基于SRTM地形數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)電磁波 非常規(guī)遮擋回波補(bǔ)償技術(shù)研究

胡啟元 戚友存 王楠 朱自偉

（1 陜西省氣象臺，西安 710014；2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省氣象局，西安 710014；3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100864）

0 引言

基于多普勒天氣雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的定量降水估測（QPE）產(chǎn)品是0～2小時定量短時臨近（以下簡稱“短臨”）降水預(yù)報（QPF）和強(qiáng)降水短臨預(yù)警的重要基礎(chǔ)，但在日常業(yè)務(wù)中雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)往往存在缺失或不完整現(xiàn)象，其原因一方面是由于雷達(dá)站點(diǎn)附近存在海拔高于雷達(dá)高度的復(fù)雜地形，其低仰角電磁波束可能會部分或全部被某處地形所遮擋，另一方面由于城市建設(shè)程度日益加快，雷達(dá)站周邊增加諸多如高樓大廈、通信塔或綠化樹木等遮擋雷達(dá)電磁波的人造建筑物，使得雷達(dá)電磁波束發(fā)生遮擋，造成雷達(dá)反射率測量出現(xiàn)偏低或完全遮擋，進(jìn)而導(dǎo)致定量降水估測產(chǎn)品降水率的低估或缺測。因此，需要通過研究雷達(dá)無縫混合仰角計(jì)算方法及雷達(dá)非常規(guī)遮擋訂正技術(shù)，來正確計(jì)算雷達(dá)QPE所需的雷達(dá)回波反射率場。

最低混合有效仰角掃描反射率是指由雷達(dá)各方位角上未被嚴(yán)重遮擋的最低有效仰角反射率因子所組成的反射率平面分布，它能夠比較準(zhǔn)確地反映出最接近地面的真實(shí)降水強(qiáng)度和空間分布。美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室（NSSL）Fulton等在1997年研究WSR-88D單偏振天氣雷達(dá)降水估計(jì)算法流程時利用數(shù)字地面模型（DTM）數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了美國單偏振雷達(dá)混合仰角反射率計(jì)算方法，通過對輸入反射率進(jìn)行基于地形的混合仰角掃描預(yù)處理，盡可能降低地物雜波出現(xiàn)頻次以及由于地形阻擋造成的降水反射率數(shù)據(jù)丟失情況；Bech等利用西班牙巴塞羅那地區(qū)探空觀測數(shù)據(jù)模擬雷達(dá)在低層大氣中的傳播特征，發(fā)現(xiàn)在不同雷達(dá)波束傳播條件下采用對應(yīng)的觀測或預(yù)報的垂直折射率梯度（VRG）信息，能夠有效校正單偏振雷達(dá)電磁波束被地形部分遮擋情況；Kucera等利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和高分辨率數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行部分或完全受遮擋雷達(dá)波束的識別和能量損失校正；Langston等介紹了美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的能夠根據(jù)地形、雷達(dá)功率密度函數(shù)和波束傳播路徑來計(jì)算雷達(dá)混合掃描仰角的HybScan自動算法，并利用該算法及1弧秒DEM數(shù)據(jù)為全美所有WSR-88D雷達(dá)制作了波束遮擋區(qū)域及混合仰角參數(shù)集；Zhang等在對美國Multi-Radar Multi-Sensor （MRMS）系統(tǒng)定量降水估測應(yīng)用研究中介紹了無縫混合掃描反射率高度（SHSRH）概念及其在MRMS系統(tǒng)中對垂直反射率廓線（VPR）的校正作用，而后者是近十年國外用來改進(jìn)定量降水估測產(chǎn)品的效果較好的方法之一；Tang等針對雷達(dá)電磁波受到的非常規(guī)遮擋情況設(shè)計(jì)制作了三種遮擋修訂方法和用于業(yè)務(wù)使用的非常規(guī)遮擋修訂參數(shù)方案，并且已經(jīng)在美國本土130多部雷達(dá)進(jìn)行應(yīng)用，評估結(jié)果表明該方案能夠有效減少和消除美國降水產(chǎn)品中各種受遮擋而不連續(xù)情況。國內(nèi)也有部分學(xué)者利用混合仰角反射率進(jìn)行雷達(dá)觀測受遮擋修訂的改進(jìn)工作。肖艷姣等在2008年利用1：25萬的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算湖北SB雷達(dá)波束阻擋率，以60%阻擋率為阻擋閾值得出湖北雷達(dá)混合掃描仰角參數(shù)，并通過等射束高度拼圖數(shù)據(jù)計(jì)算混合反射率拼圖產(chǎn)品，有效解決了反射率受地物阻擋問題，但在受非地形阻擋區(qū)域回波仍明顯偏弱；戚友存等2011年在研究不同雷達(dá)垂直反射率廓線（VPR）訂正方案對雷達(dá)定量降水估測準(zhǔn)確率的改進(jìn)作用時設(shè)計(jì)了基于VPR訂正方法的QPE算法，該算法提出了一個將兩個相鄰未遮擋仰角上的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來消除遮擋不連續(xù)的無縫混合反射率（SHSR）計(jì)算方法；楊瀧等利用杭州雷達(dá)受遮擋區(qū)相鄰的無遮擋區(qū)的平均VPR遮擋模型，將高仰角無遮擋反射率因子線性插值到低仰角受遮擋區(qū)域，填補(bǔ)前、后結(jié)果評估結(jié)果表明填補(bǔ)后QPE降水量與觀測量有很好一致性，填補(bǔ)后降水估算效果優(yōu)于填補(bǔ)前；勾亞彬等通過分析浙江6部雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)概率特征，提出了一個不依賴地形數(shù)據(jù)以及大氣狀態(tài)的基于概率統(tǒng)計(jì)的雷達(dá)部分遮擋識別方法，在雷達(dá)組網(wǎng)拼圖計(jì)算時應(yīng)用該方法，能夠有效選擇在同一區(qū)域中受遮擋較輕的雷達(dá)回波反射率因子進(jìn)行拼圖，增強(qiáng)雷達(dá)重疊區(qū)域內(nèi)的組網(wǎng)拼圖數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

