尹忠海

(湖南省氣象臺(tái),湖南長(zhǎng)沙 410007)

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利用高分辨率DEM數(shù)據(jù)提高雷達(dá)測(cè)雨精度的方法

尹忠海

(湖南省氣象臺(tái),湖南長(zhǎng)沙 410007)

摘要利用高分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)和0 ℃層高度值，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，計(jì)算了湖南省7部雷達(dá)的波束阻擋仰角分布及雷達(dá)定量估測(cè)降水產(chǎn)品的探測(cè)范圍。結(jié)果表明，對(duì)于湖南的4月份，長(zhǎng)沙、常德、岳陽、懷化、邵陽、永州和郴州雷達(dá)的探測(cè)半徑分別是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50、144.17 km，岳陽雷達(dá)的探測(cè)范圍最大，而懷化雷達(dá)的探測(cè)范圍最?。粚?duì)汛期而言，應(yīng)用湖南省建設(shè)的雷達(dá)網(wǎng)，獲取的定量估測(cè)降水業(yè)務(wù)的探測(cè)范圍在消除0 ℃層亮帶影響的同時(shí)基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)全省區(qū)域的降水監(jiān)測(cè)，有利于提高定量估測(cè)降水的精度。

關(guān)鍵詞定量估測(cè)降水；地形阻擋；雷達(dá)反射率因子；DEM數(shù)據(jù)

影響雷達(dá)定量估測(cè)降水精度的原因有多種，如垂直氣流運(yùn)動(dòng)[1]、雷達(dá)系統(tǒng)本身[2]、冰雹干擾等[3-4]，0 ℃層亮帶[5]、地形阻擋[6-8]對(duì)雷達(dá)定量估測(cè)降水的精度有較大的影響，許多學(xué)者對(duì)多普勒天氣雷達(dá)的地形阻擋影響進(jìn)行了定量化研究[9-13]，國內(nèi)也有一些學(xué)者開展了波束阻擋的相關(guān)應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)0 ℃層亮帶和波束阻擋均是造成雷達(dá)定量估測(cè)降水誤差的重要因素[14-16]，但綜合這2種因素對(duì)雷達(dá)定量估測(cè)降水的影響的研究還很少。

湖南地形呈馬蹄形分布，一些雷達(dá)產(chǎn)品受到嚴(yán)重的地形遮擋[17]，而隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增加，一個(gè)省建設(shè)多部天氣雷達(dá)構(gòu)成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)已成為現(xiàn)實(shí)，使得在滿足雷達(dá)降水產(chǎn)品探測(cè)范圍要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高測(cè)量降水的精度成為可能。筆者利用高分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)和0 ℃層高度值，基于減小0 ℃層亮帶和波束阻擋影響，計(jì)算了湖南省7部雷達(dá)的波束阻擋仰角分布及雷達(dá)定量估測(cè)降水產(chǎn)品的探測(cè)范圍，以提高雷達(dá)定量估測(cè)降水的精度，可為山洪地質(zhì)災(zāi)害防御工程的區(qū)域自動(dòng)站站網(wǎng)布點(diǎn)和特殊地形的雷達(dá)體掃模式的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

1.1.1數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)。湖南省目前業(yè)務(wù)運(yùn)行有7部雷達(dá)，分別是長(zhǎng)沙、岳陽、常德、懷化、邵陽、永州和郴州雷達(dá)，除了懷化是C波段雷達(dá)，其余均是S波段雷達(dá)，各雷達(dá)相關(guān)參數(shù)見表1。DEM數(shù)據(jù)來自國際熱帶農(nóng)業(yè)中心(International Centre for Tropical Agriculture)網(wǎng)站的STRMV3數(shù)據(jù)[18]，每一個(gè)數(shù)據(jù)文件起始經(jīng)緯度均是5的倍數(shù)，大小為5°×5°，網(wǎng)格分辨率為0.000 833 333 333 333 33°(約為90 m)，共有6 000×6 000個(gè)數(shù)據(jù)。提取數(shù)據(jù)范圍包含湖南省所有7部雷達(dá)的探測(cè)范圍(假定每部雷達(dá)的探測(cè)半徑為2.30°)。設(shè)定每部雷達(dá)計(jì)算的經(jīng)緯度范圍是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)(缺省值為4.6°)的正方形區(qū)域，雷達(dá)站在區(qū)域的中心，針對(duì)雷達(dá)站的具體位置，從若干個(gè)DEM數(shù)據(jù)文件中提取出計(jì)算范圍的DEM數(shù)據(jù)。

