C波段雙偏振天氣雷達(dá)降雨和部分地形遮擋衰減訂正研究

夏豐，劉顯通，鄭騰飛，馮璐，萬(wàn)齊林，歐冠華，張曉飛

(1. 中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510641；2. 新豐縣氣象局，廣東韶關(guān)511100；3. 安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽合肥230088)

1 引 言

雙偏振天氣雷達(dá)不僅可提供探測(cè)目標(biāo)的水平反射率因子(ZH)和徑向速度(V)，還可獲得差分相位(ΦDP)、差分相移率(KDP)、零滯后相關(guān)系數(shù)(ρhv)和差分反射率因子(ZDR)等觀測(cè)信息[1-4]。根據(jù)各個(gè)探測(cè)量分布特征，能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別降雨類型[5-10]，開(kāi)展相應(yīng)的雷達(dá)定量降雨估測(cè)(Quantity Precipitation Estimation，QPE)[11-14]。 基 于 上 述 優(yōu)勢(shì)，雙偏振天氣雷達(dá)逐漸成為當(dāng)前氣象探測(cè)領(lǐng)域的主流雷達(dá)。雙偏振天氣雷達(dá)按波長(zhǎng)可分為S 波段、C 波段和X 波段等類型，雷達(dá)波長(zhǎng)越短信號(hào)越容易衰減，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)距離探測(cè)到的降雨回波強(qiáng)度變小；另外我國(guó)地形復(fù)雜，也給雷達(dá)波束帶來(lái)信號(hào)遮擋衰減問(wèn)題，嚴(yán)重制約雷達(dá)探測(cè)性能發(fā)揮。雷達(dá)反射率因子降雨衰減訂正方法源于Hitschfeld 等[15]提出的降雨廓線理論，后來(lái)應(yīng)用于星載降雨雷達(dá)回波強(qiáng)度訂正，例如美國(guó)NASA 的TRMM 降雨衛(wèi)星，基于海洋背景反射率強(qiáng)度和降雨區(qū)域反射率強(qiáng)度之差，用降雨廓線訂正法提高了衛(wèi)星對(duì)熱帶海洋地區(qū)降雨強(qiáng)度的探測(cè)精度[16]，使得TRMM 衛(wèi)星降水產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于天氣和氣候方面的研究[17]。美國(guó)NASA 新一代全球降雨觀測(cè)計(jì)劃GPM (Global Precipitation Measurement)衛(wèi)星搭載的主動(dòng)探測(cè)雙頻測(cè)雨雷達(dá)DPR (Dualfrequency Precipitation Radar)亦采用了類似算法，其降雨反演產(chǎn)品為華南地區(qū)云-降水垂直結(jié)構(gòu)特征研究提供新的手段和視角[18]。由于雙偏振天氣雷達(dá)中的ΦDP具有不受降雨衰減和波束部分地形遮擋影響的優(yōu)點(diǎn)[19-20]，研究人員將降雨廓線算法進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于雙偏振天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度訂正，比如基于ΦDP數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單衰減訂正法、ZH-KDP綜合法[21]、ZPHI 訂正方法[16,22]、基于ΦDP數(shù)據(jù)的自適應(yīng)衰減訂正方法[23-24]，還有基于ΦDP數(shù)據(jù)的“hotspot”訂正方法[25]，獲得了較好訂正效果，得到了全球多個(gè)地區(qū)不同降雨類型的平均衰減系數(shù)。

當(dāng)前雷達(dá)波束地形遮擋區(qū)域識(shí)別問(wèn)題已基本獲得解決[26-31]，但雷達(dá)回波強(qiáng)度部分地形遮擋衰減訂正仍是一個(gè)難題。當(dāng)雷達(dá)天線做低仰角掃描時(shí)，波束極易受地形遮擋影響，從而導(dǎo)致實(shí)際觀測(cè)到的雷達(dá)回波強(qiáng)度減弱很多[28,32-33]。相關(guān)科研人員嘗試過(guò)多種訂正方法，包括反射率因子水平插值法[34]、反射率因子垂直廓線法[35]、地形阻擋率法[32,36-37]，但上述訂正方法均存在一定的局限性，水平或者垂直插值方法僅適用于小范圍數(shù)據(jù)缺失，而地形阻擋率方案須依靠高精度的地理高程數(shù)據(jù)，而且不同的地形阻擋率方案訂正結(jié)果不同。此外雷達(dá)波束的傳播路徑隨大氣溫度、密度變化而變化，加上雷達(dá)天線角機(jī)械誤差和雷達(dá)波束在遠(yuǎn)場(chǎng)具有繞射特性，最后獲得的訂正結(jié)果存在較大不確定性[38]。

