星載雷達觀測臺風降水結構的三維虛擬仿真實驗平臺建設＊

吳迪，楚志剛

（1.南京信息工程大學大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學中心，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京 210044）

相對于地基雷達，星載雷達的降水觀測具有2 個明顯優勢：①覆蓋范圍更廣，尤其在地基雷達無法架設的海洋、高原、沙漠等地區；②觀測的云降水三維結構更完整，星載雷達不存在地基雷達的波束下盲區和正上方盲區，更有利于分析云降水的完整三維結構。第一部星載測雨雷達是1997年美國和日本聯合發射的TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛星搭載的PR（Precipitation Radar）雷達，工作在Ku 波段，覆蓋范圍為38°S—38°N[1]。2014 年GPM（Global Precipitation Measurement）衛星接替了TRMM，上面搭載了觀測能力更強的DPR（Dual-frequency Precipitation Radar）雷達，工作在Ku 和Ka 波段，覆蓋范圍為68°S—68°N[2]。中國的風云三號氣象衛星的星載測雨雷達也在研制中，即將投入業務運行[3]。

星載測雨雷達是未來大氣探測和雷達氣象的發展方向之一，也是大氣科學本科生教學的一個重要知識點。大氣探測和雷達氣象教學實習中，地基雷達的教學資源比較豐富，中國擁有200 多部地基雷達[4]，實測數據足以滿足各種教學需求，也研發了各種地基雷達相關的虛擬仿真資源[5-6]。但是，星載測雨雷達數量少，目前穩定在軌運行的僅GPM/DPR 一部，對同一地點的觀測每天僅1～2 次。星載雷達的可用數據非常少，且時間間隔長，限制了實踐教學效果。為此，本文采用虛擬仿真技術，針對星載雷達觀測海上臺風降水事件，結合雷達氣象原理，設計了一套三維虛擬仿真實驗平臺，直觀展示不同臺風個例、不同雷達參數對星載雷達觀測結果的影響，結合考評練，豐富了星載雷達相關教學和仿真資源。

虛擬仿真實驗項目建設要體現虛實結合、相互補充、能實不虛。學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學目的。結合此原則進行三維虛擬仿真系統設計。

1 三維虛擬仿真實驗平臺的架構

1.1 三維虛擬仿真實驗平臺的基礎數據

基礎數據的仿真是三維虛擬仿真實驗平臺的關鍵技術。海上臺風的直接觀測數據較少，無法直接獲得三維基礎數據。而目前數值天氣模式已具備了臺風大氣環境場的仿真能力[7]，為此本系統采用了數值天氣模式仿真加星載雷達回波仿真2 個技術，來實現高分辨率海上臺風基礎的構建。

1.1.1 臺風過程的數值模擬

選擇3 個典型臺風個例，即超強臺風燦鴻（2015年）、超強臺風利奇馬（2019 年）、熱帶風暴浪卡（2020年）。臺風接近陸地或登陸后，地基雷達網可以觀測，但海上臺風地基雷達無法探測，此時星載雷達的觀測優勢便展現出來。為此，個例選擇臺風在海面上時段，在24 h 臺風警戒線附近，3 個個例仿真時間和區域如表1 所示。

表1 仿真基礎數據信息表

仿真基礎數據用天氣數值模式生成，首先選擇NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析數據作為初始背景大氣場，之后用LAPS（Local Analysis and Prediction System）[8]同化風云二號、風云三號衛星觀測后等形成接近真實的三維大氣背景場，最后用LAPS 三維大氣背景場啟動WRF（Weather Research and Forecast Model）數值天氣模式，生成15 min 間隔、水平1 km 分辨率、垂直125 m 分辨率的海上臺風仿真基礎數據，以NetCDF 格式保存。