目前國內(nèi)外雷達(dá)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的雷達(dá)估測降水產(chǎn)品例如美國早期StageⅡ及StageⅣ產(chǎn)品和目前MRMS系統(tǒng)Q3產(chǎn)品、中國全國組網(wǎng)定量降水（MQPE）產(chǎn)品和SWAN系統(tǒng)QPE產(chǎn)品等都已運(yùn)用混合掃描反射率生成技術(shù)進(jìn)行QPE業(yè)務(wù)改進(jìn)工作，但與美國等發(fā)達(dá)國家相比我國仍存在一定差距。美國Q3產(chǎn)品針對遮擋不連續(xù)情況不僅采用基于地形和無縫處理結(jié)合方法，并且通過計(jì)算融化層高度和訂正雷達(dá)垂直廓線來找到存在有效反射率數(shù)據(jù)的最低有效仰角，進(jìn)一步提高混合反射率精準(zhǔn)度。國內(nèi)2005年研發(fā)的MQPE產(chǎn)品雖然應(yīng)用了混合反射率訂正技術(shù)但沒有利用地形信息，只是固定采集0.5°～3.4°四個仰角反射率，若遇到低仰角地形阻擋時采用阻擋物后方距離庫上的反射率數(shù)值，因此結(jié)果存在較大誤差。SWAN系統(tǒng)QPE產(chǎn)品較MQPE產(chǎn)品增加了不同地形數(shù)據(jù)對混合反射率生成的應(yīng)用，但未進(jìn)行反射率無縫技術(shù)處理，而且QPE業(yè)務(wù)產(chǎn)品仍存在由于非地形因素導(dǎo)致部分地區(qū)反射率不連續(xù)情況。因此本文研究針對因人造建筑物、樹木等非地形因素造成的雷達(dá)電磁波受遮擋不連續(xù)現(xiàn)象，形成基于最優(yōu)無縫混合掃描仰角的遮擋修訂參考方案，通過對典型個例或汛期降水過程的定量、定性統(tǒng)計(jì)特征來分析參考方案的應(yīng)用效果，解決陜西雷達(dá)因觀測被遮擋而造成定量降水估測產(chǎn)品缺失或錯誤問題，并在陜西短臨預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 選取數(shù)據(jù)

本文使用數(shù)據(jù)主要包括DEM地形數(shù)據(jù)、雷達(dá)體掃觀測和地面雨量計(jì)降水觀測數(shù)據(jù)。DEM地形資料由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的中國境內(nèi)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）數(shù)據(jù)，分辨率為90 m×90 m；雷達(dá)體掃觀測數(shù)據(jù)選取2017—2019年5—10月陜西7部C波段業(yè)務(wù)雷達(dá)逐6分鐘實(shí)時基數(shù)據(jù)（圖1a），雷達(dá)最遠(yuǎn)探測距離400 km，反射率和徑向速度分辨率分別為0.5和0.125 km/h，采用VCP21體掃模式，9個有效仰角（0.5°，1.5°，2.4°，3.4°，4.3°，6.0°，9.9°，14.6°，19.5°）；地面雨量計(jì)降水觀測數(shù)據(jù)選取2017—2019年5—10月陜西1872個加密氣象觀測站逐小時降水量數(shù)據(jù)（圖1b）。