本文以廣東省韶關(guān)市新豐縣的C 波段雙偏振天氣雷達(dá)為例(以下簡(jiǎn)稱新豐雷達(dá))，選取了2018年 6 月 8 日臺(tái)風(fēng)“艾云尼”、8 月 30 日華南季風(fēng)降水和9 月16 日臺(tái)風(fēng)“山竹”期間的三次典型強(qiáng)降雨過(guò)程，采用基于ΦDP數(shù)據(jù)的擴(kuò)展自適應(yīng)降雨廓線法對(duì)ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減進(jìn)行了訂正研究，要注意的是文中的部分地形遮擋衰減包括該區(qū)域地形和降雨衰減共同作用。本文將上述自適應(yīng)降雨廓線法的應(yīng)用范圍從降雨衰減擴(kuò)展到部分地形遮擋衰減，是對(duì)該方法的創(chuàng)新發(fā)展。然后將新豐雷達(dá)訂正結(jié)果與廣州S 波段雙偏振天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱廣州雷達(dá))數(shù)據(jù)進(jìn)行了直接對(duì)比檢驗(yàn)，與中國(guó)氣象局龍門云物理野外科學(xué)試驗(yàn)基地的4 臺(tái)二維視頻雨滴譜儀實(shí)測(cè)雨滴譜數(shù)據(jù)反演的雷達(dá)仿真探測(cè)量及國(guó)內(nèi)外ZH-KDP經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系[18,23]進(jìn)行了間接對(duì)比檢驗(yàn)，取得了較好效果。最后選擇一次具體降雨過(guò)程來(lái)展示訂正效果，訂正結(jié)果清晰展現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶中多個(gè)對(duì)流單體雷達(dá)回波強(qiáng)度從地面到高空的垂直結(jié)構(gòu)特征。計(jì)算結(jié)果表明，部分地形遮擋帶來(lái)的回波強(qiáng)度衰減高達(dá)5~35 dBZ?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)雙偏振雷達(dá)回波強(qiáng)度雨區(qū)衰減和部分地形遮擋衰減進(jìn)行訂正，對(duì)提高復(fù)雜地形區(qū)域雷達(dá)對(duì)極端天氣的探測(cè)能力以及提升雷達(dá)降水估測(cè)水平具有重要意義。

2 新豐雷達(dá)和廣州雷達(dá)概況

2.1 雷達(dá)安裝位置

新豐雷達(dá)于2018 年5 月安裝在廣東省韶關(guān)市新豐縣大頂山，具體空間方位見(jiàn)圖1，文中涉及的地圖是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)3266號(hào)的中國(guó)地圖制作，底圖無(wú)修改，雷達(dá)站西北方向1 km 處為云髻山(主峰海拔1 434.2 m)，東南方向20~50 km 處為魯古河自然保護(hù)區(qū)，西南方向50 km 處為南昆山國(guó)家森林公園，雷達(dá)站海拔高度為885 m，雷達(dá)最大有效探測(cè)半徑為150 km，掃描覆蓋范圍如圖1藍(lán)色圓圈所示，從內(nèi)到外的藍(lán)圈分別代表50 km、100 km 和150 km 掃描半徑。廣州雷達(dá)位于廣州市番禺區(qū)，雷達(dá)站海拔高度為179 m，廣州雷達(dá)由原來(lái)的S 波段多普勒雷達(dá)升級(jí)改造而來(lái)，2016年5月開(kāi)始正式運(yùn)行，是我國(guó)第一部進(jìn)行雙偏振體制改造的CINRAD/SA雷達(dá)[39]。圖1中藍(lán)色圓點(diǎn)是新豐雷達(dá)站位置，黃色圓點(diǎn)是廣州雷達(dá)站位置，廣州雷達(dá)在新豐雷達(dá)214 °方位角處(順時(shí)針?lè)较颍狈较驗(yàn)? °)。

藍(lán)色圓點(diǎn)表示新豐雷達(dá)站，黃色圓點(diǎn)表示廣州雷達(dá)站，紅色方點(diǎn)表示二維激光雨滴譜儀站點(diǎn)，背景地圖來(lái)自Google Earth。

2.2 雷達(dá)基本性能

新豐雷達(dá)生產(chǎn)廠家為安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安裝時(shí)間為2018 年5 月。該雷達(dá)探測(cè)量有ZH、ZDR、ΦDP、KDP、ρhv、V、W(譜寬)，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

廣州雷達(dá)和新豐雷達(dá)均為雙發(fā)雙收模式的雙偏振天氣雷達(dá)，探測(cè)量相同，不同的是廣州雷達(dá)發(fā)射頻率為2.885 GHz，天線直徑為8.5 m，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為250 km，距離庫(kù)長(zhǎng)為250 m，陳超等[39]對(duì)廣州雷達(dá)主要參數(shù)做了具體介紹。

