基于GIS的天氣雷達Z數據補償

林輝 張鐸 楊建斌

摘要：天氣雷達是監測和預警強對流天氣的主要工具，通過發射一系列脈沖電磁波，利用云霧、雨、雪等降水粒子對電磁波的散射和吸收效應，來探測降水的空間分布和鉛直結構。雷達探測波束在低仰角經常會出現被地物遮擋的情況，導致某些方位探測到的回波會偏弱。多雷達多重覆蓋拼圖大多數時候可以很好解決這個問題，但是每個關注的區域都做到多雷達覆蓋在實際中很難實現，也可能存在某個區域多部雷達波束均受到遮擋的情況。

關鍵詞：GIS;天氣雷達;數據

引言：

利用GIS高程地形信息，演算出不同仰角下雷達波束在每個方位的遮擋情況，計算出波束遮擋比例以及強度修正值，在幾乎不追加任何成本的前提下就可以對雷達回波Z數據，即反射率因子進行補償。

一、算法流程

算法流程如下：

解析多普勒天氣雷達的體掃原始數據，除了提取Z數據以外，還需獲取雷達體積掃描各仰角角度，雷達海拔高度，雷達經緯度等信息，在計算遮蔽信息時需要用到。根據雷達經緯度，截取以雷達為中心，東西跟南北跨度為1度（接近111km）的高程數據。由于高程數據采用經緯度表示方位，因此要用高斯投影算法投影到平面直角坐標。 根據雷達高度，結合大氣折射率跟地球曲率，計算雷達每個方位距離的遮蔽角。演算不同仰角下不同方位距離的波束遮擋比例，計算出強度（Z數據）的修正值。

二、算法實現

（一） 民航多普勒天氣雷達格式

天氣雷達探測波束是細長的針狀，C波段探測有效距離一般是200km。雷達掃描有水平與俯仰2個自由度，采用極坐標（方位，距離）方式記錄數據。雷達體積掃描就是在不同仰角下，雷達天線水平轉動360度，發出電磁波探測波束，接收天氣目標散射回來的信號，數字化采樣后并保存到體積掃描的原始數據文件里。

原始數據文件一般由文件標識 、文件頭和徑向數據記錄塊組成。文件頭記載雷達站名、站址、雷達型號、主要參數、觀測時間、掃描類型、工作狀況等內容。? 徑向數據記錄以極坐標方式順序排列。雷達一般掃描1到15個仰角層，在每個仰角層雷達天線水平轉動360度，一般保存為360個方位的徑向數據，一般每個徑向數據是由400個庫組成，探測有效距離200km就分成400個庫來量化，一個庫代表了500m內采樣的回波的均值。實際的庫長，徑向數據庫數，各層徑向數據記錄數，體掃層數與角度都在文件頭內有定義。

（二）高程數據解析與截取

高程數據采用的是格點分辨率約為30米的GDEMV2，數據以TIFF格式保存。TIFF文件主要由圖像文件頭，圖像文件目錄，目錄入口，圖像數據組成。一個TIF文件表示經度緯度范圍為1°的高程數據，分辨率為3601*3601。每個像素點代表經度緯度為1”的高程數據，高度值用2個字節表示，可表示高度范圍為0到65536米。

根據雷達數據文件定義的雷達經緯度，計算雷達為中心，經緯度跨度為1度所需要用到的高程數據文件，并截取出所需要的那部分高程文件。高程文件拼接時，會出現重疊的邊界，要切除這部分邊界數據。

（三）高程數據高斯投影

GDEMV2高程數據是采用經緯度來表示位置，應用上需要通過投影算法轉化成我們平時用的空間直角坐標系，此處采用了高斯投影算法。

（四）遮蔽角計算

雷達波束中心高度與目標物實際距離關系如下公式所示，

為雷達高度，θ為仰角，h為雷達波束中心高度，R為目標物到雷達的實際距離。那么距離為R，高度為h的地物，對海拔高度為的雷達形成的遮擋角為

以雷達站位置為原點，計算高程數據每個格點所處雷達方位角以及距離，以及格點高度形成的遮蔽角。由于雷達探測波速是接近直線傳播，因此同個方位角每個距離庫范圍內波束的遮擋角是由該距離庫與雷達位置之間所有距離庫的最大遮擋角決定。假設探測雷達波束從原點射出，地物B形成遮蔽角于小于地物A的遮蔽角θ，因此雷達波束上沿（雷達波束有波瓣寬度，一般是1°）要高于θ才能探測到地物B上空以及更遠處的天氣目標。地物C雖然高度很低，但是之前地物形成遮蔽角β，且β大于θ，所以雷達波束上沿要高于β才能探測到地物C上空以及的天氣目標。因此對每個方位的地物形成的遮擋角由近到遠進行最大值保持處理，也就是只要當前地物形成遮蔽角小于或等于之前最大遮蔽角，當前地物遮蔽角就等效于之前最大值。

（五）波束遮擋比例演算與補償值計算

從雷達原點發射出雷達探測波束，假設仰角為β，波束寬度為α。在地物A以及之前，波束下沿角度（β-0.5α）高于地物，遮擋比例為0，探測的回波不需要修正。地物B處波束上沿角度（β+0.5α）高于地物，下沿低于地物，發生部分遮擋，地物B形成遮蔽角為θ，則遮擋比例，也就是雷達波束上沿角與地物遮蔽角的差值占總波束寬度的比例，如下邊公式所示。

在地物C處，雷達波束上沿低于地物，波束被完全遮擋，該處即更遠處回波不需要修正。

將遮擋比例換算為對數，并對Z數據進行修正：

是原始Z數據，是修正后的Z數據。

三、驗證

多雷達拼圖通常可以獲得很好的地物遮擋補償效果。以汕頭氣象局、梅州氣象局兩部雷達的拼圖作為參照物。生成汕頭空管站天氣雷達體掃基數據補償前后的最強平面投影圖。通過對補償前后的投影圖與作為參照物的拼圖進行對比分析來驗證該算法。

選取了2019年12月05日北京時間7點06分的三部雷達的數據進行分析。采用本算法對汕頭空管站天氣雷達體掃基數據每個仰角層Z數據進行補償，生成補償前后的最強平面投影圖，與汕頭、梅州氣象局兩部雷達拼圖進行比較，拼圖中心點已經設置為汕頭空管天氣雷達站所在位置。從拼圖看，在空管雷達站西北跟東北方向，有呈帶狀分布的較強回波，色標為淡黃色。而空管站天氣雷達在強度補償前只探測到依稀少量強回波，補償后，強回波數量有所增加，接近帶狀分布，東北方向強回波增加較為明顯，接近拼圖所展示的探測結果。可見，該算法對地物遮蔽具有一定補償作用。

四、結語

本文闡述了利用GIS高程地物信息，對天氣雷達強度Z數據進行補償的方法。以汕頭空管站天氣雷達體掃數據為樣本，參照汕頭、梅州氣象局天氣雷達拼圖，對算法有效性進行驗證，結果表明該算法從一定程度上修正因為地物遮擋而導致回波強度偏弱情況。