表1　湖南新一代天氣雷達(dá)參數(shù)

1.1.20 ℃層高度值。0 ℃層高度的數(shù)據(jù)利用湖南省長(zhǎng)沙、懷化、郴州3個(gè)探空站的探空數(shù)據(jù)計(jì)算得到。依據(jù)現(xiàn)行雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)的業(yè)務(wù)規(guī)范，汛期雷達(dá)24 h連續(xù)開機(jī)是從每年的4月15日開始，到9月30日結(jié)束，利用2004～2013年湖南汛期的08:00和20:00的探空站數(shù)據(jù)，將每一個(gè)探空站的位勢(shì)高度值和對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)通過內(nèi)插方法得到0 ℃層高度，再統(tǒng)計(jì)求得湖南汛期的逐月平均值。4～9月份0 ℃層高度分別為4.00、4.69、5.08、5.27、5.19和4.99 km。目前新一代天氣雷達(dá)的所有定量估測(cè)降水產(chǎn)品的設(shè)計(jì)范圍均是230 km，參照回波高度查算圖[19]，并考慮雷達(dá)站的海拔高度，即使是最低的掃描仰角，在絕大部分時(shí)間段，實(shí)際上湖南省所有雷達(dá)在230 km處的回波高度均超過了0 ℃層亮帶的高度，而用0 ℃層亮帶回波估算降水會(huì)造成嚴(yán)重的高估[20-21]。該研究以4月為參考，即取汛期的0 ℃層高度最小值(Hs=4.00 km)作為個(gè)例進(jìn)行計(jì)算與分析，其他月份的計(jì)算方法完全類似，且有更大的降水監(jiān)測(cè)范圍。

1.1.3雷達(dá)掃描仰角的選取。目前新一代天氣雷達(dá)的掃描模式有VCP21、VCP11、VCP31和VCP32，其中VCP31和VCP32主要用于晴空探測(cè)，稱為晴空工作模式，VCP21和VCP11主要用于降水探測(cè)，稱為降水工作模式，但實(shí)際業(yè)務(wù)操作上均是選用VCP21體掃模式，因而選用VCP21中設(shè)定的仰角模擬計(jì)算波束阻擋率。VCP21的體掃模式是6 min內(nèi)掃描9層，從低到高各層的仰角值為0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°、6.00°、9.90°、14.60°、19.50°。

1.2原理與方法在分析雷達(dá)波束阻擋過程中，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(cè)降水的反射率因子探測(cè)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，最后由混合掃描仰角數(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(cè)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。

1.2.1地形阻擋仰角的計(jì)算。地形阻擋仰角是假定在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件下，某一高度的地形相對(duì)于雷達(dá)天線的仰角，其實(shí)際就是由DEM數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度、海拔高度參數(shù)依據(jù)雷達(dá)波束的傳輸模型[23]計(jì)算其相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)。設(shè)雷達(dá)站的經(jīng)度、緯度和海拔高度分別為αr、βr、hr，DEM網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔高度分別為αg、βg、hg，網(wǎng)格點(diǎn)用其中心坐標(biāo)作為代表，則網(wǎng)格點(diǎn)的方位角α、仰角e、斜距r計(jì)算公式分別為[24]：

(1)

(2)

r=sin(s/Rm)(Rm+hg-hr)/cos(e)

(3)

s=Rcos-1[cos(π/2-βr)cos(π/2-βg)+sin(π/2-βr)sin(π/2-βg)cos(αg-αr)]

(4)

式中，s是地球上某兩點(diǎn)間的大圓距離；Rm、R分別為等效地球半徑和地球半徑，Rm=kR，k取4/3。

由于sin-1的取值范圍是[-π/2,π/2]，需根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)站的位置確定實(shí)際的方位角：

(5)

