利用高分辨率DEM數據提高雷達測雨精度的方法

尹忠海

(湖南省氣象臺,湖南長沙 410007)

?

利用高分辨率DEM數據提高雷達測雨精度的方法

尹忠海

(湖南省氣象臺,湖南長沙 410007)

摘要利用高分辨率的數字高程模型(DEM)數據和0 ℃層高度值，在假定標準大氣折射條件下，綜合考慮周邊地物的阻擋和0 ℃層亮帶因素，根據目前雷達常使用體掃模式VCP21，計算了湖南省7部雷達的波束阻擋仰角分布及雷達定量估測降水產品的探測范圍。結果表明，對于湖南的4月份，長沙、常德、岳陽、懷化、邵陽、永州和郴州雷達的探測半徑分別是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50、144.17 km，岳陽雷達的探測范圍最大，而懷化雷達的探測范圍最小；對汛期而言，應用湖南省建設的雷達網，獲取的定量估測降水業務的探測范圍在消除0 ℃層亮帶影響的同時基本能實現對全省區域的降水監測，有利于提高定量估測降水的精度。

關鍵詞定量估測降水；地形阻擋；雷達反射率因子；DEM數據

影響雷達定量估測降水精度的原因有多種，如垂直氣流運動[1]、雷達系統本身[2]、冰雹干擾等[3-4]，0 ℃層亮帶[5]、地形阻擋[6-8]對雷達定量估測降水的精度有較大的影響，許多學者對多普勒天氣雷達的地形阻擋影響進行了定量化研究[9-13]，國內也有一些學者開展了波束阻擋的相關應用研究，發現0 ℃層亮帶和波束阻擋均是造成雷達定量估測降水誤差的重要因素[14-16]，但綜合這2種因素對雷達定量估測降水的影響的研究還很少。

湖南地形呈馬蹄形分布，一些雷達產品受到嚴重的地形遮擋[17]，而隨著國家經濟實力的增加，一個省建設多部天氣雷達構成一個區域網已成為現實，使得在滿足雷達降水產品探測范圍要求的基礎上進一步提高測量降水的精度成為可能。筆者利用高分辨率的數字高程模型(DEM)數據和0 ℃層高度值，基于減小0 ℃層亮帶和波束阻擋影響，計算了湖南省7部雷達的波束阻擋仰角分布及雷達定量估測降水產品的探測范圍，以提高雷達定量估測降水的精度，可為山洪地質災害防御工程的區域自動站站網布點和特殊地形的雷達體掃模式的設計提供參考依據。

1資料與方法

1.1數據來源

1.1.1數字高程數據(DEM)。湖南省目前業務運行有7部雷達，分別是長沙、岳陽、常德、懷化、邵陽、永州和郴州雷達，除了懷化是C波段雷達，其余均是S波段雷達，各雷達相關參數見表1。DEM數據來自國際熱帶農業中心(International Centre for Tropical Agriculture)網站的STRMV3數據[18]，每一個數據文件起始經緯度均是5的倍數，大小為5°×5°，網格分辨率為0.000 833 333 333 333 33°(約為90 m)，共有6 000×6 000個數據。提取數據范圍包含湖南省所有7部雷達的探測范圍(假定每部雷達的探測半徑為2.30°)。設定每部雷達計算的經緯度范圍是邊長為L(缺省值為4.6°)的正方形區域，雷達站在區域的中心，針對雷達站的具體位置，從若干個DEM數據文件中提取出計算范圍的DEM數據。

表1　湖南新一代天氣雷達參數

1.1.20 ℃層高度值。0 ℃層高度的數據利用湖南省長沙、懷化、郴州3個探空站的探空數據計算得到。依據現行雷達業務觀測的業務規范，汛期雷達24 h連續開機是從每年的4月15日開始，到9月30日結束，利用2004～2013年湖南汛期的08:00和20:00的探空站數據，將每一個探空站的位勢高度值和對應的溫度數據通過內插方法得到0 ℃層高度，再統計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的所有定量估測降水產品的設計范圍均是230 km，參照回波高度查算圖[19]，并考慮雷達站的海拔高度，即使是最低的掃描仰角，在絕大部分時間段，實際上湖南省所有雷達在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造成嚴重的高估[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)作為個例進行計算與分析，其他月份的計算方法完全類似，且有更大的降水監測范圍。