2.3 雷達(dá)掃描方式與遮擋情況

新豐雷達(dá)采用組合掃描模式，掃描周期為5分鐘，掃描方式包括5 層仰角體掃和3 個(gè)方位角高掃，體掃仰角為 0.5 °、1.5 °、3.5 °、6.0 °和 9.8 °，高掃方位角為 136 °、168 °和 214 °(圖 1 紅色箭頭為高掃方向)。圖2是新豐雷達(dá)0.5 °仰角波束地形遮擋情況，灰色代表地理高度，彩色區(qū)域?yàn)?.5 °仰角雷達(dá)波束受地形影響區(qū)域，按照地形對(duì)波束的遮擋嚴(yán)重情況分為5 檔，并用不同顏色表示，遮擋率方案采用了其他科研人員的研究方法[33,36]。地理高程數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)宇航局TERRA 衛(wèi)星的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)水平分辨率30 m，垂直分辨率20 m。

圖2 新豐雷達(dá)0.5 °仰角地形遮擋分布圖

廣州雷達(dá)掃描方式為9層體掃模式，體掃周期6 分鐘，體掃仰角分別為 0.5 °、1.5 °、2.4 °、3.4 °、4.3 °、6.0 °、9.9 °、14.6 °和19.5 °，由于廣州雷達(dá)位于珠江三角洲平原中部，雷達(dá)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)受地形遮擋影響小，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)選擇

新豐雷達(dá)安裝后，觀測(cè)到三次比較典型的強(qiáng)降雨過(guò)程，分別為2018 年6 月8 日臺(tái)風(fēng)“艾云尼”(圖 3a)、8 月 30 日華南季風(fēng)降水(圖 3b)和 9 月 16 日臺(tái)風(fēng)“山竹”(圖 3c)，圖 3 為廣東省氣象局 S 波段雙偏振/多普勒天氣雷達(dá)3 km 高度的雷達(dá)回波強(qiáng)度拼圖。2018 年 6 月 7 日 20:30(北京時(shí)間，下同)，臺(tái)風(fēng)“艾云尼”在廣東陽(yáng)江沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力8 級(jí)(20 m/s)，中心最低氣壓為990 hPa，“艾云尼”雖然風(fēng)力不大，但是影響中國(guó)期間與大陸東移冷空氣團(tuán)相遇，給華南、江南帶來(lái)的降雨非常強(qiáng)。2018 年 8 月 30 日 05:00—31 日 05:00，受西南-偏南季風(fēng)低壓、副熱帶高壓帶和華南沿海特殊地形共同作用的影響，華南沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次極端強(qiáng)降水過(guò)程[40-41]，廣東、福建沿海多地24 h 降雨量達(dá)到250~500 mm，其中廣東惠東高潭鎮(zhèn)錄得破歷史極值降雨量達(dá)1 056.7 mm(30 日05:00—31 日05:00)，刷新廣東省內(nèi)陸日雨量歷史紀(jì)錄。2018 年 9 月 15 日 05:00 臺(tái)風(fēng)“山竹”在西北太平洋洋面轉(zhuǎn)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，9 月 16 日 17:00，臺(tái)風(fēng)“山竹”在廣東臺(tái)山登陸，臺(tái)風(fēng)“山竹”云系龐大，直徑范圍達(dá)1 000 km，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力15 級(jí)，中心最低氣壓940 hPa，其中惠州沱濘列島測(cè)得24 h降 水 1 178.8 mm(16 日 00:00—17 日 00:00)，是2018年登陸中國(guó)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。這三次降雨過(guò)程覆蓋了廣東省大部分地區(qū)，雷達(dá)回波強(qiáng)度高達(dá)40~55 dBZ，降雨持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，很適合開(kāi)展天氣雷達(dá)降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正研究。

圖3 2018年華南三次典型強(qiáng)降雨過(guò)程雷達(dá)回波強(qiáng)度(單位：dBZ)空間分布

3.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)控

新豐雷達(dá)位于粵北山區(qū)，低仰角數(shù)據(jù)受地形、避雷針、電視信號(hào)發(fā)射塔影響嚴(yán)重，此外雷達(dá)基數(shù)據(jù)還存在晴空回波、地物雜波、ZDR系統(tǒng)偏差、ΦDP高頻抖動(dòng)等問(wèn)題，因而在進(jìn)行降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正前必須對(duì)基數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[39]，預(yù)處理的主要內(nèi)容包括ZH雜波濾除、ZDR系統(tǒng)偏差訂正、ΦDP信號(hào)平滑等。本文采用“微雨滴法”對(duì)ZDR進(jìn)行系統(tǒng)偏差時(shí)空訂正[39，42]，圖 4 為三次降雨過(guò)程中ZDR系統(tǒng)偏差隨方位角變化，圖中紅點(diǎn)是每個(gè)方位角對(duì)應(yīng)的ZDR系統(tǒng)偏差均值，在45 °、135 °、225 °和 315 °方位角處為 4 根避雷針，在 70 °方位角處為電視信號(hào)發(fā)射塔，在290~340 °方位角處為云髻山主峰，從圖4可看到電視信號(hào)金屬發(fā)射塔會(huì)造成ZDR系統(tǒng)偏差偏大，但外覆纖維增強(qiáng)塑料材質(zhì)的避雷針會(huì)造成ZDR系統(tǒng)偏差偏小，這與之前的研究結(jié)果略有不同[42]，可能和玻璃纖維增強(qiáng)塑料的非導(dǎo)電性有關(guān)，金屬材料尖狀物會(huì)帶來(lái)正的ZDR系統(tǒng)偏差，而外覆絕緣材料的尖狀物則會(huì)帶來(lái)負(fù)的ZDR系統(tǒng)偏差。

