X波段測雨雷達強度資料評估及改進方法?

曹俊武,胡志群

(1.安徽四創電子股份有限公司,安徽合肥230088;2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京100081)

0 引言

降雨是徑流模擬和洪水預報中最重要的信息之一,其時空變化嚴重影響洪峰流量和洪峰出現時間[1]。通常情況下傳統洪水監測預報依靠的降雨數據是通過分散布設在關鍵河道和集水區的雨量計站網獲得的,而雨量計只能在點上精確測量降水,所代表的區域非常有限,不能反映降雨空間分布,要準確測量一個流域上的降水分布必須布設非常稠密的雨量站網,目前在我國還不現實。雷達作為一種主動遙感手段可得到具有一定精度的、大范圍高時空分辨率的實時降水信息,應用雷達進行降雨監測和面雨量計算,可以提高洪水預報的精度和時效性,在洪災監測預報中有很好的應用前景,因此雷達在水文水資源學中的應用研究日益受到關注[2-3]。目前,中國氣象局已經在全國范圍內完成新一代天氣雷達網的建設工作并投入到業務運行中[4],水利部門也逐步在一些河流流域和城市的關鍵區域布置X波段雷達進行組網探測,以便更好地為流域雨量的監測和城市防洪服務[2]。

多年來許多氣象和水文學者在水文水資源研究中應用雷達降雨信息做了大量的研究工作,這些研究為提高水文預報精度提供了許多有借鑒意義的建設性思路,也取得了大量積極性的成果。雷達資料質量評估是雷達資料應用前最為重要的一環,直接關系到最終雨量估測結果的合理性。影響雷達資料質量的因子有很多,其中非氣象回波(如地物雜波、海浪雜波和生物雜波)的干擾和降水粒子對電磁波的衰減是兩個最為主要的因子。這些因子會使雷達測量值與其真實值之間產生偏差,并直接影響最終的降水估測產品。

本文在Friedrich等人[5]的研究基礎上,分析了影響測雨雷達強度資料質量的因子,提出了定量評估雷達資料的方案,并利用X波段測雨雷達的實測資料對定量評估方案進行了檢驗。同時在此基礎上提出了改進雷達資料質量的措施,為提高雷達估測降水的準確度和災害性洪水的監測預警能力提供理論基礎,以便更好地為社會經濟發展服務。

1 雷達強度資料的定量評估方案

1.1 方案介紹

一般認為,導致雷達強度資料不確定性的主要影響因子為:(1)波束展寬因子(雷達質量指數Frange);(2)波束阻擋因子(雷達質量指數Fshield);(3)電磁波衰減因子(雷達質量指數Fatt);(4)垂直廓線不均勻因子(雷達質量指數Fvpr)。Friedrich等[5]根據多個歐洲氣象服務部門有關雷達資料使用需求的調查結果,利用雷達質量指數算法對影響雷達強度、速度和偏振資料質量的各主要因子按0～1的取值范圍進行量化處理,得到各影響因子的質量指數,并按相應的權重系數進行加權求和得到平均質量指數,以此來表征雷達資料質量受各因子的影響程度及其整體情況。其中,質量指數越接近0,表明雷達資料受該因子的影響程度越大,質量越差;質量指數越接近于1,表明雷達資料受各因子影響越小,質量越好。

上述4個因子對強度資料的綜合影響程度可用平均雷達質量指數FZ來定量表示:

式中,CZ=Wrange+Wshield+Watt+Wvpr;Wrange,Wshield,Watt,Wvpr為各影響因子的權重系數。當雷達波束被地物完全遮擋(Fshield=0),或雷達電磁波受降水粒子影響而存在嚴重衰減(Fatt=0)時,相應距離庫的數據被認為是不可靠的,其FZ=0,在進行估測降水時這些資料將被剔除。

1.2 波束展寬因子F range

隨著探測距離的增大,雷達電磁波的波束寬度在水平和垂直方向都會出現展寬現象,波束高度也隨之增大。當波束寬度超過零度層亮帶的厚度時,利用雷達探測零度層亮帶將變得非常困難。而當波束高度超過降水回波的高度時,利用雷達數據進行降水估測也將出現明顯誤差。雷達電磁波的超折射效應會隨著探測距離的增大而加強,從而導致降水回波的錯誤定位和地物雜波污染,反射率因子(ZH)的測量精度隨距離的增大基本呈線性下降趨勢。因此,Frange的定義如下:

