附近的較高的地物有較好的對應(yīng)關(guān)系。在雷達(dá)站附近NNE方向的地物其實(shí)中間還是有條無阻擋縫隙，用實(shí)際的0.50°反射率因子產(chǎn)品（圖3）分析發(fā)現(xiàn)在雷達(dá)坐標(biāo)NNE方向附近，有1條明顯比兩側(cè)回波略強(qiáng)的徑向方向的“窄帶〞回波，這對應(yīng)了阻擋仰角在這個(gè)方向的分布狀況；同時(shí)雷達(dá)站西邊及略偏南的回波相對周邊的回波有所偏弱，充分證明白阻擋仰角的計(jì)算結(jié)果的正確性，而這種波束的部分遮擋預(yù)報(bào)員是較難發(fā)現(xiàn)的。

2.1.2波束阻擋率。

由于長沙雷達(dá)的阻擋仰角最大值為0.35°，所以僅需計(jì)算體掃中的最低一個(gè)仰角0.50°的波束阻擋率，第2層及以上仰角的波束阻擋率必然是0。由圖4可見，在雷達(dá)站的東北方向和正東方向存在波束阻擋率>10%的區(qū)域，但所有的波束阻擋率值≤50%，說明長沙雷達(dá)有較好的探測環(huán)境，只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟ㄊ喺〉?層仰角的掃描數(shù)據(jù)作為雷達(dá)定量估測降水的反射率因子是最為合理的。

2.1.3長沙雷達(dá)混合掃描仰角。

由圖5可見，長沙雷達(dá)混合掃描仰角就是雷達(dá)體掃模式VCP21的第1層仰角（0.50°），但考慮0℃層亮帶等因素的影響，構(gòu)成定量估測降水的反射率因子面積為98422.96km2、等效探測半徑為177km的圓形區(qū)域，比其降水產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范圍小。

2.2其他雷達(dá)的反射率因子構(gòu)成

2.2.1阻擋仰角。

根據(jù)雷達(dá)站的地理位置，獲取懷化雷達(dá)的周邊地形數(shù)據(jù)需要2個(gè)DEM文件，其他5部雷達(dá)需要4個(gè)DEM數(shù)據(jù)文件。由圖6可知，在常德雷達(dá)的西北方向存在微弱的地形遮擋，最大阻擋仰角為0.18°，相對于現(xiàn)行雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行的VCP21體掃模式而言，即使是最低探測仰角其波束也僅有很小的阻擋。在岳陽雷達(dá)的西北到東南方向存在一定程度的地形遮擋，最大阻擋仰角為0.89°，根據(jù)波束完全阻擋的定義，0.50°掃描仰角在此方向被完成全阻擋，必需采用第2層仰角的數(shù)據(jù)來估算降水；而在雷達(dá)站的西側(cè)完全沒有地形遮擋。對于懷化雷達(dá)而言，僅其西南方向有一小部分扇形區(qū)域無地形遮擋，低層的雷達(dá)波束絕大部分區(qū)域均受到不同程度的地物阻擋，最大阻擋仰角達(dá)4.21°，即使在雷達(dá)掃描層第5層仍有波束被部分阻擋，而根據(jù)WSR-88D的定量估測降水算法最多只取最低的4層仰角數(shù)據(jù)，則這部分區(qū)域因無數(shù)據(jù)而無降水值。邵陽雷達(dá)大部分區(qū)域也有地形遮擋，主要在其西北方向有較嚴(yán)重阻擋，最大阻擋仰角1.73°，雷達(dá)掃描的第2層仰角仍有被完全阻擋的波束。永州雷達(dá)的北到東北方向扇形區(qū)域地物阻擋角較小，其他區(qū)域均有不同程度的地形阻擋，最大阻擋仰角達(dá)2.43°。郴州雷達(dá)在其北部和西部扇形區(qū)域沒有地形遮擋，而在其西北部和東北到西南西區(qū)域存在明顯的地物阻擋，特別是東南方向區(qū)域阻擋嚴(yán)重，最大阻擋仰角達(dá)3.87°，即使是雷達(dá)體掃模式中的第4層也有少部區(qū)域被完全阻擋。由此可知，湖南省7部雷達(dá)均存在波束被阻擋狀況。