圖4 新豐雷達(dá)差分反射率因子(ZDR，單位：dB)平均系統(tǒng)偏差隨方位角變化

在晴空回波、地物雜波濾除方面，采用ZDR、KDP、ρhv、ZH閾值組合方式進(jìn)行濾波，針對(duì)降水回波和非降水回波的偏振量分布不同，刪除符合下列條件之一的數(shù)據(jù)：①ZH<25 dBZ &ρhv<0.95 &ZDR>2 dB；②ZDR<-2 dB &KDP>2 °/km。其中條件①主要用于濾除晴空回波，條件②主要用于濾除地物雜波，經(jīng)過(guò)上述步驟，能夠較好地去除新豐雷達(dá)的兩類非降水回波。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)徑向ΦDP數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑，參考前人對(duì)ΦDP數(shù)據(jù)的多種濾波效果研究[43]，本文采用小波閾值去噪方法對(duì)ΦDP數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，對(duì)受地形遮擋影響區(qū)域的ΦDP數(shù)據(jù)先進(jìn)行恢復(fù)訂正，再進(jìn)行小波濾波處理，盡可能確保ΦDP隨距離單調(diào)遞增。原始ΦDP數(shù)據(jù)存在高頻抖動(dòng)，碰到地形等障礙物還會(huì)產(chǎn)生整段偏移，嚴(yán)重影響ΦDP使用和KDP計(jì)算，上述訂正和濾波處理基本能夠消除ΦDP數(shù)據(jù)大幅度跳躍問(wèn)題。

3.3 擴(kuò)展的ZH自適應(yīng)降雨廓線衰減訂正方法

對(duì)ΦDP數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正并濾波后，按下列步驟進(jìn)行降雨和部分地形遮擋衰減訂正，其中步驟1~3參考了ZPHI 訂正方案[16,22]和基于ΦDP的自適應(yīng)衰減訂正方案[23-24]，步驟4~6為本文改進(jìn)部分。

第1 步：融化層識(shí)別，將融化層下方受降雨和部分地形遮擋影響的回波強(qiáng)度(單位：dBZ)數(shù)據(jù)，換算為雷達(dá)反射率因子(ZH，單位：mm6/m3)數(shù)據(jù)，并根據(jù)Hitschfeld 等[15]提出的降雨廓線理論，反射率因子衰減率AH(r)可記為：

式中，r為波束傳播路徑(單位：m)，AH(r)為距離r處的衰減率(單位：dB/m)，ZH(r)為距離r處的未衰減的反射率因子(單位：mm6/m3)，a是與溫度和雨滴譜標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)相關(guān)的變量，b是與雷達(dá)發(fā)射頻率相關(guān)的變量，對(duì)于C波段，b≈0.8。

第2步：根據(jù)雷達(dá)散射傳輸矩陣可得：

并定義衰減率：

式中，Z'H(r)為距離r處的衰減后的反射率因子(單位：mm6/m3)，kim為離散電介質(zhì)等效波數(shù)虛部(單位：m-1)，A(s)為非均勻路徑衰減率(單位：dB/m)。

經(jīng)過(guò)積分變換最后可得到：

式中，α為雷達(dá)反射率因子衰減系數(shù)，α與溫度和雨滴譜特性有關(guān)，r為波束傳播路徑，r0為波束傳播起始位置，rm為波束傳播終點(diǎn)位置，r0

第 3 步：對(duì)于降雨衰減，α值在 0.01~0.40 等間距選擇40 組數(shù)據(jù)，對(duì)于部分地形遮擋衰減，α值在0.05~1.25 等間距選擇40 組數(shù)據(jù)，代入上述式(8)，可獲得一系列積分構(gòu)建的距離廓線[式(9)]，并用矩陣記錄下來(lái)：

式中：ΦDP(α)誤差為距離廓線i從1 到n時(shí)，積分重構(gòu)與觀測(cè)之間的累計(jì)誤差(單位：°)。

從最佳衰減系數(shù)α值隨仰角變化的統(tǒng)計(jì)平均值(圖5a)中可看到，部分地形遮擋衰減系數(shù)α隨雷達(dá)天線仰角增大從0.85 降低到0.10 附近，而降雨衰減系數(shù)α保持在0.10~0.11，受仰角影響較小。圖 5b 為 2018 年 6 月 8 日 10:49、雷達(dá)波束方位角為214 °且仰角為0.5 °時(shí)積分重構(gòu)與觀測(cè)距離廓線誤差隨α值變化，此時(shí)獲得的最佳α值為0.6。