1.1.3雷達掃描仰角的選取。目前新一代天氣雷達的掃描模式有VCP21、VCP11、VCP31和VCP32，其中VCP31和VCP32主要用于晴空探測，稱為晴空工作模式，VCP21和VCP11主要用于降水探測，稱為降水工作模式，但實際業務操作上均是選用VCP21體掃模式，因而選用VCP21中設定的仰角模擬計算波束阻擋率。VCP21的體掃模式是6 min內掃描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來描述。根據文獻[22]，在假定標準大氣折射指數條件及雷達波束傳輸模型下，獲取經波束訂正的區域內雷達定量估測降水的反射率因子探測范圍的計算流程為：首先計算地形的阻擋仰角，根據設定的掃描仰角由阻擋仰角數據計算波束阻擋率，再由波束阻擋率數據計算混合掃描仰角，最后由混合掃描仰角數據和0 ℃層高度值得到等射束高度圖，并將其拼接起來，由此構成某區域提取用于定量估測降水的雷達反射率因子的范圍。計算等射束高度圖時所用的高度參數是由湖南省探空站數據計算獲得的0 ℃層高度值。

1.2.1地形阻擋仰角的計算。地形阻擋仰角是假定在標準大氣折射條件下，某一高度的地形相對于雷達天線的仰角，其實際就是由DEM數據中的經緯度、海拔高度參數依據雷達波束的傳輸模型[23]計算其相對應的雷達坐標。設雷達站的經度、緯度和海拔高度分別為αr、βr、hr，DEM網格點的經度、緯度和海拔高度分別為αg、βg、hg，網格點用其中心坐標作為代表，則網格點的方位角α、仰角e、斜距r計算公式分別為[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]，需根據網格點相對于雷達站的位置確定實際的方位角：

(5)

設阻擋仰角的網格分辨率為0.1°×1 km，每層仰角的網格數為3 600×230，由DEM數據求得阻擋仰角的計算方法為：①求取每一個仰角網格的DEM數據的計算區域。以最大的距離庫為樣本，計算距離庫中心到庫頂點的距離，以其中最大距離作為計算范圍的半徑(L)，則每個距離庫的計算范圍就是以距離庫中心為中心的圓的外接正方形區域。②DEM數據轉換成雷達坐標。在逐個計算距離庫的阻擋仰角時，由距離為外循環變量、方位為內循環變量將該范圍所包含DEM數據根據公式(1)～(5)轉換成雷達坐標。③計算距離庫的阻擋仰角。根據計算得到的雷達坐標，識別出屬于該距離庫的DEM數據，然后用平均法求出該距離庫的阻擋仰角。④驗證。計算下一個鄰近方位距離庫的阻擋仰角時，先確定2次計算范圍的重疊區并標識，從而不用重覆計算，提高了計算效率，通過驗證，每一個DEM數據均歸入到某個距離庫中。

在求每一個距離庫的計算范圍的地理位置時需要求得距離庫中點的經緯度(α，β)，其方法為：假定某距離庫中心的坐標為(φ，θ，Lc)，其中φ、θ、Lc分別稱為空間某點的方位角、仰角和斜距長，雷達站的經緯度為(α0，β0)，則在標準大氣折射條件下，計算公式為[25]：

(6)

(7)

(8)

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

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

(9)

式中，θ、φ分別是水平方位與垂直方向相對波束主軸的角度差，G為天線增益函數，O為波束阻擋率。假設波束圖為高斯模型[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、某距離上的雷達波束的波束阻擋率可轉化為[27-28]：

(10)