設(shè)阻擋仰角的網(wǎng)格分辨率為0.1°×1 km，每層仰角的網(wǎng)格數(shù)為3 600×230，由DEM數(shù)據(jù)求得阻擋仰角的計(jì)算方法為：①求取每一個(gè)仰角網(wǎng)格的DEM數(shù)據(jù)的計(jì)算區(qū)域。以最大的距離庫為樣本，計(jì)算距離庫中心到庫頂點(diǎn)的距離，以其中最大距離作為計(jì)算范圍的半徑(L)，則每個(gè)距離庫的計(jì)算范圍就是以距離庫中心為中心的圓的外接正方形區(qū)域。②DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)坐標(biāo)。在逐個(gè)計(jì)算距離庫的阻擋仰角時(shí)，由距離為外循環(huán)變量、方位為內(nèi)循環(huán)變量將該范圍所包含DEM數(shù)據(jù)根據(jù)公式(1)～(5)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)坐標(biāo)。③計(jì)算距離庫的阻擋仰角。根據(jù)計(jì)算得到的雷達(dá)坐標(biāo)，識(shí)別出屬于該距離庫的DEM數(shù)據(jù)，然后用平均法求出該距離庫的阻擋仰角。④驗(yàn)證。計(jì)算下一個(gè)鄰近方位距離庫的阻擋仰角時(shí)，先確定2次計(jì)算范圍的重疊區(qū)并標(biāo)識(shí)，從而不用重覆計(jì)算，提高了計(jì)算效率，通過驗(yàn)證，每一個(gè)DEM數(shù)據(jù)均歸入到某個(gè)距離庫中。

在求每一個(gè)距離庫的計(jì)算范圍的地理位置時(shí)需要求得距離庫中點(diǎn)的經(jīng)緯度(α，β)，其方法為：假定某距離庫中心的坐標(biāo)為(φ，θ，Lc)，其中φ、θ、Lc分別稱為空間某點(diǎn)的方位角、仰角和斜距長(zhǎng)，雷達(dá)站的經(jīng)緯度為(α0，β0)，則在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件下，計(jì)算公式為[25]：

(6)

(7)

(8)

式中，S為空間某一點(diǎn)到雷達(dá)之間的地面距離，α、β就是所求的經(jīng)度和緯度，其余符號(hào)意義參見公式(1)～(4)。

1.2.2波束阻擋率的計(jì)算。波束阻擋率定義為有效照射體積(波束)內(nèi)因地形等障礙物阻擋而損耗的功率比。根據(jù)定義有：

(9)

式中，θ、φ分別是水平方位與垂直方向相對(duì)波束主軸的角度差，G為天線增益函數(shù)，O為波束阻擋率。假設(shè)波束圖為高斯模型[19，26]，采用離散化波束截面方法,并考慮θ、φ的取值范圍，某方位、某仰角、某距離上的雷達(dá)波束的波束阻擋率可轉(zhuǎn)化為[27-28]：

(10)

式中，B(n)為波束擴(kuò)展區(qū)域第n個(gè)方位上的阻擋程度，W(|n|)是B(n)對(duì)整個(gè)波束阻擋率的貢獻(xiàn)權(quán)重，它們的表達(dá)式如下：

(11)

(12)

式中，θ1、φ1分別為雷達(dá)的水平和垂直波束寬度(均取0.95)；m為阻擋高度的標(biāo)準(zhǔn)值，取值范圍為-15～15的整數(shù)。在計(jì)算時(shí)可以先將所有可能的B(n)和W(|n|)計(jì)算出來，通過n值直接取相應(yīng)的值，然后由(10)式即可求出波束阻擋率值。

1.2.3混合掃描仰角的計(jì)算?；旌蠏呙柩鼋鞘侵覆ㄊ钃趼市∮诮o定閾值Te，且波束下限閾值(波束底部越過地形的高度)大于給定閾值Th的最低觀測(cè)仰角[29]。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行的體掃描模式又提出了業(yè)務(wù)混合掃描仰角的概念。由于在距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)距離波束底部大多超過地物150 m，而靠近雷達(dá)站區(qū)域由于波束展寬很小，地物對(duì)取樣體的回波強(qiáng)度的影響也很小，同時(shí)某仰角層數(shù)據(jù)與其上一層數(shù)據(jù)往往相差較大，因不符上述條件而只能采用更高層數(shù)據(jù)代替較低一層數(shù)據(jù)。參照文獻(xiàn)[11]，針對(duì)定量估測(cè)降水而言，規(guī)定業(yè)務(wù)混合掃描仰角為波束中心的高度在限制高度Hs內(nèi)，波束阻擋率小于等于閾值Te(缺省值50%)的雷達(dá)業(yè)務(wù)掃描仰角。該研究根據(jù)新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)中通常使用的VCP21體掃模式來計(jì)算業(yè)務(wù)混合掃描仰角。