將α=0.6 代入式(10)，獲得結(jié)果如圖 6a 所示，藍(lán)色曲線為最優(yōu)α值對(duì)應(yīng)的積分重構(gòu)的距離廓線，紅色曲線為濾波平滑后的觀測(cè)距離廓線，此時(shí)積分重新構(gòu)建的距離廓線(圖 6a 藍(lán)色曲線)和濾波平滑后的觀測(cè)距離廓線(圖6a 紅色曲線)能夠基本重合。

第6 步：通過(guò)式(11)計(jì)算地形遮擋衰減訂正后的真實(shí)ZH強(qiáng)度。

圖6b 中的黑色曲線是觀測(cè)得到的ZH距離廓線，藍(lán)色曲線是訂正后的ZH距離廓線，ΦDP隨距離不斷增大，導(dǎo)致觀測(cè)的ZH和訂正后的ZH之間的差值也不斷增大，說(shuō)明部分地形遮擋對(duì)雷達(dá)信號(hào)衰減影響極大，在距離新豐雷達(dá)120 km 處，觀測(cè)的ZH和訂正后的ZH差值高達(dá)35 dBZ，從而使得雷達(dá)探測(cè)到的對(duì)流單體呈紡錘型，此時(shí)近地面對(duì)流系統(tǒng)回波強(qiáng)度遠(yuǎn)小于真實(shí)值。

圖6 積分重構(gòu)的ΦDP距離廓線(a)及一條徑向的ZH地形遮擋衰減訂正前后對(duì)比(b)

4 ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正結(jié)果與檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正效果，本文將新豐雷達(dá)降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)同時(shí)空觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了直接對(duì)比，與中國(guó)氣象局龍門云物理野外科學(xué)試驗(yàn)基地的4 臺(tái)二維視頻雨滴譜儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演的雷達(dá)仿真觀測(cè)量以及前人總結(jié)的ZH-KDP經(jīng)驗(yàn)擬合公式進(jìn)行了間接對(duì)比檢驗(yàn)，最后采用具體個(gè)例將新豐雷達(dá)回波強(qiáng)度訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀比較。

4.1 新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正結(jié)果

對(duì)于降雨衰減訂正，兩部雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)對(duì)比方法如下：選擇兩部雷達(dá)連線中點(diǎn)位置、高度3.2~3.4 km、水平范圍500 m×500 m、觀測(cè)時(shí)間差在3分鐘以內(nèi)、波束完全不受地形遮擋影響的ZH數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，包括ZH散點(diǎn)分布對(duì)比和ZH時(shí)間序列對(duì)比，此時(shí)兩部雷達(dá)中點(diǎn)位置剛好在新豐雷達(dá)214 °方位角高掃剖面上。

三次降雨過(guò)程，從兩部雷達(dá)同時(shí)空Z(yǔ)H觀測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布圖(圖7a)及廣州雷達(dá)與訂正后的新豐雷達(dá)同時(shí)空Z(yǔ)H數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布圖(圖7b)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，訂正前的新豐雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)總體略小于廣州雷達(dá)，訂正后新豐雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)與廣州雷達(dá)更一致，但兩部雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)并不完全相等，主要原因在于兩部雷達(dá)對(duì)同一空間的降雨云團(tuán)觀測(cè)存在時(shí)間差(≤3 分鐘)，兩部雷達(dá)觀測(cè)到的降雨云團(tuán)不完全相同，在華南地區(qū)，降雨云團(tuán)在3 分鐘時(shí)間內(nèi)的漂移距離可達(dá)3 km；其次，雷達(dá)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)存在起伏波動(dòng)，影響觀測(cè)精度。

圖7 新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正前(a)、后(b)與廣州雷達(dá)的散點(diǎn)對(duì)比

從新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(圖8)可看到，三次降雨過(guò)程中，訂正后的新豐雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線)與廣州雷達(dá)(黑色曲線)基本一致，尤其是在降雨強(qiáng)度比較穩(wěn)定的時(shí)段，兩部雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)基本重合。

圖8 降雨衰減訂正后的新豐雷達(dá)ZH與廣州雷達(dá)對(duì)比

以廣州雷達(dá)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)獲得的新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正公式為：

此外，本文還對(duì)新豐雷達(dá)ZH進(jìn)行了降雨簡(jiǎn)單衰減訂正研究，統(tǒng)計(jì)三次降雨過(guò)程，獲得的新豐雷達(dá)ZH簡(jiǎn)單衰減訂正公式如下：

式(13)中，衰減系數(shù)α=0.11、統(tǒng)偏差系數(shù)-1.02 由三次降雨過(guò)程中兩部雷達(dá)同時(shí)空的ZH數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)獲得。