式中,rmax為由最大體積分辨率Vmax得到的最大探測距離,通常可由下式得到:

式中,θ,φ,μ分別為雷達的水平波束寬度(°)、垂直波束寬度(°)和發射脈寬(μs)。

1.3 波束阻擋因子F shield

當地物部分甚至完全阻擋雷達電磁波的傳播時,其后向散射回來的強信號會直接污染氣象回波信號。當波束部分阻擋時,雷達發射電磁波的峰值功率有所減弱,其后向散射信號的強度也將隨之減弱;而當電磁波主瓣被阻擋時,由脈沖邊緣產生的后向散射信號會被誤認為是主瓣的回波信號,從而產生高度誤差。Fshield的值在0(完全阻擋)和1(沒有阻擋)之間,對于雷達電磁波受到部分阻擋時,其Fshield可以由下式表示:

式中,θ0和θGL分別為波束主瓣軸的仰角和地物相對雷達的仰角,Θ為3 dB波束寬度。在完全阻擋時,Fshield=0;而在完全無阻擋時,則Fshield=1。值得注意的是,當前距離庫的Fshield需參考同一徑向前一個距離庫的Fshield。如果該距離庫上的Fshield值大于前一個距離庫上的Fshield值,在該庫上的Fshield值用前一個距離庫上的值代替。

1.4 垂直廓線不均勻因子

受水凝物的增長效應(凝結、凝聚、蒸發等)、相態變化(冰、水、融化中的雪等)、下落速度,以及反射率因子ZH正比于粒子尺寸的六次方等因素的影響,ZH的垂直廓線表現出明顯的時空變化性。為了便于分析,在計算Fvpr時作如下假設:當雷達有效照射波束完全低于零度層高度時,ZH主要來自液態降水粒子,其Fvpr=1;而零度層以上存在雪、冰雹、霰等粒子,考慮到這些粒子在通過零度層下降到地面的過程中,其特性會發生很大的變化,因此,如果根據零度層以上的雷達回波資料來估測降水就會產生很大的誤差,因此在評估其估測降水的可靠性上,可假定其Fvpr=0。

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1.5 電磁波衰減因子

降水粒子對雷達電磁波的吸收和散射作用使其對電磁波能量具有衰減效應,其衰減大小主要取決于電磁波的波長λ,對于X波段雷達,電磁波的衰減嚴重影響了強度資料的應用。衰減作用會沿著徑向方向逐漸累積,在強對流單體或零度層亮帶后常存在明顯衰減,有的甚至是S波段的100倍以上[6]。在雙程衰減下,Fatt可以由下式表示:

式中,Kmax和Kmin分別為衰減量的最大和最小閾值,對于X波段,其經驗閥值分別為6 dB和1 d B[19]。從上式可見,信號衰減越嚴重,Fatt越接近0,反之則越接近1。

2 X波段測雨雷達

本文所用的雷達資料來源于安徽四創電子股份有限公司生產的X波段中頻相參雷達(以下簡稱SCXD-03雷達),該雷達可定量測量60 km范圍內氣象目標的強度、平均徑向速度和速度譜寬,對徑向風速測量的范圍大于32 m/s。表1給出了該雷達部分主要的性能指標。

參 數 指 標工作頻率天線口徑脈沖峰值功率脈沖寬度波束寬度脈沖重復頻率探測范圍地雜波抑制比接收機動態范圍X波段1.8 m≥50 k W 0.4μs 1.3°(水平、垂直)400～2 000 Hz 60 km(強度、速度、譜寬)≥30 d B≥80 d B

該雷達自研制成功以來,多次在外場開展試驗,取得了大量有意義的探測資料,本文所用的觀測資料就是該雷達于2013年在淮河流域進行降水測量試驗時獲取的觀測資料(雷達站海拔高度162 m)。

3 試驗效果檢驗

3.1 對流性降水過程分析

2013年8月22-24日,受臺風“譚美”外圍的影響,架設在淮河流域上游商城縣的SCXD-03雷達探測到了一次大范圍的中等降水過程,當時降水時間持續在30 h以上,雨量中等。圖1給出了22日18:14(北京時間,下同)時刻的PPI(Plan Position Indicator)圖,雷達最大觀測仰角為4.3°,最大觀測距離為60 km,每個距離圈的長度為12 km,雷達位置位于半圓的圓心處。為保證測量的準確性,雷達在開始觀測時已經過嚴格的強度標定。

