X波段测雨雷达强度资料评估及改进方法∗

曹俊武,胡志群

(1.安徽四创电子股份有限公司,安徽合肥230088;2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081)

0 引言

降雨是径流模拟和洪水预报中最重要的信息之一,其时空变化严重影响洪峰流量和洪峰出现时间[1]。通常情况下传统洪水监测预报依靠的降雨数据是通过分散布设在关键河道和集水区的雨量计站网获得的,而雨量计只能在点上精确测量降水,所代表的区域非常有限,不能反映降雨空间分布,要准确测量一个流域上的降水分布必须布设非常稠密的雨量站网,目前在我国还不现实。雷达作为一种主动遥感手段可得到具有一定精度的、大范围高时空分辨率的实时降水信息,应用雷达进行降雨监测和面雨量计算,可以提高洪水预报的精度和时效性,在洪灾监测预报中有很好的应用前景,因此雷达在水文水资源学中的应用研究日益受到关注[2-3]。目前,中国气象局已经在全国范围内完成新一代天气雷达网的建设工作并投入到业务运行中[4],水利部门也逐步在一些河流流域和城市的关键区域布置X波段雷达进行组网探测,以便更好地为流域雨量的监测和城市防洪服务[2]。

多年来许多气象和水文学者在水文水资源研究中应用雷达降雨信息做了大量的研究工作,这些研究为提高水文预报精度提供了许多有借鉴意义的建设性思路,也取得了大量积极性的成果。雷达资料质量评估是雷达资料应用前最为重要的一环,直接关系到最终雨量估测结果的合理性。影响雷达资料质量的因子有很多,其中非气象回波(如地物杂波、海浪杂波和生物杂波)的干扰和降水粒子对电磁波的衰减是两个最为主要的因子。这些因子会使雷达测量值与其真实值之间产生偏差,并直接影响最终的降水估测产品。

本文在Friedrich等人[5]的研究基础上,分析了影响测雨雷达强度资料质量的因子,提出了定量评估雷达资料的方案,并利用X波段测雨雷达的实测资料对定量评估方案进行了检验。同时在此基础上提出了改进雷达资料质量的措施,为提高雷达估测降水的准确度和灾害性洪水的监测预警能力提供理论基础,以便更好地为社会经济发展服务。

1 雷达强度资料的定量评估方案

1.1 方案介绍

一般认为,导致雷达强度资料不确定性的主要影响因子为:(1)波束展宽因子(雷达质量指数Frange);(2)波束阻挡因子(雷达质量指数Fshield);(3)电磁波衰减因子(雷达质量指数Fatt);(4)垂直廓线不均匀因子(雷达质量指数Fvpr)。Friedrich等[5]根据多个欧洲气象服务部门有关雷达资料使用需求的调查结果,利用雷达质量指数算法对影响雷达强度、速度和偏振资料质量的各主要因子按0～1的取值范围进行量化处理,得到各影响因子的质量指数,并按相应的权重系数进行加权求和得到平均质量指数,以此来表征雷达资料质量受各因子的影响程度及其整体情况。其中,质量指数越接近0,表明雷达资料受该因子的影响程度越大,质量越差;质量指数越接近于1,表明雷达资料受各因子影响越小,质量越好。

上述4个因子对强度资料的综合影响程度可用平均雷达质量指数FZ来定量表示:

式中,CZ=Wrange+Wshield+Watt+Wvpr;Wrange,Wshield,Watt,Wvpr为各影响因子的权重系数。当雷达波束被地物完全遮挡(Fshield=0),或雷达电磁波受降水粒子影响而存在严重衰减(Fatt=0)时,相应距离库的数据被认为是不可靠的,其FZ=0,在进行估测降水时这些资料将被剔除。

1.2 波束展宽因子F range

随着探测距离的增大,雷达电磁波的波束宽度在水平和垂直方向都会出现展宽现象,波束高度也随之增大。当波束宽度超过零度层亮带的厚度时,利用雷达探测零度层亮带将变得非常困难。而当波束高度超过降水回波的高度时,利用雷达数据进行降水估测也将出现明显误差。雷达电磁波的超折射效应会随着探测距离的增大而加强,从而导致降水回波的错误定位和地物杂波污染,反射率因子(ZH)的测量精度随距离的增大基本呈线性下降趋势。因此,Frange的定义如下:

式中,rmax为由最大体积分辨率Vmax得到的最大探测距离,通常可由下式得到:

式中,θ,φ,μ分别为雷达的水平波束宽度(°)、垂直波束宽度(°)和发射脉宽(μs)。

1.3 波束阻挡因子F shield

当地物部分甚至完全阻挡雷达电磁波的传播时,其后向散射回来的强信号会直接污染气象回波信号。当波束部分阻挡时,雷达发射电磁波的峰值功率有所减弱,其后向散射信号的强度也将随之减弱;而当电磁波主瓣被阻挡时,由脉冲边缘产生的后向散射信号会被误认为是主瓣的回波信号,从而产生高度误差。Fshield的值在0(完全阻挡)和1(没有阻挡)之间,对于雷达电磁波受到部分阻挡时,其Fshield可以由下式表示:

式中,θ0和θGL分别为波束主瓣轴的仰角和地物相对雷达的仰角,Θ为3 dB波束宽度。在完全阻挡时,Fshield=0;而在完全无阻挡时,则Fshield=1。值得注意的是,当前距离库的Fshield需参考同一径向前一个距离库的Fshield。如果该距离库上的Fshield值大于前一个距离库上的Fshield值,在该库上的Fshield值用前一个距离库上的值代替。

1.4 垂直廓线不均匀因子

受水凝物的增长效应(凝结、凝聚、蒸发等)、相态变化(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响,ZH的垂直廓线表现出明显的时空变化性。为了便于分析,在计算Fvpr时作如下假设:当雷达有效照射波束完全低于零度层高度时,ZH主要来自液态降水粒子,其Fvpr=1;而零度层以上存在雪、冰雹、霰等粒子,考虑到这些粒子在通过零度层下降到地面的过程中,其特性会发生很大的变化,因此,如果根据零度层以上的雷达回波资料来估测降水就会产生很大的误差,因此在评估其估测降水的可靠性上,可假定其Fvpr=0。

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1.5 电磁波衰减因子

降水粒子对雷达电磁波的吸收和散射作用使其对电磁波能量具有衰减效应,其衰减大小主要取决于电磁波的波长λ,对于X波段雷达,电磁波的衰减严重影响了强度资料的应用。衰减作用会沿着径向方向逐渐累积,在强对流单体或零度层亮带后常存在明显衰减,有的甚至是S波段的100倍以上[6]。在双程衰减下,Fatt可以由下式表示:

式中,Kmax和Kmin分别为衰减量的最大和最小阈值,对于X波段,其经验阀值分别为6 dB和1 d B[19]。从上式可见,信号衰减越严重,Fatt越接近0,反之则越接近1。

2 X波段测雨雷达

本文所用的雷达资料来源于安徽四创电子股份有限公司生产的X波段中频相参雷达(以下简称SCXD-03雷达),该雷达可定量测量60 km范围内气象目标的强度、平均径向速度和速度谱宽,对径向风速测量的范围大于32 m/s。表1给出了该雷达部分主要的性能指标。

参 数 指 标工作频率天线口径脉冲峰值功率脉冲宽度波束宽度脉冲重复频率探测范围地杂波抑制比接收机动态范围X波段1.8 m≥50 k W 0.4μs 1.3°(水平、垂直)400～2 000 Hz 60 km(强度、速度、谱宽)≥30 d B≥80 d B

该雷达自研制成功以来,多次在外场开展试验,取得了大量有意义的探测资料,本文所用的观测资料就是该雷达于2013年在淮河流域进行降水测量试验时获取的观测资料(雷达站海拔高度162 m)。

3 试验效果检验

3.1 对流性降水过程分析

2013年8月22-24日,受台风“谭美”外围的影响,架设在淮河流域上游商城县的SCXD-03雷达探测到了一次大范围的中等降水过程,当时降水时间持续在30 h以上,雨量中等。图1给出了22日18:14(北京时间,下同)时刻的PPI(Plan Position Indicator)图,雷达最大观测仰角为4.3°,最大观测距离为60 km,每个距离圈的长度为12 km,雷达位置位于半圆的圆心处。为保证测量的准确性,雷达在开始观测时已经过严格的强度标定。