要注意的是，本文的降雨和波束地形遮擋衰減訂正均采用式(12)計(jì)算。

4.2 新豐雷達(dá)ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)對(duì)比

新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)對(duì)比：進(jìn)一步的，選擇兩部雷達(dá)連線方向上，高度低于融化層且不受地形遮擋影響的三次降雨ZH數(shù)據(jù)，根據(jù)式(12)對(duì)新豐雷達(dá)ZH進(jìn)行降雨衰減訂正，圖9a 為新豐雷達(dá)ZH衰減訂正前兩部雷達(dá)ZH聯(lián)合概率密度分布，廣州雷達(dá)ZH值比新豐雷達(dá)總體上略微偏大，當(dāng)新豐雷達(dá)ZH在35~45 dBZ 時(shí)，廣州雷達(dá)ZH已達(dá)到40~50 dBZ，新豐雷達(dá)ZH降雨衰減最多可達(dá)5 dBZ，而在對(duì)新豐雷達(dá)進(jìn)行ZH降雨衰減訂正之后的ZH聯(lián)合概率密度分布圖(圖9b)中可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)兩部雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)沿對(duì)角線均勻分布，驗(yàn)證了新豐雷達(dá)ZH降雨衰減訂正效果較好。

新豐雷達(dá)ZH部分地形遮擋衰減訂正結(jié)果與廣州雷達(dá)對(duì)比：將兩部雷達(dá)連線上，所有受地形遮擋影響的新豐雷達(dá)ZH樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)式(12)進(jìn)行衰減訂正，圖9c 為地形遮擋衰減訂正前的ZH聯(lián)合概率密度分布，地形遮擋使得部分新豐雷達(dá)的ZH數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于廣州雷達(dá)，甚至高達(dá)10~40 dBZ，而在地形遮擋衰減訂正后的ZH聯(lián)合概率密度分布圖(圖9d)中可發(fā)現(xiàn)，這部分嚴(yán)重失真的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地形遮擋衰減訂正后基本沿對(duì)角線分布，顯示出良好的訂正效果。

這里要注意的是，在兩部雷達(dá)直線方向上，兩部雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣空間大小并不相同，這和雷達(dá)波瓣寬度有關(guān)，距離雷達(dá)越遠(yuǎn)，單個(gè)距離庫(kù)的采樣空間越大，這會(huì)給兩部雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)比帶來(lái)觀測(cè)誤差。此外，圖9d 聯(lián)合概率密度分布圖中的廣州雷達(dá)有少部分ZH數(shù)據(jù)比新豐雷達(dá)略小，是因?yàn)閮刹坷走_(dá)直線方向上且0.5 °仰角時(shí)的廣州雷達(dá)有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)受廣東南昆山遮擋影響，從而導(dǎo)致訂正后的新豐雷達(dá)ZH比廣州雷達(dá)的略大一點(diǎn)。

圖9 廣州雷達(dá)ZH與降雨衰減訂正前(a)、后(b)的新豐雷達(dá)ZH聯(lián)合概率密度分布對(duì)比，以及廣州雷達(dá)ZH與部分地形遮擋衰減訂正前(c)、后(d)的新豐雷達(dá)ZH聯(lián)合概率密度分布對(duì)比

4.3 新豐雷達(dá)ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正前后ZH-KDP散點(diǎn)分布

此外，本文還將新豐雷達(dá)ZH訂正前后的ZHKDP散點(diǎn)分布關(guān)系同中國(guó)氣象局龍門云物理野外科學(xué)試驗(yàn)基地實(shí)測(cè)雨滴譜數(shù)據(jù)散射仿真結(jié)果和前人總結(jié)的ZH-KDP經(jīng)驗(yàn)擬合公式進(jìn)行了間接對(duì)比檢驗(yàn)。文中使用的4臺(tái)二維視頻雨滴譜儀，分別位于廣東的韶關(guān)新豐、惠州龍門、清遠(yuǎn)佛岡和廣州帽峰山，圖1 紅色方塊標(biāo)識(shí)是4 臺(tái)雨滴譜儀的具體位置，與新豐雷達(dá)的直線距離分別為3.5 km、34.6 km、70.5 km 和115.4 km，雨滴譜模型采用Gamma分布模型：