1.1.2 星載雷達觀測回波的虛擬仿真

在WRF 仿真數據的基礎上，對應實踐教學中的各知識點，進一步仿真不同雷達工作參數對臺風觀測的影響。星載雷達主要工作參數有幅寬、水平垂直分辨率、工作波段。幅寬與飛行高度、掃描角度有關，計算量小，故設計在仿真顯示系統中動態計算。水平垂直分辨率與波束寬度、脈沖寬度有關，提前預設1 km、2 km、3 km、4 km、5 km 共5 個水平分辨率，125 m、250 m、500 m 共3 個垂直分辨率，采用線性插值方法從WRF 仿真數據中提取。工作波段的仿真是關鍵技術，不同波段對應不同的衰減，對回波仿真影響較大。為了獲取不同波段的衰減特性，在Gamma 雨滴譜分布的假設下，采用TMatrix 散射模型[9]，分別計算C 波段、X 波段、Ku 波段、Ka 波段的衰減系數，建立衰減系數與反射率因子的經驗關系，如圖1 所示。在WRF 仿真數據上，沿觀測路徑應用不同波段的衰減關系，生成每一波段的星載雷達觀測回波的仿真基礎數據。

圖1 散射模型計算的衰減系數與雷達反射率因子的關系

1.2 三維虛擬仿真實驗平臺的結構與功能

基于海上臺風的雷達仿真基礎數據集，采用WebGL（Web Graphics Library）技術開發了星載雷達觀測臺風降水結構的三維虛擬仿真實驗平臺。WebGL是一種三維繪圖協議，允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起，提供硬件三維加速渲染。

三維虛擬仿真實驗平臺由實驗管理模塊和三維仿真模塊組成，如圖2 所示。實驗管理模塊包括學生登錄、教師管理、實驗目的介紹、操作說明、基礎知識學習、實驗考核及成績發布功能。三維仿真模塊包括個例選擇、波段選擇、分辨率選擇、三維面繪制、三維顯示設置、二維剖面繪制、二維顯示設置和時間動畫顯示功能，如圖3 所示。個例選擇可任意切換3 個海上臺風仿真基礎數據，分析降水結構的異同；波段選擇可任意切換S 波段（無衰減）、Ku 波段、Ka 波段，讓學生了解不同波段的衰減對星載雷達觀測臺風的影響；分辨率選擇可任意切換水平垂直分辨率，讓學生了解分辨率對星載雷達回波精細度的影響；三維面繪制可同時繪制3 個等值面，不同等值面設置不同的顏色和透明度，使學生可以同時觀察到降水內外的結構，如圖4 所示；三維顯示設置可設置3 個等值面的閾值、顏色和透明度；二維剖面繪制用于繪制水平、沿經向、沿緯向3 個剖面；二維顯示設置用于控制3 個剖面的位置；時間動畫顯示用于生成三維和二維的時間動畫，動畫時間可調。

圖2 三維虛擬仿真實驗平臺的結構與功能

圖3 三維虛擬仿真系統主界面

圖4 星載雷達觀測臺風降水的三維顯示

2 三維虛擬仿真實驗平臺建設的內容

該虛擬仿真實驗教學平臺可用于雷達氣象教學實習實踐，涵蓋的知識點包括星載雷達掃描方式、星載雷達的觀測特點、降水對電磁波的衰減、雷達分辨率等，通過臺風仿真基礎數據的三維顯示、雷達參數的動態調節，加深學生對知識點的理解，提高學生的應用能力。該虛擬仿真實驗教學平臺包括3 個操作模塊供學生學習。

2.1 系統介紹

通過主界面，學生可以快速查看實驗簡介、實驗目的、操作說明。通過此模塊讓學生學習以下內容：①了解星載測雨雷達的（自上而下）觀測方式和觀測參數；②了解星載測雨雷達對臺風降水的觀測優勢（完整三維結構、可觀測海上臺風）；③掌握衰減對星載測雨雷達觀測的影響；④對比星載雷達與地基雷達的觀測特點；⑤了解該實驗教學系統的操作方法。