图1 2013年8月22日18:14,SCXD-03雷达探测到“谭美”台风外围的一次降水过程的回波图

比较图1(a)和(b)可以看出:这是一次比较明显的、有“带”状回波的对流性降水过程,回波带上有若干个对流性单体,强度在45 dBz以上。进行地物抑制前后的回波图轮廓基本相同,可见的地物回波主要集中在雷达近区(径向距离7 km以内),而在雷达远区,由于雷达仰角较高(4.3°),超过了地物的最高高度,因此回波的差异并不明显。

3.1.1 波束展宽因子的影响

图2给出了对应图1时刻的Frange分布图。由图可见,随着探测距离的增大(即逐渐远离雷达),Frange越来越小,这表明雷达波束随距离的增大而逐渐展宽,对雷达资料质量的影响程度也逐渐增大。需要说明的是,该图是根据降水估测所需求的体积分辨率计算的最大有效距离得到,对于不同的降水类型(如层状云降水、对流云降水以及混合性降水等),得到的Frange分布图会根据所要求的体积分辨率大小可以变化的。

图2 波束展宽因子F range分布图(时间同图1)

3.1.2 波束阻挡因子的影响

波束阻挡因子Fshield的计算仅由雷达架设位置的地理特性和雷达本身的性能决定,与气象目标特性无关,因此对于固定站的雷达来说,当雷达性能参数确定后,Fshield仅与雷达探测时的仰角θ0有关,理论上仅需要计算一次。雷达架设位置的地理特性可由中国地理信息数据库计算得到。通常雷达在架设完成后都会根据当地的地理位置信息制作测站的“等射束波束图”,同时在正式进行回波探测前都会进行一次低仰角的PPI扫描,以确定雷达站周边的地物阻挡情况。图3分别给出了根据式(4)计算得到的、雷达探测仰角θ0=1°(左)和θ0=4.3°(右)时的波束展宽因子Fshield分布图(雷达波束宽度如表1所示)。由图3可见,在没有地物阻挡的地方,雷达探测仰角的变化对雷达资料质量的影响不大,而在有地物阻挡的地方,雷达探测时的仰角对雷达资料质量有很明显的影响。

图3 波束阻挡因子F shield分布图

3.1.3 垂直廓线不均匀因子

由1.4节分析可知,垂直廓线不均匀因子与零度层的位置有关,而零度层的高度与地面的温度以及大气特性有关,在没有探空资料的情况下,可以由地面温度通过温度递减率公式粗略计算得到。图1时刻的地面温度为25℃,对应的零度层高度约为4 km。考虑到雷达观察仰角为4.3°以及雷达所在位置的海拔高度160 m,4 km高度对应的雷达径向距离约为52 km。图6给出了图1对应时刻的垂直廓线不均匀因子Fvpr的分布图,径向距离为52 km的探测范围内所有的资料高度都在零度层以下,其Fvpr=1,而在52 km的范围之外,雷达的波束高度已经达到零度层内,其Fvpr=0。

图4 垂直廓线不均匀因子F vpr分布图(时间同图1)

3.1.4 电磁波衰减因子的影响

根据上节分析,4 km零度层高度对应的径向距离为52 km,因此对雷达探测径向距离52 km范围内采用式(5)计算衰减量,图5给出了图1对应时刻的逐库单程衰减量和双程累计衰减总量。由图5可见,当回波强度较小时(＜10 dBz),对应的衰减量较小(＜0.2 dB),而当回波强度大于20 dBz时,其衰减量明显增加,而且对整条径向上的后续回波都影响明显。从图上可以看出,就本个例而言,强回波后的衰减量达到了22 dB以上,可见,衰减已经严重影响到了X波段雷达对强降水的测量。

图6给出了对应图1时刻的Fatt分布图。从图上可以比较明显地看出回波强度对Fatt的影响,在带状强回波的后面,都明显地存在着强烈的电磁波衰减,Fatt由1快速地下降到0.1附近。

图5 单程逐库衰减量与全程累计衰减总量对比图(时间同图1)

图6 电磁波衰减因子F att分布图(时间同图1)