圖1 2013年8月22日18:14,SCXD-03雷達探測到“譚美”臺風外圍的一次降水過程的回波圖

比較圖1(a)和(b)可以看出:這是一次比較明顯的、有“帶”狀回波的對流性降水過程,回波帶上有若干個對流性單體,強度在45 dBz以上。進行地物抑制前后的回波圖輪廓基本相同,可見的地物回波主要集中在雷達近區(徑向距離7 km以內),而在雷達遠區,由于雷達仰角較高(4.3°),超過了地物的最高高度,因此回波的差異并不明顯。

3.1.1 波束展寬因子的影響

圖2給出了對應圖1時刻的Frange分布圖。由圖可見,隨著探測距離的增大(即逐漸遠離雷達),Frange越來越小,這表明雷達波束隨距離的增大而逐漸展寬,對雷達資料質量的影響程度也逐漸增大。需要說明的是,該圖是根據降水估測所需求的體積分辨率計算的最大有效距離得到,對于不同的降水類型(如層狀云降水、對流云降水以及混合性降水等),得到的Frange分布圖會根據所要求的體積分辨率大小可以變化的。

圖2 波束展寬因子F range分布圖(時間同圖1)

3.1.2 波束阻擋因子的影響

波束阻擋因子Fshield的計算僅由雷達架設位置的地理特性和雷達本身的性能決定,與氣象目標特性無關,因此對于固定站的雷達來說,當雷達性能參數確定后,Fshield僅與雷達探測時的仰角θ0有關,理論上僅需要計算一次。雷達架設位置的地理特性可由中國地理信息數據庫計算得到。通常雷達在架設完成后都會根據當地的地理位置信息制作測站的“等射束波束圖”,同時在正式進行回波探測前都會進行一次低仰角的PPI掃描,以確定雷達站周邊的地物阻擋情況。圖3分別給出了根據式(4)計算得到的、雷達探測仰角θ0=1°(左)和θ0=4.3°(右)時的波束展寬因子Fshield分布圖(雷達波束寬度如表1所示)。由圖3可見,在沒有地物阻擋的地方,雷達探測仰角的變化對雷達資料質量的影響不大,而在有地物阻擋的地方,雷達探測時的仰角對雷達資料質量有很明顯的影響。

圖3 波束阻擋因子F shield分布圖

3.1.3 垂直廓線不均勻因子

由1.4節分析可知,垂直廓線不均勻因子與零度層的位置有關,而零度層的高度與地面的溫度以及大氣特性有關,在沒有探空資料的情況下,可以由地面溫度通過溫度遞減率公式粗略計算得到。圖1時刻的地面溫度為25℃,對應的零度層高度約為4 km。考慮到雷達觀察仰角為4.3°以及雷達所在位置的海拔高度160 m,4 km高度對應的雷達徑向距離約為52 km。圖6給出了圖1對應時刻的垂直廓線不均勻因子Fvpr的分布圖,徑向距離為52 km的探測范圍內所有的資料高度都在零度層以下,其Fvpr=1,而在52 km的范圍之外,雷達的波束高度已經達到零度層內,其Fvpr=0。

圖4 垂直廓線不均勻因子F vpr分布圖(時間同圖1)

3.1.4 電磁波衰減因子的影響

根據上節分析,4 km零度層高度對應的徑向距離為52 km,因此對雷達探測徑向距離52 km范圍內采用式(5)計算衰減量,圖5給出了圖1對應時刻的逐庫單程衰減量和雙程累計衰減總量。由圖5可見,當回波強度較小時(＜10 dBz),對應的衰減量較小(＜0.2 dB),而當回波強度大于20 dBz時,其衰減量明顯增加,而且對整條徑向上的后續回波都影響明顯。從圖上可以看出,就本個例而言,強回波后的衰減量達到了22 dB以上,可見,衰減已經嚴重影響到了X波段雷達對強降水的測量。

圖6給出了對應圖1時刻的Fatt分布圖。從圖上可以比較明顯地看出回波強度對Fatt的影響,在帶狀強回波的后面,都明顯地存在著強烈的電磁波衰減,Fatt由1快速地下降到0.1附近。

圖5 單程逐庫衰減量與全程累計衰減總量對比圖(時間同圖1)