式中，B(n)為波束擴展區域第n個方位上的阻擋程度，W(|n|)是B(n)對整個波束阻擋率的貢獻權重，它們的表達式如下：

(11)

(12)

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

1.2.3混合掃描仰角的計算。混合掃描仰角是指波束阻擋率小于給定閾值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的最低觀測仰角[29]。針對實際運行的體掃描模式又提出了業務混合掃描仰角的概念。由于在距離雷達站較遠距離波束底部大多超過地物150 m，而靠近雷達站區域由于波束展寬很小，地物對取樣體的回波強度的影響也很小，同時某仰角層數據與其上一層數據往往相差較大，因不符上述條件而只能采用更高層數據代替較低一層數據。參照文獻[11]，針對定量估測降水而言，規定業務混合掃描仰角為波束中心的高度在限制高度Hs內，波束阻擋率小于等于閾值Te(缺省值50%)的雷達業務掃描仰角。該研究根據新一代天氣雷達業務中通常使用的VCP21體掃模式來計算業務混合掃描仰角。

1.2.4反射率因子的構成范圍。等射束高度圖是由所有方位的混合掃描仰角(最低觀測仰角)的雷達射束中心軸線到達設定高度閾值(Hs)的徑向距離點的集合。它定量表征了雷達站向各方向的探測能力，實際說明了適用某種應用需求的雷達探測范圍。結合湖南的實際，對于定量估測降水而言，一般高度應不高于0 ℃層亮帶的高度[11]，因而可利用0 ℃層高度值作為限制高度，來計算反射率因子的構成范圍，可基本滿足實際的需要。參照測高公式[23，30]：

(13)

根據H=Hs，由測高公式轉換為求斜距的公式:

L2+2[(Rm+hr)sinδ]L+(hr-H)(2Rm+H+hr)=0

(14)

式中,Rm是等效地球半徑，hr是雷達天線海拔高度，H是高度，δ是探測仰角，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據的最遠距離。

2結果與分析

2.1長沙雷達反射率因子的構成

2.1.1地物阻擋仰角。以長沙雷達站為例，提取的DEM數據見圖1，雷達站的東北方向10 km附近及雷達站正西方70 km附近有一些相對較高的地形。在計算阻擋仰角時，應要驗證算法的正確性，即要確定是否每一個DEM數據均歸入到某距離庫內，為此給每一個網格相應地設置一個中間邏輯變量，以判斷其是否被遺漏，計算結果表明確實所有的網格均歸屬到距離庫中，從而證實了方案可行性。從圖2可看出，在長沙雷達站的NNE方向、東北偏南方向和西邊有>0 ℃的阻擋仰角，最大值達0.35°，NNE方向有可觀的阻擋仰角，與圖1雷達站附近的較高的地物有較好的對應關系。在雷達站附近NNE方向的地物其實中間還是有條無阻擋縫隙，用實際的0.50°反射率因子產品(圖3)分析發現在雷達坐標NNE方向附近，有1條明顯比兩側回波略強的徑向方向的“窄帶”回波，這對應了阻擋仰角在這個方向的分布情況；同時雷達站西邊及略偏南的回波相對周邊的回波有所偏弱，充分證實了阻擋仰角的計算結果的正確性，而這種波束的部分遮擋預報員是較難發現的。

注：每一個距離圈間隔0.5°，最外圈的間隔是0.3°,右側色標表示海拔(m)，白色實線是湖南省省界。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　長沙雷達周邊地形數字高程Fig. 1　Digital topographic elevation surrounding changsha radar