式中，D為雨滴直徑(單位：mm)，N(D)為單位體積內(nèi)單位尺寸間隔(D~D+ΔD)內(nèi)的雨滴數(shù)(單位：m-3·mm-1)，N0為 Gamma 分 布 截 距 參 數(shù)(單 位 ：m-3·mm-1)，反映數(shù)密度大小，Λ和μ為 Gamma 分布參數(shù)。雨滴譜數(shù)據(jù)選自3 次降雨過(guò)程中降雨穩(wěn)定時(shí)段，并采用Rayleigh-Gans散射模擬[44]，將雨滴譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)波長(zhǎng)(C 波段雷達(dá)波長(zhǎng)5.5 cm)的ZH和KDP值，然后與新豐雷達(dá)觀測(cè)的ZH和KDP散點(diǎn)圖進(jìn)行比較，新豐雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自與雨滴譜數(shù)據(jù)同時(shí)間段的高掃和體掃過(guò)程。圖10a 是新豐雷達(dá)未進(jìn)行ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正時(shí)的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布圖，圖10b 是新豐雷達(dá)ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正后的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布圖，圖10a、圖10b 中紅色實(shí)線分別為觀測(cè)ZH-KDP擬合曲線和衰減訂正后的ZH-KDP擬合曲線，黑色虛線是Bringi 等[23]和Gou 等[45]統(tǒng)計(jì)獲得的C波段雙偏振雷達(dá)ZH-KDP經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，灰色散點(diǎn)為基于雨滴譜儀數(shù)據(jù)仿真的ZH-KDP散點(diǎn)分布。圖10a 中雨滴譜儀數(shù)據(jù)仿真的ZH-KDP散點(diǎn)分布和ZH-KDP經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系一致，兩種算法關(guān)系能夠互相驗(yàn)證，此時(shí)觀測(cè)曲線和前兩種算法存在差距，主要是由于ZH衰減造成。從圖10b 中可看到，衰減訂正后的ZH-KDP數(shù)據(jù)分布、雨滴譜儀數(shù)據(jù)仿真的ZH-KDP散點(diǎn)分布與國(guó)內(nèi)外學(xué)者獲得的ZH-KDP曲線分布[18,23]三者能夠基本重合，間接驗(yàn)證了新豐雷達(dá)ZH衰減訂正的可靠性。

圖10 新豐雷達(dá)ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正前(a)、后(b)的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布

4.4 兩部雷達(dá)高掃和體掃直觀對(duì)比

為了直觀展示新豐雷達(dá)ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正前后的變化，本文選取兩部雷達(dá)一次高掃和一次體掃過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。理想情況下，應(yīng)選擇兩部雷達(dá)同時(shí)空Z(yǔ)H數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，但因?yàn)閮刹坷走_(dá)位置和掃描模式不同，很難做到樣本數(shù)據(jù)時(shí)空完全相同。

圖11a 為 2018 年 6 月 8 日 10:48 兩部雷達(dá)連線方向上的廣州雷達(dá)垂直剖面圖，廣州雷達(dá)剖面圖由體掃數(shù)據(jù)通過(guò)垂直方向上截取、反距離插值和濾波平滑處理得到，廣州雷達(dá)從左到右存在6個(gè)明顯的臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶對(duì)流單體，高度均在6 km 以下。圖11b 為6 月8 日10:49 新豐雷達(dá)觀測(cè)得到的高掃圖，圖中能觀察到第1、3、4、5 號(hào)對(duì)流單體，另外2個(gè)對(duì)流單體雷達(dá)回波強(qiáng)度較弱，且這些對(duì)流單體近地面回波強(qiáng)度明顯偏小。圖11c 為新豐雷達(dá)降雨和部分地形遮擋衰減訂正后的高掃圖，從左到右也存在6個(gè)對(duì)流單體，這些對(duì)流單體從地面一直延伸到融化層，離地面越近對(duì)流單體雷達(dá)回波強(qiáng)度越強(qiáng)。一般認(rèn)為雷達(dá)回波強(qiáng)度大于15 dBZ才會(huì)出現(xiàn)明顯降雨，如果使用未經(jīng)過(guò)訂正的原始觀測(cè)圖，就會(huì)誤以為第2、3、4、5、6號(hào)對(duì)流單體下方不存在強(qiáng)的降雨，事實(shí)上，第1 號(hào)和第2 號(hào)對(duì)流單體間存在海拔高度500~1 200 m的南昆山，只有部分雷達(dá)信號(hào)可穿過(guò)此山脈，在進(jìn)行部分地形遮擋衰減訂正后，圖11c 中可清晰觀察到這6 個(gè)對(duì)流單體從地面到高空的垂直結(jié)構(gòu)特征，訂正后的6個(gè)對(duì)流單體與廣州雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 2018年6月28日10:48廣州雷達(dá)ZH剖面分布(a)、2018年6月8日10:49新豐雷達(dá)ZH觀測(cè)RHI(b)、2018年6月8日10:49新豐雷達(dá)ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正后的RHI(c)