2.2.2混合掃描仰角。反射率因子的構(gòu)建可由混合掃描仰角來表述。實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行的混合掃描仰角是應(yīng)用雷達(dá)波束阻擋率是否超過設(shè)定的閾值的方法來確定。根據(jù)每一個(gè)距離庫地物阻擋仰角數(shù)據(jù)，從第1層仰角開始計(jì)算，假使某距離庫的阻擋率超過閾值Te（缺省值50%），則用第2層仰角值計(jì)算，依此類推，直到距離庫的波束阻攔率小于等于閾值Te為止。利用每層仰角的阻擋率，并根據(jù)定量估測降水的高度閾值Hs（以湖南4月為例，缺省值4.00km），計(jì)算每一個(gè)方位射線所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離，從而確定了每一根徑向掃描仰角及其徑向距離。

從圖7可知，常德雷達(dá)混合掃描仰角全部由0.50°構(gòu)成，雖然在雷達(dá)西北方向有大于0°的地物阻擋角，但由于其波束阻擋率<50%，所以只要對該層有阻擋的區(qū)域的反射率因子進(jìn)行適當(dāng)訂正，可采用此層的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量降水估算。岳陽雷達(dá)混合掃描仰角分別由0.50°、1.45°組成，即在西部和西南方向部分區(qū)域第1層數(shù)據(jù)被完全阻擋，采用第2層仰角的反射率因子來定量估測降水值。懷化雷達(dá)混合掃描仰角由5層仰角構(gòu)成，從低到高分別是0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°，仰角值越大說明阻擋越嚴(yán)重，第1層仰角數(shù)據(jù)所覆蓋的方位范圍不到所有方位角的1/3，特別是雷達(dá)站南到東南方向只能采用第4層甚至第5層反射率因子數(shù)據(jù)估測降水，總的來說，懷化雷達(dá)受地形阻擋是相當(dāng)嚴(yán)重的，構(gòu)建反射率因子較為繁雜。邵陽雷達(dá)混合掃描仰角由體掃描模式的最低3層仰角組成，大部分區(qū)域還是可以采用0.50°仰角的數(shù)據(jù)，在雷達(dá)的北部大部區(qū)域采用1.45°仰角數(shù)據(jù)，甚至個(gè)別區(qū)域采用2.40°仰角的數(shù)據(jù)。永州雷達(dá)混合掃描仰角由0.50°、1.45°、2.40°3層仰角組成，在雷達(dá)北部及東北部探測環(huán)境較好，基本沒有地物阻擋，而在西北到東南方向是采用第2層仰角數(shù)據(jù)，主要在東南東方向采用第3層仰角數(shù)據(jù)。郴州雷達(dá)混合掃描仰角由5層仰角組成，可見地物遮擋較嚴(yán)重；除在雷達(dá)的西南西方向到東北方向地物遮擋區(qū)域較小外，在西南和東南方向遮擋較嚴(yán)重，特別是在東南方向局部地區(qū)，只能采用第5層仰角的數(shù)據(jù)，探測范圍<50km。

從表2可知，長沙雷達(dá)的反射率因子覆蓋面積為98422.96km2，全部由0.50°仰角數(shù)據(jù)構(gòu)成，等效探測半徑為177.00km；常德雷達(dá)的面積為100659.77km2，也是由0.50°仰角數(shù)據(jù)覆蓋，其等效探測半徑為179.00km；岳陽雷達(dá)的覆蓋面積為111512.44km2，由0.50°、1.45°仰角數(shù)據(jù)覆蓋，其覆蓋面積分別為109457.53、2054.91km2，其等效探測半徑為188.40km；懷化雷達(dá)的覆蓋面積為48971.35km2，由0.50°、1.45°、2.40°、3.35°和4.30°仰角數(shù)據(jù)構(gòu)成，對應(yīng)各層的覆蓋面積分別為27207.81、16085.19、4604.48、967.90、105.97km2，其等效探測半徑為124.85km；邵陽雷達(dá)的覆蓋面積為82509.28km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對應(yīng)仰角的覆蓋面積分別為69111.36、13116.82、281.10km2，等效探測半徑為162.06km；永州雷達(dá)的覆蓋面積為66507.52km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對應(yīng)仰角的覆蓋面積分別為43635.61、20860.48、2011.43km2，等效探測半徑為145.50km；郴州雷達(dá)的覆蓋面積為65297.10km2，選取0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°仰角反射率因子，各層仰角對應(yīng)的覆蓋面積分別為54578.86、6525.11、3157.68、924.41、111.04km2，等效探測半徑為144.17km。同時(shí)也可以用第1層仰角掃描的面積與其總的探測面積之比的百分比（W）來說明地物阻擋狀況，比值越大說明探測環(huán)境越好，尋常只要沒有被地物阻擋，回波高度越低估測降水的精度越高。長沙、常德的W為100%，說明地物阻擋最??；岳陽、邵陽、永州、郴州和懷化雷達(dá)的W值分別為98.16%、83.76%、65.61%、83.58%、55.56%，即長沙、常德構(gòu)成的定量估測降水的反射率因子相對更確切一些。由以上分析可知，湖南省內(nèi)雷達(dá)以岳陽雷達(dá)的探測半徑最大，常德雷達(dá)次之，長沙雷達(dá)第3，而懷化雷達(dá)的探測半徑最小，懷化雷達(dá)的探測面積僅是岳陽雷達(dá)的43.92%，不到岳陽雷達(dá)的1/2。雖然岳陽雷達(dá)的探測半徑最大，但從其阻擋仰角分析，是有大量區(qū)域波束受到部分遮擋，其反射率因子是需要訂正的，而常德、長沙雷達(dá)反射率因子雖然面積不及岳陽的大，但需要訂正的區(qū)域少。