圖1 陜西雷達(dá)站點(diǎn)分布與地形圖（a）和地面雨量計(jì)觀測站分布圖（b） Fig. 1 Distribution of radar stations and topographic (a) and distribution of surface rainfall observation stations (b) in Shaanxi Province

1.2 雷達(dá)電磁波非常規(guī)遮擋回波補(bǔ)償技術(shù)

多普勒雷達(dá)低層仰角電磁波束被遮擋原因主要包括因復(fù)雜地形遮擋和地物（樹木、高樓、高速路、高壓線電塔等人造建筑物）遮擋，本文將地形遮擋稱為雷達(dá)電磁波常規(guī)遮擋因素（STANDARD BLOCKAGE，SB），地物（非地形遮擋）遮擋稱為雷達(dá)電磁波非常規(guī)遮擋（NON-STANDARD BLOCKAGE，NSB）。為解決這兩類因素對雷達(dá)電磁波造成的遮擋問題，本文基于陜西省7部多普勒天氣雷達(dá)，研發(fā)了雷達(dá)電磁波遮擋訂正算法（圖2），首先利用2017—2019年5—10月逐6分鐘雷達(dá)原始基數(shù)據(jù)通過

Z

-

R

關(guān)系計(jì)算得出雷達(dá)各仰角的累積QPE空間分布，結(jié)合由陜西DEM地形數(shù)據(jù)及雷達(dá)不同仰角波束高度信息形成的最低有效仰角分布，計(jì)算基于地形的混合掃描仰角的累積QPE空間分布；其次在單雷達(dá)QPE累積分布上查找識別出NSB區(qū)域，根據(jù)NSB區(qū)域特征和大小研究制定三種修訂方案進(jìn)行分類修訂處理，并形成各雷達(dá)NSBM參考方案，將參考方案再應(yīng)用到QPE累積分布修訂流程中，得出基于地形遮擋和NSB共同修訂的最優(yōu)無縫混合仰角反射率及QPE產(chǎn)品；最后通過在典型降水個例和所有降水過程中，對各雷達(dá)的最優(yōu)無縫混合仰角反射率QPE產(chǎn)品與觀測范圍內(nèi)的地面雨量計(jì)實(shí)況資料進(jìn)行定性、定量統(tǒng)計(jì)分析，評估修訂算法改進(jìn)優(yōu)劣和算法性能。

圖2 陜西多普勒天氣雷達(dá)電磁波非常規(guī)遮擋區(qū)域回波補(bǔ)償方案技術(shù)流程示意圖 Fig. 2 Flow chart of compensated scheme for electromagnetic beam non-standard blockage area in Shaanxi Doppler weather radar.

（1）基于陜西DEM地形數(shù)據(jù)計(jì)算雷達(dá)最低有效仰角

計(jì)算雷達(dá)混合掃描仰角反射率的前提是計(jì)算出雷達(dá)不同仰角上電磁波受遮擋的百分比；再根據(jù)計(jì)算得到的雷達(dá)電磁波遮擋百分比，確定雷達(dá)在各方位角上的最低有效仰角。本研究中，把單仰角電磁波束被地形遮擋的電磁波能量占總能量的百分比稱為遮擋率，并且在雷達(dá)不同方位角上選取的雷達(dá)波束被遮擋率小于50%的最低仰角作為該方位角上的最低有效仰角，由此得出該雷達(dá)掃描平面內(nèi)最低有效仰角分布。

（2）NSB區(qū)域的識別定位

基于最低有效仰角分布，計(jì)算得到的雷達(dá)最低混合仰角反射率分布可以很好地改善由于復(fù)雜地形造成的SB情況。但在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中仍存在由于地物導(dǎo)致的NSB情況，因此需要對NSB區(qū)域進(jìn)行識別定位并進(jìn)行訂正。通常NSB區(qū)域可以從雷達(dá)各仰角單時次混合反射率PPI分布上識別出來，但由于有些情況下雷達(dá)電磁波遮擋不嚴(yán)重，通過單時次雷達(dá)反射率很難識別出來。因此本研究中，采用長時段的雷達(dá)混合反射率對應(yīng)的QPE累積分布（采用

