高山上新一代天气雷达的探测分析与效能发挥*

赵振东，张 艳，赵洪润

(山东省泰安市气象局，山东 泰安 271000)

高山上新一代天气雷达的探测分析与效能发挥*

赵振东，张 艳，赵洪润

(山东省泰安市气象局，山东 泰安 271000)

以泰山新一代天气雷达CINRAD/CD为例，结合泰山原713天气雷达多年的使用经验，计算并分析了天气雷达的最佳探测仰角和最低探测高度，根据泰山新一代天气雷达(简称泰山CD雷达)与济南新一代天气雷达(简称济南SA雷达)回波的DBZM、C-VIL对比分析，揭示不同海拔高度雷达在相同仰角下观测的回波的差异，指出泰山CD雷达由于使用了与平原雷达统一的0.5°以上仰角的观测模式，造成了对降水回波的探测能力不足，并指出泰山CD雷达要发挥最大效能应如何改进的建议。

雷达；探测；最佳仰角；DBZM；C-VIL

1 引言

根据中国气象局新一代天气雷达的选址规定和布点规划[1-2]，我国有很多新一代天气雷达架设在高海拔地区。全国新一代天气雷达网组建以后，使用了统一的观测模式[3]，但这批架设在高山上的雷达所在高度对探测范围和定量估测降水有着重大影响。提高天气雷达的质量和效益，充分实现组网雷达在防灾减灾中的基础支撑作用[4]，高山上的天气雷达是一个重要方面。

为充分发挥新一代天气雷达的探测能力，很多人进行了试验研究。杨金红等[5]利用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)地理信息数据,研究和设计新一代天气雷达的体扫模式,主要是增加中低层仰角数和负仰角,以提高我国新一代天气雷达的低层探测能力；张爽等[6]计算并分析正、负仰角下雷达的最低探测高度，发现仰角越低探测到的降水回波越多；刘雨佳等[7]通过泰山CD与济南SA雷达的回波对比分析，发现两部雷达在重叠且基本同距区域内的回波强度存在很大的差异，泰山CD要比济南SA雷达的回波强度小，并指出这是由于两部雷达的不同波段造成的；Rodger等[8]通过分析指出，架设在山上的WSR-88D天气雷达使用0.5°仰角的观测模式，难于探测到近地面的灾害性天气，而使用更低的仰角，如-1°能改善近地灾害性天气的观测；张沛源等[9]针对高山上的雷达所在高度与负仰角的关系，研究了负仰角的观测及数据处理方法，提出了高山上的新一代天气雷达进行0°或负仰角扫描是必要的。张仰成等[10]在实地试验的基础上，对比分析不同仰角观测模式的主要雷达产品特点，探讨了新一代天气雷达使用负仰角的问题；另外，张沪生等[11]通过遵义CINRAD/CD与数字化713天气雷达探测资料的回波对比，发现CINRAD/CD雷达的回波强度有时偏强，分析是由于两种雷达的信号处理上的差别造成的；邹书平等[12]利用贵阳、毕节两部CINRAD/CD雷达的同步观测的回波特征参数对比，发现两部雷达同步观测到的回波强度、高度有差异，并指出这是由于两部雷达的遮挡角、回波距离以及系统参数不同造成的。以上的分析试验研究，均没有汲及到高山新一代天气雷达的探测全面分析以及效能最大化问题。

泰山原713天气雷达是1983年底架设并投入使用的我国第一部高山天气雷达。这部雷达周围无任何遮挡，可以用负仰角进行观测，探测面积比平原架设的雷达增大近3倍。1995年，这部雷达进行了数字化改造，通过甚高频电话传输雷达回波图。为加快泰山雷达的现代化改造，中国气象局、山东省政府等领导极为重视，在“必须建、尽快建”的指示下，克服重重困难，经过3 a的建设，终于在2007年1月建成CINRAD/CD新一代天气雷达并投入业务使用。