在兩部雷達(dá)體掃對(duì)比選擇方面，時(shí)間上要求高掃時(shí)刻盡量相同，空間上要求覆蓋兩部雷達(dá)共同觀測(cè)區(qū)域。圖 12a 是 2018 年 6 月 8 日 10:48 廣州雷達(dá)0.5 °仰角體掃結(jié)果，為便于和新豐雷達(dá)作對(duì)比，廣州雷達(dá)掃描半徑選擇150 km，此時(shí)新豐雷達(dá)在廣州雷達(dá)右上角位置。圖12b 是6 月8 日10:51新豐雷達(dá)0.5 °仰角體掃原始觀測(cè)結(jié)果，左上角大片空白為波束受到山脈完全遮擋導(dǎo)致。圖12c 是新豐雷達(dá)回波強(qiáng)度降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正后的結(jié)果，新豐雷達(dá)采用0.5 °仰角體掃時(shí)，波束受部分地形遮擋影響比較嚴(yán)重，尤其是在橢圓形標(biāo)識(shí)區(qū)域，訂正后的回波強(qiáng)度比原來(lái)觀測(cè)到的回波強(qiáng)度有5~35 dBZ 的提高，橢圓形區(qū)域訂正后的雷達(dá)回波強(qiáng)度和廣州雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果(圖12a)更加一致。這里需要注意的是，由于大雨滴存在米散射效應(yīng)，不同波長(zhǎng)雷達(dá)觀測(cè)到的ZH數(shù)值并不完全相等，對(duì)于S 波段來(lái)說(shuō)，雨滴主要以瑞利散射為主，而對(duì)于C 波段，雨滴對(duì)入射電磁波既存在瑞利散射，還存在米散射效應(yīng)，當(dāng)球形粒子的尺度數(shù)大于0.13 時(shí)，還需要考慮米散射效應(yīng)，所以兩部雷達(dá)回波強(qiáng)度實(shí)際上只能進(jìn)行強(qiáng)度一致性對(duì)比，而無(wú)法進(jìn)行嚴(yán)格意義上的數(shù)值相等比較。

圖12 廣州雷達(dá)和新豐雷達(dá)0.5 °仰角回波強(qiáng)度平面位置顯示(PPI)

5 總 結(jié)

針對(duì)降雨和復(fù)雜地形遮擋給雷達(dá)回波帶來(lái)的衰減問(wèn)題，本文以廣東省韶關(guān)市新豐縣的C 波段雙偏振天氣雷達(dá)為例，選取了2018年6月8日臺(tái)風(fēng)“艾云尼”、8 月 30 日華南季風(fēng)降水和 9 月 16 日臺(tái)風(fēng)“山竹”三次降雨過(guò)程，對(duì)受降雨和地形遮擋影響的ZH，進(jìn)行了基于ΦDP數(shù)據(jù)的擴(kuò)展自適應(yīng)降雨廓線算法衰減訂正研究，獲得以下主要結(jié)論。

(1) C 波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)在使用時(shí)，必須對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行衰減訂正，對(duì)ZDR進(jìn)行系統(tǒng)偏差訂正。根據(jù)擴(kuò)展的自適應(yīng)降雨廓線理論，當(dāng)雷達(dá)回波強(qiáng)度在15~55 dBZ 時(shí)，廣東地區(qū)C 波段雙偏振天氣雷達(dá)降雨衰減系數(shù)α在0.05~0.17 之間，三次強(qiáng)降雨過(guò)程獲得的平均降雨衰減系數(shù)為0.11，部分地形遮擋衰減α范圍為0.20~1.25，并隨降雨強(qiáng)度、大氣層結(jié)物理特性變化而變動(dòng)，需要對(duì)上述兩類衰減進(jìn)行準(zhǔn)確訂正，才能獲得近地面的真實(shí)雷達(dá)回波強(qiáng)度，本文的研究結(jié)果可為以后同類型雷達(dá)在華南地區(qū)開(kāi)展外場(chǎng)觀測(cè)提供參考依據(jù)。

(2) 選取雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的4臺(tái)二維視頻雨滴譜儀在降雨穩(wěn)定時(shí)段的雨滴譜數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行Rayleigh-Gans雷達(dá)散射仿真模擬，并將獲得的ZHKDP關(guān)系用于對(duì)新豐C 波段雙偏振天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度衰減訂正效果檢驗(yàn)，是有效的檢驗(yàn)方法。

(3) 文中訂正結(jié)果清晰展示了臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶中的對(duì)流單體雷達(dá)回波強(qiáng)度從地面到高空的垂直結(jié)構(gòu)，受地形遮擋影響區(qū)域的回波強(qiáng)度提高了5~35 dBZ，與廣州S 波段雙偏振雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，對(duì)流單體大小和強(qiáng)度一致性較好，訂正技術(shù)具有實(shí)用性，缺點(diǎn)是該算法在計(jì)算上花費(fèi)時(shí)間稍長(zhǎng)，對(duì)ΦDP數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。

對(duì)雙偏振雷達(dá)ZH數(shù)據(jù)進(jìn)行降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正，對(duì)提高復(fù)雜地形區(qū)域雷達(dá)對(duì)極端天氣的探測(cè)能力，尤其是在暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)、颮線以及臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有重要意義，可提升雷達(dá)降雨估測(cè)的準(zhǔn)確度。