Z

=300×

R

固定

Z

-

R

關(guān)系）來識別NSB區(qū)域。

（3）NSB區(qū)域修訂方法

識別出雷達(dá)NSB區(qū)域位置信息后，根據(jù)NSB區(qū)域不同特征采用三種修訂方法進(jìn)行遮擋不連續(xù)修訂。

① 針對方位角寬度小于5°的NSB區(qū)域，采用交叉方位角插值法進(jìn)行處理，算法見式（1）。造成這種方位角寬度＜5°NSB區(qū)域的原因通常是由于孤立的高層建筑或高大樹木阻擋了低層仰角反射率，并且相鄰NSB區(qū)域兩側(cè)的電磁波束能量沒有受到任何遮擋影響。通過該方法進(jìn)行遮擋修正后反射率或降水分布圖像更加平滑，降水系統(tǒng)表現(xiàn)更加完整，但前提是假設(shè)降水回波強(qiáng)度在NSB區(qū)域的水平變化較小。

其中：

A

與

A

為NSB區(qū)域的上下邊界方位角，

A

為

A

與

A

之間的某個方位角， 為方位角

A

上的反射率值。

② 針對方位角寬度大于5°的NSB區(qū)域，采用更高一層仰角反射率數(shù)據(jù)替代NSB區(qū)域數(shù)據(jù)方法，算法見式（2）。該類NSB在地物遮擋情況中占大多數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)該類NSB情況時說明該區(qū)域雷達(dá)低層電磁波束被高大建筑群或茂密植被帶嚴(yán)重遮擋，并且由于無法忽視降水系統(tǒng)的大范圍水平空間變化而不能采用方法①進(jìn)行修訂，因此需要采用更高一層接近地面的反射率場進(jìn)行填補(bǔ)替代。通過該方法可以有效地修正雷達(dá)大范圍反射率或降水分布存在的遮擋不連續(xù)，但前提是在NSB區(qū)域中降水系統(tǒng)內(nèi)部垂直變化較小，例如在取得的更高一層反射率場上不存在明顯亮帶等。

③ 混合仰角反射率場進(jìn)行SB處理和方法②修訂后，可能還會存在由于相鄰方位角采用不同仰角反射率而造成的回波強(qiáng)度不連續(xù)梯度，需要采用線性加權(quán)滑動平均法對其進(jìn)行平滑處理，算法見式（3）。該方法并不直接對NSB區(qū)域進(jìn)行修正，而是對基于DEM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)混合仰角掃描反射率或者方法②生成出來的混合仰角反射率進(jìn)行非自然邊界平滑處理。

其中：

A

為NSB區(qū)域邊界的方位角，

i

是

A

相鄰方位角， －

N

≤

i

≤

N

，選取

N

=5（方位角

A

前后5個相鄰點(diǎn)），

W

為線性權(quán)重，

R

為方位角

A

上對應(yīng)仰角的反射率值。

（4）定量統(tǒng)計(jì)分析方法

為評估遮擋修訂前后算法改進(jìn)優(yōu)劣，選取典型個例和汛期降水過程進(jìn)行均方根誤差（

RMSE

）、平均絕對誤差（

MAE

）和相關(guān)系數(shù)（

CC

）（公式4～6）統(tǒng)計(jì)特征分析，對基于最優(yōu)無縫混合掃描仰角反射率的定量降水估測產(chǎn)品與地面雨量計(jì)進(jìn)行修訂算法評估。

其中：

r

為雷達(dá)定量估測降水量，

g

為地面雨量計(jì)觀測降水量。

2 基于最優(yōu)無縫混合掃描仰角的雷達(dá)遮擋區(qū)域修訂算法

2.1 陜西雷達(dá)受常規(guī)遮擋（SB）情況及改進(jìn)結(jié)果評估

陜西7部CB波段多普勒天氣雷達(dá)（榆林、延安、西安、寶雞、漢中、安康、商洛）站點(diǎn)布設(shè)位置附近均受到不同程度的地形遮擋情況，其中商洛雷達(dá)低層電磁波束受遮擋最嚴(yán)重，榆林雷達(dá)受遮擋程度最小。以商洛雷達(dá)為例，圖3a為商洛雷達(dá)2019年5月—10月0.5°～3.4°基于QPE累積降水的各方位角上最大徑向探測距離（