泰山位于山东省中部，地势挺拔凸起，架设于日观峰上的天气雷达的天线馈源高度海拔1 545.8 m，占有一定的高度优势，但在泰山CD雷达使用以后，与济南SA雷达相比，发现回波范围变小、强度弱、失真严重，还不如原713天气雷达的探测能力。本文分析泰山雷达与平原雷达不同仰角下的探测能力，探讨高山天气雷达效益发挥最大化的可能性，对于使用高山雷达资料和预报监测、雷达定量测量等工作有一定的实际意义，也期望对新一代天气雷达组网的改革创新和标准化体系建设有所启发。

2 泰山天气雷达的最佳探测仰角

天气雷达的最佳探测仰角是假定雷达波束直线传播，雷达发射的波束与等效地球半径相切，既能探测到地球表面，又能探测到最远的最低探测高度，计算公式[13]为：

其中α0为最佳探测仰角，h为天线海拔高度，re为等效地球半径。

计算得知，泰山雷达理论上的最佳探测仰角是-1.07°。

泰山713雷达二十多年的使用证明，当用理论上的最佳探测仰角-1.07°观测时，距离泰山360 km左右的太行山区地物回波轮廓清晰，由于旁瓣的原因周围地物回波也较多；当用-0.5°观测时，太行山区地物回波和泰山周围地物回波彻底消除，经计算分析和实际应用表明，以-0.5°仰角定为泰山713雷达的最佳探测仰角[14]。

西北是山东省天气系统的主要来源方向。对于京津冀地区发展高度超过10 km的强对流天气，泰山713雷达可探测到580 km,对于发展高度7 km以上的降水系统，能从它在京津冀地区的发生发展以至进入山东的演变移动、消亡入海过程完整观测到。但由于当时受传输技术的限制，这些探测资料没有有效服务出去。

实际使用713天气雷达的工作中，汛期及灾害性天气易发季节，雷达开机首先进行仰角-1°远距离探测，如果发现有降水回波，就慢慢抬高仰角，进行消除地物后观测，一般是用仰角-0.5°跟踪观测，天气系统基本不漏测。

3 泰山天气雷达与平原天气雷达不同仰角下的探测高度

在雷达技术性能相对稳定的前提下，天气雷达对降水回波的探测能力，关键是由对降水回波的探测高度决定的。假定地球表面为标准大气，在等效地球半径下雷达波束以直线传播，则雷达测高公式[16]为：

其中：H0为雷达天线海拔高度，α为天线仰角，r为雷达天线距离目标物的斜距。

由测高公式，计算出泰山雷达(H0=1 545.8 m)、平原雷达(H0=0 m)不同仰角随探测斜距的探测高度，见表1、表2。这个探测高度是忽略了超折射和波束宽度(泰山CD雷达的垂直波束宽度是0.93°)后，假定波束直线传播的轴线中心的高度。

表1 泰山雷达(H0=1 545.8 m)在不同仰角时的探测高度Tab.1 The detection height of Taishan radar(H0=1 545.8 m) at different elevations

表2 平原雷达(H0=0 m)在不同仰角时的探测高度Tab.2 The detection height of plain radar(H0=0m)at different elevations

比较表1、表2可以看出，泰山雷达采用负仰角探测可以有效的降低探测高度，仰角越低探测到的地面边界层范围越大，也即降水回波越多、探测距离越远。由于相对高度的原因，当同时都用同一正仰角(比如0.5°)观测同一块降水云体时，泰山雷达要比平原雷达的探测高度高出1.5 km，也就是说，对于距离雷达相同距离的降水云体，假如泰山雷达探测到的是中上部，平原雷达探测到的则是中下部，不是同一个部位，从而造成了泰山与平原雷达回波强度的差异。