圖2　長沙雷達地物阻擋仰角Fig. 2　Elevation angle of Changsha radar because of barrier layer

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

圖4　長沙雷達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。由于長沙雷達的阻擋仰角最大值為0.35°，所以僅需計算體掃中的最低一個仰角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，在雷達站的東北方向和正東方向存在波束阻擋率>10%的區域，但所有的波束阻擋率值≤50%，表明長沙雷達有較好的探測環境，只要經過適當的波束訂正，取第1層仰角的掃描數據作為雷達定量估測降水的反射率因子是最為合理的。2.1.3長沙雷達混合掃描仰角。由圖5可見，長沙雷達混合掃描仰角就是雷達體掃模式VCP21的第1層仰角(0.50°)，但考慮0 ℃層亮帶等因素的影響，構成定量估測降水的反射率因子面積為98 422.96 km2、等效探測半徑為177 km的圓形區域，比其降水產品設計的范圍小。

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

2.2其他雷達的反射率因子構成

2.2.1阻擋仰角。根據雷達站的地理位置，獲取懷化雷達的周邊地形數據需要2個DEM文件，其他5部雷達需要4個DEM數據文件。由圖6可知，在常德雷達的西北方向存在輕微的地形遮擋，最大阻擋仰角為0.18°，相對于現行雷達業務運行的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層仰角的數據來估算降水；而在雷達站的西側完全沒有地形遮擋。對于懷化雷達而言，僅其西南方向有一小部分扇形區域無地形遮擋，低層的雷達波束絕大部分區域均受到不同程度的地物阻擋，最大阻擋仰角達4.21°，即使在雷達掃描層第5層仍有波束被部分阻擋，而根據WSR-88D的定量估測降水算法最多只取最低的4層仰角數據，則這部分區域因無數據而無降水值。邵陽雷達大部分區域也有地形遮擋，主要在其西北方向有較嚴重阻擋，最大阻擋仰角1.73°，雷達掃描的第2層仰角仍有被完全阻擋的波束。永州雷達的北到東北方向扇形區域地物阻擋角較小，其他區域均有不同程度的地形阻擋，最大阻擋仰角達2.43°。郴州雷達在其北部和西部扇形區域沒有地形遮擋，而在其西北部和東北到西南西區域存在明顯的地物阻擋，特別是東南方向區域阻擋嚴重，最大阻擋仰角達3.87°，即使是雷達體掃模式中的第4層也有少部區域被完全阻擋。由此可知，湖南省7部雷達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。反射率因子的構建可由混合掃描仰角來表述。實際業務運行的混合掃描仰角是應用雷達波束阻擋率是否超過設定的閾值的方法來確定。根據每一個距離庫地物阻擋仰角數據，從第1層仰角開始計算，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，并根據定量估測降水的高度閾值Hs(以湖南4月為例，缺省值4.00 km)，計算每一個方位射線所能到達的最遠距離，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，常德雷達混合掃描仰角全部由0.50°構成，雖然在雷達西北方向有大于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域的反射率因子進行適當訂正，可采用此層的數據進行定量降水估算。岳陽雷達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域第1層數據被完全阻擋，采用第2層仰角的反射率因子來定量估測降水值。懷化雷達混合掃描仰角由5層仰角構成，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重，第1層仰角數據所覆蓋的方位范圍不到所有方位角的1/3，特別是雷達站南到東南方向只能采用第4層甚至第5層反射率因子數據估測降水，總的來說，懷化雷達受地形阻擋是相當嚴重的,構建反射率因子較為復雜。邵陽雷達混合掃描仰角由體掃描模式的最低3層仰角組成，大部分區域還是可以采用0.50°仰角的數據，在雷達的北部大部區域采用1.45°仰角數據，甚至個別區域采用2.40°仰角的數據。永州雷達混合掃描仰角由0.50°、1.45°、2.40° 3層仰角組成，在雷達北部及東北部探測環境較好，基本沒有地物阻擋，而在西北到東南方向是采用第2層仰角數據，主要在東南東方向采用第3層仰角數據。郴州雷達混合掃描仰角由5層仰角組成，可見地物遮擋較嚴重；除在雷達的西南西方向到東北方向地物遮擋區域較小外，在西南和東南方向遮擋較嚴重，特別是在東南方向局部地區，只能采用第5層仰角的數據，探測范圍<50 km。