L

）分布，可以看出雷達(dá)0.5°、1.5°仰角上

L

＞300 km區(qū)域占總區(qū)域9%和31%， 在2.4°仰角上

L

＞200 km和3.4°仰角上

L

＞150 km區(qū)域占比分別提高至61%和78%，可見雷達(dá)有效可探測區(qū)域隨著仰角抬高迅速增大，大部分地形遮擋情況存在1.5°仰角以下，但在商洛雷達(dá)東北部（約25°～80°）和西北部（約330°～350°）在3.4°仰角上仍存在明顯遮擋不連續(xù)區(qū)域，直到抬高至6.0°仰角才能明顯改善（圖略），這種復(fù)雜地形環(huán)境造成無法直接使用0.5°或1.5°仰角反射率進(jìn)行定量降水估測，需要進(jìn)行混合仰角處理后才能計(jì)算出雷達(dá)最接近地面的有效降水回波。

圖3 商洛雷達(dá)2019年5—10月QPE累積降水各方位角上最大徑向距離分布 （a）0.5°—3.4°仰角；（b）混合仰角 Fig. 3 Maximum radial distance distribution of accumulated QPE in Shangluo radar from May to October 2019 (a) 0.5°to 3.4°elevation angle, (b) hybrid elevation angle

通過最低有效仰角參數(shù)選取方法計(jì)算得出的雷達(dá)基于地形混合仰角參數(shù)分布（圖4），可以看出除榆林雷達(dá)大部地區(qū)可直接采用0.5°仰角反射率進(jìn)行QPE計(jì)算以外，其他雷達(dá)都需要取更高一層或以上仰角：延安雷達(dá)北部、西南部、東南部和西北部局地需采用1.5°仰角；西安雷達(dá)東南部、西南部、西北部及寶雞雷達(dá)西北部、西部需采用1.5°仰角，南部需采用2.4°仰角才能觀測到有效反射率；陜南三市由于地處秦巴山區(qū)中，低層仰角反射率受遮擋更加嚴(yán)重，其中安康雷達(dá)大部地區(qū)需采用2.4°仰角，南部受山峰遮擋需采用4.3°仰角，漢中雷達(dá)除東部及西部局地以外均需采用1.5°以上仰角，商洛雷達(dá)各方位角上采用了從1.5°～3.4°差別明顯的混合仰角，并且在漢中北部和商洛西北部、東北部有效最低仰角高度達(dá)到了4.3°或6.0°仰角。通過各雷達(dá)基于地形的混合仰角參數(shù)分布，能夠有效訂正受地形遮擋情況，對比圖3a可以看出，商洛雷達(dá)進(jìn)行混合仰角處理后其5—10月QPE累積降水（圖3b）在大部分方位角上都能觀測到有效回波，尤其在西北部受遮擋區(qū)域改進(jìn)效果明顯。

圖4 陜西7部雷達(dá)基于地形資料的混合仰角參數(shù)分布 Fig. 4 Distribution of hybird elevation angle parameters of seven radars based on terrain data in Shaanxi Province

雖然理論上通過基于地形的混合仰角參數(shù)能夠有效解決雷達(dá)低層降水回波受遮擋情況，但實(shí)際業(yè)務(wù)中計(jì)算出的混合仰角反射率分布仍存在部分區(qū)域缺失和局地不連續(xù)現(xiàn)象。圖5給出了安康雷達(dá)2019年5—10月在進(jìn)行SB情況修訂前的2.4°仰角QPE累積分布（0.5°和1.5°仰角可觀測數(shù)據(jù)過少故不采用）和進(jìn)行SB情況修訂后的混合仰角QPE累積分布，可以看出采用混合仰角處理比直接采用2.4°仰角能夠觀測到更多降水，南部、東北部原本缺失的降水區(qū)域得到有效填補(bǔ)，但修訂后的混合仰角QPE分布依然存在大量不連續(xù)區(qū)域：1） 西南部、偏西部存在方位角寬度約5°～10°的空白區(qū)域，其原因是由于過時DEM地形數(shù)據(jù)或者密集建筑群造成；2） 多處方位角寬度＜5°的分散的楔形不連續(xù)區(qū)域，多是由于孤立建筑物或高大樹木造成；3） 2.4°仰角QPE分布上部分區(qū)域如偏南部（如170°或190°）雖然有降水?dāng)?shù)據(jù)，但明顯低于附近方位角降水量，可能是由于電磁波束被地形部分遮擋導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)偏低造成，這一部分本文不做討論，按照遮擋不連續(xù)情況進(jìn)行修訂。

圖5 2019年5—10月安康雷達(dá)QPE累積分布 （a）2.4°仰角QPE分布；（b）經(jīng)過SB修訂后的混合仰角QPE分布 Fig. 5 QPE cumulative distribution of Ankang radar from May to October 2019 (a) QPE distribution at 2.4°elevation, (b) Hybird elevation QPE distribution revised by SB scheme