4 泰山天气雷达的探测分析

由表1、表2可知：

①泰山雷达用理论上的最佳探测仰角-1.07°扫描时，雷达发射的电磁波束是沿着地球表面发散的，波束轴心到了150 km左右与地球表面相切，500 km时仍能探测到小于7 km的降水云体。如果用-1.07°开始扫描，虽然此时地物回波较多，但可以将近距离1 km以上直到500 km的7 km以上的降水云体全部观测到，起到了探测作用。

②泰山雷达用-0.5°扫描时，近距离1.2 km以上，远距离400 km上的7.5 km以上的降水云体可全部观测到，特别是关键距离的50～350 km范围内的降水云体能做很好的降水诊断分析，已经基本覆盖能在山东发生的7 km以上的强对流天气过程；平原雷达因为电磁波射向了地面，不可能用-0.5°进行扫描。考虑了遮挡角和消除地物回波的影响以后，泰山雷达和平原雷达分别都用最佳探测仰角-0.5°和0.5°进行扫描，开始阶段，泰山雷达的波束在平原雷达的波束之上，到了88.6 km距离，两者波束轴心进行交叉，然后转为泰山雷达波束在平原雷达的波束之下，且随着距离的增加，两个波束分离越来越大，从而泰山雷达的探测能力显现，平原雷达逐渐看不到降水云体。

③泰山雷达与平原雷达同时都用0.5°仰角扫描，泰山雷达的波束是平行地叠加在了平原雷达的波束1.5 km之上。对于7 km以上的降水云体，泰山雷达的探测距离仅仅是250 km，比用-0.5°最佳探测仰角的探测面积缩小了2.56倍，平原雷达可以探测到300 km,并且近距离平原雷达的底层探测效果明显优于泰山雷达。这就是现在的泰山CD雷达用0.5°以上仰角的观测模式做CAPPI扫描，近距离低层云体看不到，远距离的看到中上部，与济南平原雷达相比，回波范围小、强度弱、有所失真的原因。

例如：受副热带高压边缘切变线影响，2016年7月21日夜间到22日早上，泰安市自西向东出现了一次局地性较强的降水过程。此次过程大监站以及全部自动站的全市平均降水量38.4 mm，泰山国家站降水量达到168 mm。最大降水量为311.3 mm，出现在泰安市岱岳区黄前水库。黄前自动站雨强较大的时段为22日00—05时(最大小时雨强达到74.3 mm)，全市有17个自动站降水量出现了50 mm以上的强降水，其中12个站点均在100 mm以上。泰山站监测到的最大风速24 m/s，未监测到有冰雹。据灾情调查，此次发生在泰山周围的局地性强降水过程，造成山洪暴发、房屋倒塌，受灾人口2万多人，紧急转移200余户。从雷达观测到的情况看，由于使用的是规定的观测模式，且强降水区域距离雷达仅仅25 km左右，在黄前水库降水最激烈的00～05时前后，泰山雷达回波01时04分显示53 dBz,02时03分显示54 dBz,7月22日01时04分26秒 Max:53 dBz,Elev=0.5 deg，7月22日02时03分49秒 Max:54 dBz,Elev=0.5 deg可能比实际情况偏弱很多，严重失真。见图1(红圈处为黄前水库)。

7月22号01：04：26Max：53dBz,Elev=0.5deg.GIF 7月22号02：03：49Max：54dBz,Elev=0.5deg.GIF图1 黄前水库降暴雨时的泰山雷达回波强度图Fig.1 Radar echo intensity of Huangqian Reservoir under rainstorm