1.2.4反射率因子的構(gòu)成范圍。等射束高度圖是由所有方位的混合掃描仰角(最低觀測(cè)仰角)的雷達(dá)射束中心軸線到達(dá)設(shè)定高度閾值(Hs)的徑向距離點(diǎn)的集合。它定量表征了雷達(dá)站向各方向的探測(cè)能力，實(shí)際說明了適用某種應(yīng)用需求的雷達(dá)探測(cè)范圍。結(jié)合湖南的實(shí)際，對(duì)于定量估測(cè)降水而言，一般高度應(yīng)不高于0 ℃層亮帶的高度[11]，因而可利用0 ℃層高度值作為限制高度，來計(jì)算反射率因子的構(gòu)成范圍，可基本滿足實(shí)際的需要。參照測(cè)高公式[23，30]：

(13)

根據(jù)H=Hs，由測(cè)高公式轉(zhuǎn)換為求斜距的公式:

L2+2[(Rm+hr)sinδ]L+(hr-H)(2Rm+H+hr)=0

(14)

式中,Rm是等效地球半徑，hr是雷達(dá)天線海拔高度，H是高度，δ是探測(cè)仰角，L是波束的斜距。解此一元二次方程即可求得斜距，即每一根徑向所取數(shù)據(jù)的最遠(yuǎn)距離。

2結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)沙雷達(dá)反射率因子的構(gòu)成

2.1.1地物阻擋仰角。以長(zhǎng)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10 km附近及雷達(dá)站正西方70 km附近有一些相對(duì)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)中間邏輯變量，以判斷其是否被遺漏，計(jì)算結(jié)果表明確實(shí)所有的網(wǎng)格均歸屬到距離庫中，從而證實(shí)了方案可行性。從圖2可看出，在長(zhǎng)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(duì)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(duì)應(yīng)了阻擋仰角在這個(gè)方向的分布情況；同時(shí)雷達(dá)站西邊及略偏南的回波相對(duì)周邊的回波有所偏弱，充分證實(shí)了阻擋仰角的計(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。

注：每一個(gè)距離圈間隔0.5°，最外圈的間隔是0.3°,右側(cè)色標(biāo)表示海拔(m)，白色實(shí)線是湖南省省界。Note: Interval between laps: 0.5°; interval of outermost lap: 0.3°; color at right: altitude (m); white solid line: Hunan provincial boundary.圖1　長(zhǎng)沙雷達(dá)周邊地形數(shù)字高程Fig. 1　Digital topographic elevation surrounding changsha radar

圖2　長(zhǎng)沙雷達(dá)地物阻擋仰角Fig. 2　Elevation angle of Changsha radar because of barrier layer

圖3　2010年6月19日14:19長(zhǎng)沙雷達(dá)反射率因子Fig. 3　Radar reflectivity factor of Changsha radar at 14:19 on June 19th,2010

圖4　長(zhǎng)沙雷達(dá)0.50°仰角波束阻擋率Fig. 4　Barrier ratio of changsha radar beam at 0.50° elevation angle

2.1.2波束阻擋率。由于長(zhǎng)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%，表明長(zhǎng)沙雷達(dá)有較好的探測(cè)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(cè)降水的反射率因子是最為合理的。2.1.3長(zhǎng)沙雷達(dá)混合掃描仰角。由圖5可見，長(zhǎng)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(cè)降水的反射率因子面積為98 422.96 km2、等效探測(cè)半徑為177 km的圓形區(qū)域，比其降水產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范圍小。

圖5　長(zhǎng)沙雷達(dá)混合掃描仰角(單位：°)Fig. 5　Mixed scanning elevation angle of Changsha radar

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)的西北方向存在輕微的地形遮擋，最大阻擋仰角為0.18°，相對(duì)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(cè)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，必須采用第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(duì)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(cè)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)均存在波束被阻擋情況。

注：a.常德；b.岳陽；c.懷化；d.邵陽；e.永州；f.郴州。Note:a.Changde; b.Yueyang; c.Huaihua;d.Shaoyang; e.Yongzhou;f.Chenzhou.圖6　湖南省各探空站雷達(dá)地物阻擋(單位：°)Fig 6　Topographic barrier to radar in each station of Hunan Province