圖6 電磁波衰減因子F att分布圖(時間同圖1)

3.1.5 雷達資料總質量指數FZ

根據式(1)可知,當Fshield=0或者Fatt=0時,FZ=0;在實際的降水計算中,當雷達資料被用于地面的定量估測降水時,由于零度層高度以上的降水粒子在下落過程中,其特性會發生較大的變化,因此對于零度層高度以上的降水粒子也設定其資料質量因子為0,即當Fvpr=0時,FZ=0。而當Frange,Fshield,Fatt和Fvpr都不為0時,雷達資料總質量指數FZ由Frange,Fshield,Fatt和Fvpr共同決定,圖7給出了圖1時刻的雷達資料總質量指數FZ分布圖(取Wrange,Wshield,Watt,Wvpr均為1的等效系數,計算Fshield時取雷達探測仰角θ0=4.3°)。由圖7可知,高質量的強度資料(FZ＞0.8)主要分布在距離雷達較近的12 km范圍內,以及在回波強度較小的徑向上(圖1),而在雷達測量范圍的遠區,由于雷達波束展寬的影響,FZ的值普遍較小(＜0.6)。

圖7 雷達資料總質量指數F Z分布圖(時間同圖1)

3.2 層狀云降水過程分析

2014年8月11-12日,SCXD-03雷達探測到了一次大范圍的層狀云降水過程,當時降水時間持續在20 h以上,雨量小到中等。圖8分別給出了2014年8月11日09:25該雷達探測到的降水過程的原始回波圖、單程逐庫衰減量、全程累計衰減總量、電磁波衰減因子Fatt分布圖、垂直廓線不均勻因子Fvpr分布圖,以及雷達資料總質量指數FZ分布圖(波束展寬因子Frange和波束阻擋因子Fshield分布圖分別同圖2和圖3)。由強度(如圖(8a)所示)可見,除個別位置外,降水回波強度普遍低于30 d Bz,主要降水強度集中在20～25 dBz之間,該次過程為小到中等降水過程,單程逐庫衰減量(如圖8(b)所示)都不超過0.2 d B,全程累計衰減總量(如圖8(c)所示)不超過2 dB,因此其對應的Fatt都在1左右(如圖8(d)所示)。同樣,由于雷達測量到的降水回波整體高度(約4.5 km)都在零度層以下(地面溫度為30℃,對應的零度層高度約為5 km),因此其Fvpr=1(如圖8(e)所示);雷達回波強度資料整體質量較高,絕大部分范圍內其FZ都大于0.8(如圖8(f)所示);而在雷達測量范圍的遠區,FZ的值較小(＜0.8),這主要是由于雷達波束展寬的影響。另外在雷達測站的東南方向約120°方位處出現了一條帶狀的FZ小值區(如圖8(f)所示),這主要是由于波束阻擋因子Fshield的影響所致(如圖3(b)所示)。

圖8 2014年8月11日09:25 SCXD-03雷達探測到的一次層狀云降水過程的各參數分布圖

4 結束語

本研究以安徽四創電子股份有限公司生產的SCXD-03雷達2013年在淮河流域的外場試驗觀測資料為例,將導致雷達強度資料質量不確定性的主要因子通過簡單的量化處理轉化成雷達資料質量指數,并將各雷達質量指數以指定的權重系數加權求和得到相應的平均雷達質量指數,從而直觀地了解雷達資料質量受各因子的影響程度及其整體情況,以此對雷達資料質量進行定量評估,通過研究發現:

1)雷達強度資料質量的定量評估算法充分考慮了影響雷達強度資料質量的主要因子,方法合理,得到的評估結果直觀,方法適用性強。

2)通過兩個不同天氣過程的資料分析對比發現:在幾乎完全相同的工作模式下,僅僅是天氣條件的不同,出現強回波的對流性降水天氣,其強度回波資料的總質量指數FZ要明顯低于弱降水的FZ,而且FZ的分布同Fatt的分布趨勢幾乎完全相同,充分顯示出強回波導致的衰減對雷達強度回波資料質量的顯著影響。而在弱降水的天氣時,回波資料總質量指數FZ都比較高,這時回波衰減已經不是影響其分布的主要因素,主要影響FZ值的是波束展寬因子Frange和波束阻擋因子Fshield。因此,要提高雷達強度探測資料的質量,需要綜合考慮上述因素的影響,區別分析和對待。

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