5 对比分析和实例

泰山CD雷达与济南SA雷达相距67 km，济南雷达的天线馈源高度是海拔61.6 m，接近平原安装的雷达。利用泰山CD和济南SA雷达的同步观测资料(0.5°以上仰角的观测模式、同时间、基本等距)，选取了地面实况降水(长清、肥城、泰安)分别为小雨、中雨、大雨和暴雨的4次降水天气过程进行了对比分析，这4次过程分别是：2016年5月31日—6月1日小雨天气过程、2016年5月14—15日中雨天气过程、2016年8月19—20日大雨天气过程、2016年8月16—17日暴雨天气过程。两部雷达探测到的回波信息参数选取了最常用的最大反射率因子(DBZM)、基于单体的垂直积分液态水含量 (C-VIL)。其中最大反射率因子数据为济南SA雷达组合反射率因子(CR 37)和泰山CD雷达组合反射率因子(CR 38)产品，CR 37和CR 38产品唯一差别是显示距离的差异，CR 37最大显示距离是230 km，CR 38最大显示距离是250 km。图2是泰山CD和济南SA雷达探测到的4次降水过程的DBZM、C-VIL演变情况及各参数平均值，虚线为泰山CD雷达资料，实线为济南SA雷达资料，蓝色、红色、黑色和绿色分别代表小雨、中雨、大雨和暴雨4次过程。

图2 参数演变 a DBZM,b C-VILFig.2 Parameter Evolution a DBZM,b C-VIL

DBZM变化表明，SA雷达监测到的DBZM值基本均大于CD雷达观测到的DBZM值，4次天气过程中，SA雷达监测到的DBZM值比CD雷达观测到的DBZM值平均高6.1 dBz。2016年5月31日—6月1日小雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的DBZM平均值分别为47.5 dBz和42.0 dBz，相差5.5 dBz；2016年5月14—15日中雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的DBZM平均值分别为51.3 dBz和41.8 dBz，相差9.5 dBz；2016年8月19—20日大雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的DBZM平均值分别为52.0 dBz和47.3 dBz，相差4.7 dBz；2016年8月16—17日暴雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的DBZM平均值分别为49.6dBz和44.9 dBz，相差4.7 dBz。

C-VIL变化表明，SA雷达监测到的C-VIL值基本均大于CD雷达观测到的C-VIL值，4次天气过程中，SA雷达监测到的C-VIL值比CD雷达观测到的C-VIL值平均高3.7 kg·m-2。2016年5月31日—6月1日小雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的C-VIL平均值分别为4.2 kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差1.2 kg·m-2；2016年5月14—15日中雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的C-VIL平均值分别为4.7 kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差1.7 kg·m-2；2016年8月19—20日大雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的C-VIL平均值分别为12.9 kg·m-2和6.1 kg·m-2，相差6.8 kg·m-2；2016年8月16—17日暴雨天气过程，SA雷达和CD雷达监测的C-VIL平均值分别为8.0kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差5.0 kg·m-2。

a

济南：18:57，Elev=0.5deg,Max:54dBz; 泰山：18:56，Elev=0.5deg,Max:54dBz。 Ji'nan: 18:57, Elev=0.5deg, Max:54dBz; Taishan: 18:56, Elev=0.5deg, Max:54dBz.

b

济南：20:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz; 泰山：20:00，Elev=0.5deg,Max:58dBz。 Ji'nan: 20:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz; Taishan: 20:00，Elev=0.5deg,Max:58dBz.

c

济南22:01，Elev=0.5deg,Max:60dBz; 泰山：22:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz。 Ji'nan: 22:01，Elev=0.5deg,Max:60dBz; Taishan: 22:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz.图3 泰山CD和济南SA雷达同仰角、同时间的3幅雷达回波强度对比图Fig.3 Three radar echo map between Taishan CD and Ji’nan SA at the same elevation and the same time