3.1.5 雷达资料总质量指数FZ

根据式(1)可知,当Fshield=0或者Fatt=0时,FZ=0;在实际的降水计算中,当雷达资料被用于地面的定量估测降水时,由于零度层高度以上的降水粒子在下落过程中,其特性会发生较大的变化,因此对于零度层高度以上的降水粒子也设定其资料质量因子为0,即当Fvpr=0时,FZ=0。而当Frange,Fshield,Fatt和Fvpr都不为0时,雷达资料总质量指数FZ由Frange,Fshield,Fatt和Fvpr共同决定,图7给出了图1时刻的雷达资料总质量指数FZ分布图(取Wrange,Wshield,Watt,Wvpr均为1的等效系数,计算Fshield时取雷达探测仰角θ0=4.3°)。由图7可知,高质量的强度资料(FZ＞0.8)主要分布在距离雷达较近的12 km范围内,以及在回波强度较小的径向上(图1),而在雷达测量范围的远区,由于雷达波束展宽的影响,FZ的值普遍较小(＜0.6)。

图7 雷达资料总质量指数F Z分布图(时间同图1)

3.2 层状云降水过程分析

2014年8月11-12日,SCXD-03雷达探测到了一次大范围的层状云降水过程,当时降水时间持续在20 h以上,雨量小到中等。图8分别给出了2014年8月11日09:25该雷达探测到的降水过程的原始回波图、单程逐库衰减量、全程累计衰减总量、电磁波衰减因子Fatt分布图、垂直廓线不均匀因子Fvpr分布图,以及雷达资料总质量指数FZ分布图(波束展宽因子Frange和波束阻挡因子Fshield分布图分别同图2和图3)。由强度(如图(8a)所示)可见,除个别位置外,降水回波强度普遍低于30 d Bz,主要降水强度集中在20～25 dBz之间,该次过程为小到中等降水过程,单程逐库衰减量(如图8(b)所示)都不超过0.2 d B,全程累计衰减总量(如图8(c)所示)不超过2 dB,因此其对应的Fatt都在1左右(如图8(d)所示)。同样,由于雷达测量到的降水回波整体高度(约4.5 km)都在零度层以下(地面温度为30℃,对应的零度层高度约为5 km),因此其Fvpr=1(如图8(e)所示);雷达回波强度资料整体质量较高,绝大部分范围内其FZ都大于0.8(如图8(f)所示);而在雷达测量范围的远区,FZ的值较小(＜0.8),这主要是由于雷达波束展宽的影响。另外在雷达测站的东南方向约120°方位处出现了一条带状的FZ小值区(如图8(f)所示),这主要是由于波束阻挡因子Fshield的影响所致(如图3(b)所示)。

图8 2014年8月11日09:25 SCXD-03雷达探测到的一次层状云降水过程的各参数分布图

4 结束语

本研究以安徽四创电子股份有限公司生产的SCXD-03雷达2013年在淮河流域的外场试验观测资料为例,将导致雷达强度资料质量不确定性的主要因子通过简单的量化处理转化成雷达资料质量指数,并将各雷达质量指数以指定的权重系数加权求和得到相应的平均雷达质量指数,从而直观地了解雷达资料质量受各因子的影响程度及其整体情况,以此对雷达资料质量进行定量评估,通过研究发现:

1)雷达强度资料质量的定量评估算法充分考虑了影响雷达强度资料质量的主要因子,方法合理,得到的评估结果直观,方法适用性强。

2)通过两个不同天气过程的资料分析对比发现:在几乎完全相同的工作模式下,仅仅是天气条件的不同,出现强回波的对流性降水天气,其强度回波资料的总质量指数FZ要明显低于弱降水的FZ,而且FZ的分布同Fatt的分布趋势几乎完全相同,充分显示出强回波导致的衰减对雷达强度回波资料质量的显著影响。而在弱降水的天气时,回波资料总质量指数FZ都比较高,这时回波衰减已经不是影响其分布的主要因素,主要影响FZ值的是波束展宽因子Frange和波束阻挡因子Fshield。因此,要提高雷达强度探测资料的质量,需要综合考虑上述因素的影响,区别分析和对待。

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