2.3反射率因子的構(gòu)成范圍

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，把單部雷達(dá)的反射率因子覆蓋范圍組合起來，就構(gòu)成了湖南省雷達(dá)降水探測范圍。

由圖8可知，7部雷達(dá)降水探測范圍構(gòu)成的區(qū)域基本上覆蓋了湖南省行政區(qū)域，且有50%以上區(qū)域有2～5部雷達(dá)探測范圍覆蓋，在湘南及湘西、湘西北部分區(qū)域只有1部雷達(dá)的探測范圍覆蓋，而在湘西北、湘西南以及湘南還有少部分區(qū)域因地物阻擋，而沒有雷達(dá)的探測范圍覆蓋。對于數(shù)據(jù)缺測區(qū)域，可使用周邊省份的雷達(dá)數(shù)據(jù)，或適當(dāng)增加雨量站密度，計(jì)算降水量以彌補(bǔ)。目前已有批復(fù)擬在湘西北張家界市布設(shè)一部新一代天氣雷達(dá)，將來可以彌補(bǔ)湘西北的雷達(dá)數(shù)據(jù)缺測區(qū)域。而在探測范圍重疊區(qū)特別是長沙、常德、岳陽雷達(dá)的重疊區(qū)，不僅沒有波束阻擋的影響，雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量好，且地面區(qū)域自動站站點(diǎn)分布也十分稠密，降水產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，可用于開展降水算法研究的試驗(yàn)區(qū)。

3結(jié)論

在繁雜地形區(qū)域，開展地形阻擋分析，有利于提高雷達(dá)定量估測降水的精度，且正確地構(gòu)建反演的反射率因子是獲得確切的雷達(dá)定量估測降水必要條件之一。該研究利用高辨別率DEM數(shù)據(jù)，在假定標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件下，綜合考慮周邊地物的阻擋和0℃層亮帶因素，根據(jù)目前雷達(dá)常使用體掃模式VCP21，研究了湖南省的雷達(dá)反射率因子的提取方法，獲得了反射率因子的提取范圍。結(jié)果說明，對于湖南的4月份，長沙、常德、岳陽、懷化、邵陽、永州和郴州雷達(dá)的探測半徑分別是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50，144.17km，岳陽雷達(dá)的探測范圍最大，而懷化雷達(dá)的探測范圍最小。現(xiàn)在單部雷達(dá)的定量估測降水產(chǎn)品的范圍均是230km，對于湖南的4月份而言，可能存在超出各雷達(dá)探測范圍的理論值，降水的精度問題需引起預(yù)報(bào)員的注意。有些反射率因子不能覆蓋的區(qū)域，不僅是不能獲得較好精度的定量估測降水產(chǎn)品，同時(shí)也說明這些區(qū)域大量重要的災(zāi)難性天氣現(xiàn)象如雷雨大風(fēng)、冰雹等也有可能無法探測到，對此也應(yīng)引起預(yù)報(bào)員高度的警戒。

盡管湖南省的雷達(dá)均受到不同程度的地形阻擋，根據(jù)WSR-88D雷達(dá)采用的波束阻擋率算法，計(jì)算得到的湖南省雷達(dá)反射率因子覆蓋了湖南省絕大部分區(qū)域，