2.2 陜西雷達(dá)受非常規(guī)遮擋（NSB）區(qū)域修訂方法及改進(jìn)結(jié)果評估

對雷達(dá)NSB區(qū)域進(jìn)行修訂之前需要按照NSB修訂方法進(jìn)行分類，然后分區(qū)域進(jìn)行處理。由于雷達(dá)各體掃模式的起始體掃高度存在差異，對不同體掃模式下需采用對應(yīng)的修訂處理，陜西CB雷達(dá)普遍采用VCP21模式，因此本文針對7部雷達(dá)分別制作適用于VCP21模式的NSB修訂參考方案，實(shí)現(xiàn)在業(yè)務(wù)應(yīng)用中能夠?qū)崟r自動修訂而不需要再進(jìn)行人工干預(yù)。利用經(jīng)過SB修訂的陜西7部雷達(dá)2019年5—10月逐6分鐘QPE累積分布，計(jì)算確定出NSB區(qū)域位置信息，按順時針方向定義

A

為NSB區(qū)域起始方位角，

A

為NSB區(qū)域終止方位角，

R

為起始徑向距離，

R

為終止徑向距離，根據(jù)2.2節(jié)NSB修訂方法，分類采用不同執(zhí)行方案，其中針對方法2在NSB修訂參考方案上定義EleNum為所取更高仰角的數(shù)量（0代表采用其他方法，1代表需在原仰角上再抬高一個仰角，以此類推），由此可以得出每部雷達(dá)的NSB修訂參考方案（表1，以安康為例）。

表1 安康雷達(dá)NSB修訂參考方案 Table 1 Reference scheme for NSB revision of Ankang radar

按照安康雷達(dá)NSB修訂參考方案，繼續(xù)對2.1節(jié)經(jīng)過SB修訂的QPE累積分布進(jìn)行NSB修訂，得出最終基于最優(yōu)無縫混合掃描仰角遮擋修訂算法的定量降水估測產(chǎn)品（圖6），結(jié)果表明修訂效果明顯，修訂后水平方向不連續(xù)區(qū)域明顯減少，可觀測到回波降水范圍基本覆蓋所有地區(qū)。通過安康雷達(dá)2019年6月5日8時—11時逐小時混合反射率在NSB修訂前、后對比結(jié)果來分析改進(jìn)效果，圖7a、7c、7e、7g為未經(jīng)過NSB修訂混合反射率分布，隨著回波從西南向東北發(fā)展，雷達(dá)西北部和西南部狹長的楔形遮擋不連續(xù)現(xiàn)象非常明顯，而對應(yīng)時次的圖7b、7d、7f、7h中上述不連續(xù)區(qū)域經(jīng)過NSB修訂得到了明顯改進(jìn)，使整個過程中混合仰角反射率表現(xiàn)出了較好的連續(xù)和平滑特征。值得注意的是圖7c和7d上09時次在雷達(dá)東南部120°～135°附近回波相比緊鄰兩側(cè)回波強(qiáng)度偏弱，如果只從單時次的回波特征來看可能是由于電磁波束部分被遮擋造成的回波強(qiáng)度不連續(xù)，但從下幾個時次（10時和11時）可以看出隨著回波移動該區(qū)域回波強(qiáng)度與兩側(cè)基本一致，實(shí)際上并不存在不連續(xù)情況。上述現(xiàn)象說明從單時次反射率或QPE降水分布上無法準(zhǔn)確識別出NSB區(qū)域，因此需要采用長時段反射率分布或累積QPE分布來進(jìn)行識別遮擋不連續(xù)位置。

圖6 經(jīng)過NSB修訂后的安康雷達(dá)2019年5—10月QPE累積分布 Fig. 6 QPE cumulative distribution of Ankang radar from May to October 2019 revised by NSB scheme

圖7 安康雷達(dá)2019年6月5日08—11時逐小時修訂前混合仰角反射率（a，c，e，g）和修訂后混合仰角反射率（b，d，f，h）（單位：dBz） Fig. 7 The comparison of Ankang radar hourly hybird reflectivity before (a,c,e,g) and after (b,d,f,h) revision from 08:00 to 11:00 on 5 June 2019 (unit: dBz)

3 修訂效果評估

3.1 降水個例改進(jìn)效果

從2.2節(jié)安康一次降水過程雷達(dá)反射率演變的定性評估可以看出，經(jīng)過最優(yōu)無縫混合掃描仰角處理遮擋不連續(xù)后的降水回波覆蓋面和平滑程度較改進(jìn)前有明顯提高，為了進(jìn)一步定量評估改進(jìn)前、后效果，選取了延安、寶雞、西安、漢中、安康、商洛6部雷達(dá)在2017年—2019年6次對流降水或穩(wěn)定降水過程進(jìn)行效果評估。選取的對流降水過程包括延安2019年7月21—22日、漢中2019年8月9日，穩(wěn)定降水過程包括西安2019年9月14日、寶雞2017年6月3—4日、商洛2017年6月4日、安康2018年6月18日。