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，如果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(cè)降水的高度閾值Hs(以湖南4月為例，缺省值4.00 km)，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(duì)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(cè)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(cè)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)建反射率因子較為復(fù)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(cè)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(cè)范圍<50 km。

從表2可知，長(zhǎng)沙雷達(dá)的反射率因子覆蓋面積為98 422.96 km2，全部由0.50°仰角數(shù)據(jù)構(gòu)成，等效探測(cè)半徑為177.00 km；常德雷達(dá)的面積為100 659.77 km2，也是由0.50°仰角數(shù)據(jù)覆蓋，其等效探測(cè)半徑為179.00 km；岳陽雷達(dá)的覆

注：a.常德；b.岳陽；c.懷化；d.邵陽；e.永州；f.郴州。Note:a.Changde; b.Yueyang; c.Huaihua;d.Shaoyang; e.Yongzhou;f.Chenzhou.圖7　湖南省各探空站雷達(dá)混合掃描仰角Fig. 7　Radar mixed scanning elevation in each station of Hunan Province

站名Station探測(cè)面積Detectionarea∥km20.50°1.45°2.40°3.35°4.30°合計(jì)Total探測(cè)半徑Detectionradius∥km長(zhǎng)沙Changsha98422.96000098422.96177.00常德Changde100659.770000100659.77179.00岳陽Yueyang109457.532054.91000111512.44188.40懷化Huaihua27207.8116085.194604.48967.90105.9748971.35124.85邵陽Shaoyang69111.3613116.82281.100082509.28162.06永州Yongzhou43635.6120860.482011.430066507.52145.50郴州Chenzhou54578.866525.113157.68924.41111.0465297.10144.17

注：探測(cè)半徑是根據(jù)探測(cè)面積等效為圓面積而求得的半徑。

Note: Radius of detection was obtained based on that detection area was equivalent to circle area.

蓋面積為111 512.44 km2，由0.50°、1.45°仰角數(shù)據(jù)覆蓋，其覆蓋面積分別為109 457.53、2 054.91 km2，其等效探測(cè)半徑為188.40 km；懷化雷達(dá)的覆蓋面積為48 971.35 km2，由0.50°、1.45°、2.40°、3.35°和4.30°仰角數(shù)據(jù)構(gòu)成，對(duì)應(yīng)各層的覆蓋面積分別為27 207.81、16 085.19、4 604.48、967.90、105.97 km2，其等效探測(cè)半徑為124.85 km；邵陽雷達(dá)的覆蓋面積為82 509.28 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對(duì)應(yīng)仰角的覆蓋面積分別為69 111.36、13 116.82、281.10 km2，等效探測(cè)半徑為162.06 km；永州雷達(dá)的覆蓋面積為66 507.52 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對(duì)應(yīng)仰角的覆蓋面積分別為43 635.61、20 860.48、2 011.43 km2，等效探測(cè)半徑為145.50 km；郴州雷達(dá)的覆蓋面積為65 297.10 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°仰角反射率因子，各層仰角對(duì)應(yīng)的覆蓋面積分別為54 578.86、6 525.11、3 157.68、924.41、111.04 km2，等效探測(cè)半徑為144.17 km。同時(shí)也可以用第1層仰角掃描的面積與其總的探測(cè)面積之比的百分比(W)來說明地物阻擋情況，比值越大說明探測(cè)環(huán)境越好，通常只要沒有被地物阻擋，回波高度越低估測(cè)降水的精度越高。長(zhǎng)沙、常德的W為100%，說明地物阻擋最小；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(zhǎng)沙、常德構(gòu)成的定量估測(cè)降水的反射率因子相對(duì)更準(zhǔn)確一些。由以上分析可知，湖南省內(nèi)雷達(dá)以岳陽雷達(dá)的探測(cè)半徑最大，常德雷達(dá)次之，長(zhǎng)沙雷達(dá)第3，而懷化雷達(dá)的探測(cè)半徑最小，懷化雷達(dá)的探測(cè)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(cè)半徑最大，但從其阻擋仰角分析，是有許多區(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(zhǎng)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(cè)范圍。由圖8可知，7部雷達(dá)降水探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)范圍覆蓋。對(duì)于數(shù)據(jù)缺測(cè)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(cè)區(qū)域。而在探測(cè)范圍重疊區(qū)特別是長(zhǎng)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(dòng)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)。