2.2 基礎知識

基礎知識部分是虛擬仿真實驗系統的核心內容，包括3 個部分。

2.2.1 星載測雨的觀測方式與重要參數

通過臺風降水回波的三維顯示，經過旋轉、縮放和動畫等操作分析后，讓學生了解星載雷達自上而下觀測的特點和優勢，對比地基雷達觀測特點，可直觀理解星載雷達觀測無盲區，觀測臺風降水的三維結構更完整；衰減路徑短，可以適當采用短波長觀測。通過調整衛星高度和掃描角范圍，調節觀測幅寬，結合臺風降水空間尺度，了解幅寬對臺風降水觀測的影響，同時可以分析高度對雷達靈敏度、分辨率的影響。

2.2.2 不同分辨率對觀測結果的影響

結合《雷達氣象學》第五章內容[10]，讓學生更好掌握不同分辨率對觀測結果的影響。通過調節水平和垂直分辨率，對比不同分辨率下回波的變化，如圖5所示。高分辨率時臺風雨帶的細節更豐富，小尺度對流降水更明顯；低分辨率時細節消失，同時由于空間平均作用，小尺度降水范圍變小。說明低分辨率對大范圍弱降水影響不大，但對小尺度對流強降水的影響則不容忽視。

圖5 三維虛擬仿真系統高低水平分辨率的對比

2.2.3 衰減對觀測結果的影響

工作波段或工作頻率是雷達的最重要參數，受星載雷達觀測條件限制，通常采用高頻率短波長，此時降水對電磁波的衰減則成了一個重要的考慮因素。結合《雷達氣象學》第二章內容[10]，通過三維虛擬仿真系統，調整不同波長，對比分析圖像的差異，學習和討論衰減對星載雷達觀測臺風的影響，如圖6 所示。由于S 波段（典型波長～10 cm）的衰減可以忽略，故圖6（a）是無衰減的臺風降水。切換到Ku 波段（典型波長～2 cm）后，如圖6（b）所示，由于衰減的作用，降水回波明顯減弱，強降水區減弱尤為明顯，減弱幅度與自上而下沿觀測路徑的降水分布有關。切換到Ka 波段（典型波長～0.8 cm）后，如圖6（c）所示，回波衰減更為嚴重。該功能使學生直觀地了解到衰減對降水的影響，以及衰減訂正對星載雷達的重要性。

圖6 三維虛擬仿真系統的1 km 高度二維水平剖面圖對比

2.3 實驗考核

三維虛擬仿真系統實現了學練考評功能。為了及時并全面地考察學生的學習效果，該系統設置了考核題目，包含基礎理論知識和操作相關知識。學生在考核完成后會自動生成電子實驗報告，記錄學生的學習和考核全過程，便于學生查缺補漏，深化對基礎知識的理解。

3 三維虛擬仿真實驗平臺的特色

利用虛擬仿真技術，模擬不同雷達參數和觀測角度情況下臺風三維降水結構。學生可調節星載測雨雷達的波長頻率、衛星高度、觀測角、觀測范圍、時間步長、水平分辨率、垂直分辨率等參數，生成相應的三維回波。具有三維等值面、三維地形、二維任意切面、三維動畫、動畫導出、轉換、縮放、多圖層疊加等教學演示功能。不僅可以激發學生的學習興趣，讓學生擁有逼真、沉浸式的學習體驗，提升知識的實踐水平，培養學生主動分析和解決問題的能力，更有助于學生理解星載測雨雷達的觀測特點和能力、內外雨帶的臺風結構特征，掌握各雷達參數對觀測的影響，靈活地應用雷達氣象方程，為雷達氣象學的實驗教學提供有效補充。

4 結語

星載測雨雷達觀測臺風降水結構的三維虛擬仿真實驗平臺建設，以海上臺風為對象，通過虛擬仿真星載測雨雷達觀測，使學生能清晰地了解臺風的云降水結構及星載測雨雷達的觀測特點與優勢。充分發揮了虛擬仿真實驗教學獨特的、不可替代的作用，切實提高了教學能力，拓展了實踐領域，豐富了教學內容。但限于三維格點數據量大、網頁三維顯示技術性能瓶頸的限制，仿真結果流暢度不夠，在線加載數據較慢，期待計算機顯示和網絡技術的發展和突破。