對上述過程以均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）和相關(guān)系數(shù)（CC）為檢驗(yàn)指標(biāo)，以使用固定

Z

=300×

R

關(guān)系得出的雷達(dá)估測降水量與對應(yīng)的地面降水量作為檢驗(yàn)要素，以各雷達(dá)存在的非常規(guī)遮擋區(qū)域作為評估空間范圍，進(jìn)行逐小時混合反射率修訂前、后評估對比分析。通過圖8可以看出，各雷達(dá)非常規(guī)遮擋區(qū)域內(nèi)大部分時間RMSE、MAE、CC在修訂后比修訂前表現(xiàn)更好，其中漢中、延安、安康三市改進(jìn)效果最為明顯，平均RMSE從修訂前6.214減小到4.236，平均MAE由0.861降低至0.627，相關(guān)系數(shù)CC由0.238提高至0.514，非常規(guī)遮擋區(qū)域的QPE雨量與地面雨量偏差離散度得到有效抑制，兩者相關(guān)性提高53%。評估結(jié)果表明在固定

Z

-

R

關(guān)系下，經(jīng)過NSB修訂后的雷達(dá)估測降水量與地面降水量之間的誤差更小，估測降水分布比修訂前更接近于地面降水分布，同時在延安和漢中對流降水過程中相同

Z

-

R

關(guān)系下修訂后的RMSE、MAE和CC比修訂前有更好表現(xiàn)，這說明NSB修訂處理能有效改善強(qiáng)對流降水過程中由于遮擋導(dǎo)致強(qiáng)降水回波缺失現(xiàn)象，使得更多與地面降水量線性相關(guān)度高的降水回波被填補(bǔ)進(jìn)混合反射率中。

圖8 各雷達(dá)在典型個例過程中均方根誤差（a）、平均絕對誤差（b）和相關(guān)系數(shù)（c）在修訂前、后對比情況 （實(shí)線為修訂前，虛線為修訂后） Fig. 8 The comparison before and after revision of the root mean square error (a), mean absolute error (b) and correlation coefficient (c) of each radar (The solid line is before revision, the dotted line is after revision)

為更客觀評估雷達(dá)估測降水的改進(jìn)效果，將延安、漢中、安康個例過程中回波覆蓋面積最大時刻（延安7月21日23時、漢中8月9日4時、安康6月18日0時）的修訂前、后估測降水量與實(shí)況降水量進(jìn)行定量對比。圖9a、9b、9c顯示了修訂前、后發(fā)生變化的估測降水站點(diǎn)，修訂后站點(diǎn)QPE降水更趨近分布在等比例線附近，與地面雨量線性相關(guān)程度更好，對應(yīng)的趨勢線（黑色虛線為修訂后，灰色虛線為修訂前）在修訂后擬合程度更高；QPE偏小而地面雨量偏大的點(diǎn)顯著減小，說明修訂后的降水回波在不受遮擋影響情況下更接近理想情況下代表地面降水的最低降水回波。各雷達(dá)在修訂后可觀測到QPE站點(diǎn)數(shù)超過修訂前站點(diǎn)數(shù)，進(jìn)一步說明原本被遮擋的降水回波在進(jìn)行NSB修訂后可以被觀測到。

圖9 延安、漢中、安康雷達(dá)1小時雷達(dá)估計(jì)降水量與地面降水量比較 （a）延安7月21日23時；（b）漢中8月9日4時；（c）安康6月18日0時 （灰方塊為修訂前結(jié)果，黑圓點(diǎn)為修訂后結(jié)果；灰虛線為修訂前R2趨勢線，黑虛線為修訂后R2趨勢線） Fig. 9 The comparison of 1-hour radar estimated precipitation with surface precipitation in Yan’an, Hanzhong and Ankang (a) 23:00 BT, July 21, Yan’an, (b) 04:00 BT on August 9, Hanzhong, (c) 00:00 BT, June 18, Ankang (the gray box is the result before revision, the black dot is the result after revision, the gray dotted line is the R2 trend line before revision, the black dotted line is the R2 trend line after revision)