從表2可知，長沙雷達的反射率因子覆蓋面積為98 422.96 km2，全部由0.50°仰角數據構成，等效探測半徑為177.00 km；常德雷達的面積為100 659.77 km2，也是由0.50°仰角數據覆蓋，其等效探測半徑為179.00 km；岳陽雷達的覆

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混合掃描仰角Fig. 7　Radar mixed scanning elevation in each station of Hunan Province

站名Station探測面積Detectionarea∥km20.50°1.45°2.40°3.35°4.30°合計Total探測半徑Detectionradius∥km長沙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：探測半徑是根據探測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°仰角數據覆蓋，其覆蓋面積分別為109 457.53、2 054.91 km2，其等效探測半徑為188.40 km；懷化雷達的覆蓋面積為48 971.35 km2，由0.50°、1.45°、2.40°、3.35°和4.30°仰角數據構成，對應各層的覆蓋面積分別為27 207.81、16 085.19、4 604.48、967.90、105.97 km2，其等效探測半徑為124.85 km；邵陽雷達的覆蓋面積為82 509.28 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對應仰角的覆蓋面積分別為69 111.36、13 116.82、281.10 km2，等效探測半徑為162.06 km；永州雷達的覆蓋面積為66 507.52 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，對應仰角的覆蓋面積分別為43 635.61、20 860.48、2 011.43 km2，等效探測半徑為145.50 km；郴州雷達的覆蓋面積為65 297.10 km2，選取0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°仰角反射率因子，各層仰角對應的覆蓋面積分別為54 578.86、6 525.11、3 157.68、924.41、111.04 km2，等效探測半徑為144.17 km。同時也可以用第1層仰角掃描的面積與其總的探測面積之比的百分比(W)來說明地物阻擋情況，比值越大說明探測環境越好，通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%，說明地物阻擋最小；岳陽、邵陽、永州、郴州和懷化雷達的W值分別為98.16%、83.76%、65.61%、83.58%、55.56%，即長沙、常德構成的定量估測降水的反射率因子相對更準確一些。由以上分析可知，湖南省內雷達以岳陽雷達的探測半徑最大，常德雷達次之，長沙雷達第3，而懷化雷達的探測半徑最小，懷化雷達的探測面積僅是岳陽雷達的43.92%，不到岳陽雷達的1/2。雖然岳陽雷達的探測半徑最大，但從其阻擋仰角分析，是有許多區域波束受到部分遮擋，其反射率因子是需要訂正的，而常德、長沙雷達反射率因子雖然面積不及岳陽的大，但需要訂正的區域少。

2.3反射率因子的構成范圍根據前面的計算結果，把單部雷達的反射率因子覆蓋范圍組合起來，就構成了湖南省雷達降水探測范圍。由圖8可知，7部雷達降水探測范圍構成的區域基本上覆蓋了湖南省行政區域，且有50%以上區域有2～5部雷達探測范圍覆蓋，在湘南及湘西、湘西北部分區域只有1部雷達的探測范圍覆蓋，而在湘西北、湘西南以及湘南還有少部分區域因地物阻擋，而沒有雷達的探測范圍覆蓋。對于數據缺測區域，可使用周邊省份的雷達數據，或適當增加雨量站密度，計算降水量以彌補。目前已有批復擬在湘西北張家界市布設一部新一代天氣雷達，將來可以彌補湘西北的雷達數據缺測區域。而在探測范圍重疊區特別是長沙、常德、岳陽雷達的重疊區，不僅沒有波束阻擋的影響，雷達數據質量好，且地面區域自動站站點分布也十分稠密，降水產品穩定可靠，可用于開展降水算法研究的試驗區。

注：“+”號表示雷達站的地理位置，地名表示雷達站名，散點是湖南省區域自動站分布。Note: “+”: radar location; place name: name of station; scatter: distribution of automatic station in Hunan.圖8　湖南省定量估測降水業務的反射率因子構成Fig. 8　Constitution of radar reflectivity factor for quantitative precipitation estimation in Hunan