注：“+”號(hào)表示雷達(dá)站的地理位置，地名表示雷達(dá)站名，散點(diǎn)是湖南省區(qū)域自動(dòng)站分布。Note: “+”: radar location; place name: name of station; scatter: distribution of automatic station in Hunan.圖8　湖南省定量估測(cè)降水業(yè)務(wù)的反射率因子構(gòu)成Fig. 8　Constitution of radar reflectivity factor for quantitative precipitation estimation in Hunan

3結(jié)論

在復(fù)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(cè)降水的精度，且正確地構(gòu)建反演的反射率因子是獲得準(zhǔn)確的雷達(dá)定量估測(cè)降水必要條件之一。該研究利用高分辨率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)果表明，對(duì)于湖南的4月份，長(zhǎng)沙、常德、岳陽、懷化、邵陽、永州和郴州雷達(dá)的探測(cè)半徑分別是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50,144.17 km，岳陽雷達(dá)的探測(cè)范圍最大，而懷化雷達(dá)的探測(cè)范圍最小?，F(xiàn)在單部雷達(dá)的定量估測(cè)降水產(chǎn)品的范圍均是230 km，對(duì)于湖南的4月份而言，可能存在超出各雷達(dá)探測(cè)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(cè)降水產(chǎn)品，同時(shí)也表明這些區(qū)域許多重要的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象如雷雨大風(fēng)、冰雹等也有可能無法探測(cè)到，對(duì)此也應(yīng)引起預(yù)報(bào)員高度的警惕。

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，可基本滿足湖南主汛期防汛業(yè)務(wù)的需求；在湖南中東部區(qū)域有多部雷達(dá)觀測(cè)，顯示這些區(qū)域的降水產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，結(jié)合稠密的區(qū)域自動(dòng)站資料，也可以作為定量估測(cè)降水算法研究的試驗(yàn)區(qū)。

該研究主要是針對(duì)湖南省主汛期的定量估測(cè)降水而言，對(duì)于其他季節(jié)的雷達(dá)反射率因子的選取方法完全一樣。實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)日的0 ℃層高度值。今后可通過具體量化分析改進(jìn)降水估測(cè)精度，并通過實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證；同時(shí)要實(shí)現(xiàn)全省的雷達(dá)定量估測(cè)降水業(yè)務(wù)，提供全省高時(shí)空分辨率的準(zhǔn)確的定量降水估測(cè)產(chǎn)品，還需要做進(jìn)一步的研究。

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基金項(xiàng)目湖南省氣象局2015年度重點(diǎn)項(xiàng)目(XQKJ15A001)。

作者簡(jiǎn)介尹忠海(1968-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，碩士，從事短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)與研究工作。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-218-07

Improvement of the Radar Measurement Accuracy of Rainfall with DEM Data

YIN Zhong-hai

(Meteorological Observatory of Hunan Province,Changsha,Hunan 410007)

AbstractWith the data of high-resolution digital elevation model(DEM) and the height value at 0 ℃ layer,under the assuming condition of standard atmospheric refractive and in the consideration of the surrounding barrier layer and the bright band at 0 ℃,the distribution of elevation angle of seven radars and the detection range of quantitative precipitation in Hunan was calculated according to the radar volume scan mode VCP21 commonly used.The results showed that the radius of radar detection in Changsha,Changde,Yueyang,Huaihua,Shaoyang,Chenzhou,Yongzhou and Zhengzhou was 177.00,179.00,188.40,124.85,162.06,145.50 and 144.17 km,and the maximum detection range was in Yueyang and the minimum,Huaihua.In flooding season,the estimation of quantitative precipitation detection,which was from the radar network in Hunan province,could be basically used for the rain-monitoring in whole province based on the removal of the influence of the bright band at 0℃.The accuracy of quantitative precipitation estimation would be improved.

Key wordsEstimation of quantitative precipitation; Terrain blockage; Radar reflectivity factor; DEM data

鳴謝中國氣象局氣象探測(cè)中心雷達(dá)室楊洪平主任、中國氣象科學(xué)研究院王紅艷研究員及重慶市氣象局張亞萍研究員對(duì)該研究提出寶貴建議與意見，特此致謝。