3.2 所有降水過程定量評估

對2019年5月—10月6部雷達(dá)觀測范圍內(nèi)所有降水過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同樣以各雷達(dá)存在的非常規(guī)遮擋區(qū)域作為評估空間范圍，各雷達(dá)長時段序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖略）顯示在穩(wěn)定性降水過程中修訂后RMSE明顯優(yōu)于修訂前，在對流性降水過程修訂后RMSE有所減小但不明顯；MAE統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示經(jīng)過遮擋修訂后大部分降水過程中部分時段的高誤差現(xiàn)象得到了有效抑制，并且約有75%降水過程MAE較修訂前降低；相關(guān)系數(shù)CC由修訂前的69.7%降水過程為正相關(guān)提升至修訂后的93.5%降水過程為正相關(guān)。表2為全部降水過程計(jì)算得出的修訂前、后平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，漢中平均RMSE和平均MAE減小最多，改進(jìn)提高效果最明顯，延安平均CC提高幅度最大，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以應(yīng)用于業(yè)務(wù)逐6分鐘混合仰角反射率產(chǎn)品檢驗(yàn)中，作為參考樣本實(shí)時評估產(chǎn)品改進(jìn)效果。

表2 2019年5—10月陜西各雷達(dá)平均RMSE、MAE和CC Table 2 Average RMSE, MAE and CC of radar in Shaanxi from May to October 2019

4 結(jié)論

本文通過分析陜西多普勒天氣雷達(dá)因人造建筑物、森林等非地形因素造成的降水觀測空間不連續(xù)問題，基于精細(xì)的地形數(shù)據(jù)信息，提出了一種雷達(dá)電磁波非常規(guī)遮擋回波補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)合長時段雷達(dá)估測降水累積分布和地面實(shí)況雨量分布制定了各雷達(dá)遮擋修訂方案，并利用降水典型個例和汛期所有降水過程檢驗(yàn)評估了遮擋修訂方案對用于雷達(dá)定量降水估測的提升效果，最終得到以下結(jié)論：

1）陜西復(fù)雜地形環(huán)境導(dǎo)致雷達(dá)觀測資料需要進(jìn)行最優(yōu)無縫混合仰角處理遮擋現(xiàn)象后才能正確計(jì)算用于降水估測的降水回波。首先利用SRTM地形數(shù)據(jù)和雷達(dá)體掃信息計(jì)算得出各雷達(dá)最低有效混合仰角參數(shù)信息；其次利用長時間段雷達(dá)QPE累積分布識別非地形遮擋（NSB）導(dǎo)致的降水空間不連續(xù)區(qū)域，經(jīng)過交叉方位角插值、更高一層仰角數(shù)據(jù)填補(bǔ)和線性加權(quán)滑動平均等方法，最終形成最優(yōu)無縫非常規(guī)電磁波遮擋補(bǔ)償技術(shù)。

2）修訂前、后的雷達(dá)混合仰角反射率及QPE分布對比結(jié)果表明，經(jīng)過雷達(dá)電磁波非常規(guī)遮擋補(bǔ)償技術(shù)修訂后可以有效填補(bǔ)反射率分布和QPE分布中大范圍或局地楔形的遮擋不連續(xù)區(qū)域，較為準(zhǔn)確地還原雷達(dá)實(shí)際降水回波分布。經(jīng)過最優(yōu)無縫混合掃描仰角處理后的降水回波覆蓋面和平滑程度較改進(jìn)前有明顯提高，采用的遮擋不連續(xù)修訂參考方案可直接應(yīng)用到業(yè)務(wù)觀測中，實(shí)時自動修訂得出混合仰角反射率產(chǎn)品。

3）典型個例和汛期降水過程檢驗(yàn)評估顯示在固定

Z

-

R

關(guān)系下，經(jīng)過遮擋不連續(xù)修訂后的雷達(dá)估測降水量與地面降水量之間均方根誤差、平均絕對誤差明顯減小，兩者具有更好的線性相關(guān)性，QPE分布比修訂前更接近于地面降水分布，并且在強(qiáng)對流降水過程中能有效改善由于遮擋導(dǎo)致強(qiáng)降水回波缺失現(xiàn)象。

由于部分降水過程中存在低層仰角電磁波束部分被遮擋現(xiàn)象，造成低層仰角反射率強(qiáng)度偏小但不能忽視，或者存在降水系統(tǒng)相對淺薄、云頂高度較低導(dǎo)致抬高仰角后電磁波束超過云頂?shù)惹闆r，并且NSB修訂參考表格隨城市發(fā)展需要及時更新，因此后續(xù)仍需繼續(xù)開展更多研究以便進(jìn)一步提高改進(jìn)陜西雷達(dá)遮擋修訂工作及QPE精度。