3結論

在復雜地形區域，開展地形阻擋分析，有利于提高雷達定量估測降水的精度，且正確地構建反演的反射率因子是獲得準確的雷達定量估測降水必要條件之一。該研究利用高分辨率DEM數據，在假定標準大氣折射條件下，綜合考慮周邊地物的阻擋和0 ℃層亮帶因素，根據目前雷達常使用體掃模式VCP21，研究了湖南省的雷達反射率因子的提取方法，獲得了反射率因子的提取范圍。結果表明，對于湖南的4月份，長沙、常德、岳陽、懷化、邵陽、永州和郴州雷達的探測半徑分別是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50,144.17 km，岳陽雷達的探測范圍最大，而懷化雷達的探測范圍最小。現在單部雷達的定量估測降水產品的范圍均是230 km，對于湖南的4月份而言，可能存在超出各雷達探測范圍的理論值，降水的精度問題需引起預報員的注意。有些反射率因子不能覆蓋的區域，不僅是不能獲得較好精度的定量估測降水產品，同時也表明這些區域許多重要的災害性天氣現象如雷雨大風、冰雹等也有可能無法探測到，對此也應引起預報員高度的警惕。

盡管湖南省的雷達均受到不同程度的地形阻擋，根據WSR-88D雷達采用的波束阻擋率算法，計算得到的湖南省雷達反射率因子覆蓋了湖南省絕大部分區域，可基本滿足湖南主汛期防汛業務的需求；在湖南中東部區域有多部雷達觀測，顯示這些區域的降水產品穩定可靠，結合稠密的區域自動站資料，也可以作為定量估測降水算法研究的試驗區。

該研究主要是針對湖南省主汛期的定量估測降水而言，對于其他季節的雷達反射率因子的選取方法完全一樣。實際業務運行時，可以實時獲取當日的0 ℃層高度值。今后可通過具體量化分析改進降水估測精度，并通過實踐進一步驗證；同時要實現全省的雷達定量估測降水業務，提供全省高時空分辨率的準確的定量降水估測產品，還需要做進一步的研究。

參考文獻

[1] WILSON J W,BRANDES E A.Radar measurement of rainfall:A summary[J].Bull Amer Meteor Soc,1979,60(9)：1048-1058.

[2] BORDOY R,BECH J,RIGO T,et al.Analysis of a method for radar rainfall estimation considering the freezing level height[J].Tethys,2010,7：25-39.

[3] KRAJEWSKI W F,VILLARINI G,SMITH J A.Radar-rainfall uncertainties:Where are we after thirty years of effort?[J].American meteorological society,2010,91(1):87-94.

[4] BAECK M L,SMITH J A.Rainfall estimation by the WSR-88D for heavy rainfall events[J].Wea Forecasting,1998,13：416-436.

[5] CHENG M,COLLIER C G.An objective method for recognizing and partially correcting brightband error in radar images[J]. J Appl Meteor,1993,32：1142-1149.

[6] MADDOX R A,ZHANG J, GOURLEY J J,et al. Weather radar coverage over the contiguous united states[J].Wea Forecasting,2002,17：927-934.

[7] ZHANG J,HOWARD K W,GOURLEY J J. Constructing three-dimensional multiple-radar reflectivity mosaics:Examples of convective storms and stratiform rain echoes[J]. J Atmos Oceanic Technic,2005,22：30-42.

[8] DOVIAK R J,ZRNICS D.Doppler radar and weather observations[M].2d ed.Orlando,Fla.:Academic Press,1993:562.

[9] O′BANNON T.Using a terrain-based hybrid scan to improve WSR-88D precipitation estimates[C]//Preprint,28th conf.on radar meteorology. Austin,Tx ：Amer Meteor Soc,1997:506-507.

[10] WOOD V T,BROWN R A,VASILOFF S V.Improved detection using negative elevation angles for mountaintop WSR-88Ds.Part II：Simulations of the three radars covering Utah[J].Wea Forecasting,2003,18：393-403.