根据电磁衰减理论，雨和冰雹对不同波长的电磁波有不同的衰减，有时候差别很大。雨对电磁波的衰减与温度、雷达波长和雨滴谱有关，要定量计算非常复杂，与降水强度成近乎正比例关系，即每小时降水量越大，雨对电磁波的衰减越严重，但一般地，对10 cm波长的雷达雨的衰减可以忽略不计，5 cm波长的雷达对小雨、中雨也忽略不计。与此相反，波长较短的雷达，可以较好地探测到近处的降水，对于弱降水或中等强度降水有较好的探测能力[17]，也即5 cm波长的雷达探测中小降水要优于10 cm波长的雷达。只有大雨甚至特大暴雨和冰雹时，5 cm雷达由于电磁衰减会出现回波失真，需要考虑电磁衰减的影响。因此，对于中小降水来说，应该不会出现泰山CD比济南SA雷达的回波范围小、强度弱的情况。但是，通过DBZM、C-VIL的对比分析，两部雷达的回波差异很明显。从以下的观测实例可进一步看出，这样的回波差异显然不是由于两部雷达的系统参数造成的，而是由于海拔高度显著不同的两部雷达用相同的观测模式造成的。

观测实例：

2016年7月22日00—05时的泰安市黄前水库特大暴雨之前，也即7月21日夜间，泰山CD与济南SA雷达同时观测了天气系统从西北向东南方向移动的过程，图3是两部雷达同仰角同时间的雷达回波强度对比图。

从以上看出，泰山CD雷达由于使用了与平原雷达一样的观测模式，不但没有发挥出高山雷达“站得高、看得远”的优势，反而探测能力不如平原雷达了。这种情况的出现，架设在高山上的其他新一代天气雷达同样发生。

6 结论

天气雷达的探测能力，关键是由雷达的最低探测高度决定的，探测仰角对探测距离和定量测量降水有着重大影响。遮挡角不同、架设高度不同的雷达，有不同的最佳探测仰角，只有使用最佳探测仰角开始扫描，每部雷达才能发挥出最大效能。

泰山新一代天气雷达与泰山原713天气雷达的海拔、波长以及架设布局相同，发射功率更大，灵敏度更高。当用最佳探测仰角-0.5°扫描时，参照泰山713天气雷达的探测能力，探测面积可比平原架设的雷达增大近3倍。但由于执行0.5°以上仰角观测模式的局限，限制了泰山新一代天气雷达能力的发挥，降低了探测能力。恢复其-0.5°的最佳探测仰角观测，或者使用-0.5°以上仰角开始CAPPI体扫，这对于山东省的灾害性天气预警服务有很大的意义，对全国很多架设在高山上的天气雷达发挥效能也很有意义，需要天气雷达组网标准化的改进以及泰山CD雷达天线俯仰的改动。

[1] 中国气象局，新一代天气雷达选址规定[S].2005年5月.

[2] 中国气象局，新一代天气雷达布局规划[S].2007年7月.

[3] 中国气象局，新一代天气雷达观测规定[S].2005年5月.

[4] 中国气象报.中国气象局将开展新一代天气雷达质量专项治理工作 于新文强调既要严谨求实也要改革创新[N].2016年8月12日.

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Detection analysis and performance of new generation weatherradar over the mountains

ZHAO Zhendong, ZHANG Yan, ZHAO Hongrun

(Tai'an Meteorological Bureau of Shandong Province, Tai'an 271000, China)

Combined with the experience of 713 weather radar, the optimal detection elevation and minimum detection height of new generation CINRAD/CD weather radar in Mount Tai were calculated and analyzed. The radar echo differences of different altitude at the same elevation were drawn out by comparing and analyzing the DBZM and C-VIL of Mount Tai new generation weather radar (Mount Tai CD radar) and Ji'nan new generation weather radar (Ji'nan SA radar). It is pointed out that the detection ability of precipitation echo is not enough because Mount Tai CD radar uses the observation mode of elevation above 0.5 degrees like radar in plain. And some suggestions were put forward to improve the efficiency of Mount Tai CD radar.

radar; detection; optimal elevation angle; DBZM; C-VIL

2017-02-07

赵振东(1958—)，男，工程师，主要从事天气雷达技术保障工作，E-mail:ts0538@126.com。

1003-6598(2017)03-0069-06

P412.25

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