[11] WESTRICK K J,MASS C F,COLLE B A.The limitations of the WSR-88D radar network for quantitative precipitation measurement over the Coastal Western United States[J].Bull Amer Meteor Soc, 1999,80(11)：2289-2298.

[12] BROWN R A,NIZIOL T A,DONALDSON N R,et al.Improved detection using negative elevation angles for mountaintop WSR-88Ds.Part III：Simulations of shallow convective ctivity over and around Lake Ontario[J].Wea Forecasting,2007,22：839-852.

[13] LANG T J,NESBITT S W,CAREY L D.On the correction of partial beam blockage in polarimetric radar data[J]. J Atmos Oceanic Technol,2009,26：943-957.

[14] 楊洪平,張沛源,程明虎，等.多普勒天氣雷達組網拼圖有效數據區域分析[J].應用氣象學報,2009,20(1)：47-55.

[15] 張亞萍，劉均，夏文梅，等.雷達定量估測區域降水波束阻擋系數的計算[J].南京氣象學院學報, 2002,25(5)：640-647.

[16] 肖艷姣,劉黎平,楊洪平.基于天氣雷達網三維拼圖的混合反射率因子生成技術[J].氣象學報,2008,66(3)：470-473.

[17] 尹忠海,張沛源,程明虎.雷達定量測量降水的檢驗：“真值”求取方法研究[J].物理學報,2014,63(23)：456-466.

[18] JARVIS A,REUTER H I,NELSON A,et al.Hole-filled seamless SRTM data V3[R]. Internation Centre for Tropical Agriculture,2006.

[19] 張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達氣象學[M].北京 ：氣象出版社,2000.

[20] GOURLEY J J,CALVERT C M. Automated detection of the bright band using WSR-88D data[J].Wea Forecasting,2003,18：585-599.

[21] KITCHEN M,BROWN R,DAVIES A G. Real-time correction of weather radar data for the effects of bright band,range and orographic growth in widespread precipitation[J].Quart J Roy Meteor Soc,1994,120：1231-1254.

[22] BECH J,CODINA B,LORENTE J,et al.The sensitivity of single polarization weather radar beam blockage correction to variability in the vertical refractivity gradient[J].J Atmos Oceanic Technol,2003,20：845-855.

[23] KUCERA P A,KRAJEWSKI W F,YOUNG C B.Radar beam occultation studies using GIS and DEM technology：An example study[J].J Atmos and Oceanic Technol,2004,21：995-1006.

[24] LAKSHMANAN V,SMITH T.A real-time,three-dimensional,rapidly updating,heterogeneous radar merger technique for reflectivity,velocity and derived products[J].Wea Forecasting,2006,21：802-823.

[25] 張沛源,周海光，胡紹萍.雙多普勒天氣雷達風場探測的可靠性研究[J].應用氣象學報,2002(13):485-496.

[26] SMITH P L.On the minimum useful elevation angle for weather surveillance radar scans[J].J Atmos Oceanic Technol,1998,15：841-843.

[27] 張亞萍.天氣雷達定量估測降水精度評估[D].南京：南京氣象學院,2002.

[28] 肖燕姣.新一代天氣雷達三維組網技術及其應用研究[D].北京：中國氣象科學研究院,2007.

[29] FULTON R A,BREIDENBACH J P,SEO D J,et al.The WSR-88D rainfall algorithm[J].Wea Forecasting,1998,13：388-395.

[30] SKOLNIK M I. 雷達手冊[M].王軍,林強,米慈中,等譯.北京 ：電子工業出版社,2003.

基金項目湖南省氣象局2015年度重點項目(XQKJ15A001)。

作者簡介尹忠海(1968-)，男，湖南長沙人，高級工程師，碩士，從事短臨預報業務與研究工作。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號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中心雷達室楊洪平主任、中國氣象科學研究院王紅艷研究員及重慶市氣象局張亞萍研究員對該研究提出寶貴建議與意見，特此致謝。