曹俊武,胡志群

(1.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088;2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

0 引言

降雨是徑流模擬和洪水預(yù)報(bào)中最重要的信息之一,其時(shí)空變化嚴(yán)重影響洪峰流量和洪峰出現(xiàn)時(shí)間[1]。通常情況下傳統(tǒng)洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)依靠的降雨數(shù)據(jù)是通過分散布設(shè)在關(guān)鍵河道和集水區(qū)的雨量計(jì)站網(wǎng)獲得的,而雨量計(jì)只能在點(diǎn)上精確測量降水,所代表的區(qū)域非常有限,不能反映降雨空間分布,要準(zhǔn)確測量一個(gè)流域上的降水分布必須布設(shè)非常稠密的雨量站網(wǎng),目前在我國還不現(xiàn)實(shí)。雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感手段可得到具有一定精度的、大范圍高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)降水信息,應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行降雨監(jiān)測和面雨量計(jì)算,可以提高洪水預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性,在洪災(zāi)監(jiān)測預(yù)報(bào)中有很好的應(yīng)用前景,因此雷達(dá)在水文水資源學(xué)中的應(yīng)用研究日益受到關(guān)注[2-3]。目前,中國氣象局已經(jīng)在全國范圍內(nèi)完成新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)工作并投入到業(yè)務(wù)運(yùn)行中[4],水利部門也逐步在一些河流流域和城市的關(guān)鍵區(qū)域布置X波段雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)探測,以便更好地為流域雨量的監(jiān)測和城市防洪服務(wù)[2]。

多年來許多氣象和水文學(xué)者在水文水資源研究中應(yīng)用雷達(dá)降雨信息做了大量的研究工作,這些研究為提高水文預(yù)報(bào)精度提供了許多有借鑒意義的建設(shè)性思路,也取得了大量積極性的成果。雷達(dá)資料質(zhì)量評(píng)估是雷達(dá)資料應(yīng)用前最為重要的一環(huán),直接關(guān)系到最終雨量估測結(jié)果的合理性。影響雷達(dá)資料質(zhì)量的因子有很多,其中非氣象回波(如地物雜波、海浪雜波和生物雜波)的干擾和降水粒子對(duì)電磁波的衰減是兩個(gè)最為主要的因子。這些因子會(huì)使雷達(dá)測量值與其真實(shí)值之間產(chǎn)生偏差,并直接影響最終的降水估測產(chǎn)品。

本文在Friedrich等人[5]的研究基礎(chǔ)上,分析了影響測雨雷達(dá)強(qiáng)度資料質(zhì)量的因子,提出了定量評(píng)估雷達(dá)資料的方案,并利用X波段測雨雷達(dá)的實(shí)測資料對(duì)定量評(píng)估方案進(jìn)行了檢驗(yàn)。同時(shí)在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)雷達(dá)資料質(zhì)量的措施,為提高雷達(dá)估測降水的準(zhǔn)確度和災(zāi)害性洪水的監(jiān)測預(yù)警能力提供理論基礎(chǔ),以便更好地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

1 雷達(dá)強(qiáng)度資料的定量評(píng)估方案

1.1 方案介紹

一般認(rèn)為,導(dǎo)致雷達(dá)強(qiáng)度資料不確定性的主要影響因子為:(1)波束展寬因子(雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)Frange);(2)波束阻擋因子(雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)Fshield);(3)電磁波衰減因子(雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)Fatt);(4)垂直廓線不均勻因子(雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)Fvpr)。Friedrich等[5]根據(jù)多個(gè)歐洲氣象服務(wù)部門有關(guān)雷達(dá)資料使用需求的調(diào)查結(jié)果,利用雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)算法對(duì)影響雷達(dá)強(qiáng)度、速度和偏振資料質(zhì)量的各主要因子按0～1的取值范圍進(jìn)行量化處理,得到各影響因子的質(zhì)量指數(shù),并按相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和得到平均質(zhì)量指數(shù),以此來表征雷達(dá)資料質(zhì)量受各因子的影響程度及其整體情況。其中,質(zhì)量指數(shù)越接近0,表明雷達(dá)資料受該因子的影響程度越大,質(zhì)量越差;質(zhì)量指數(shù)越接近于1,表明雷達(dá)資料受各因子影響越小,質(zhì)量越好。

上述4個(gè)因子對(duì)強(qiáng)度資料的綜合影響程度可用平均雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)FZ來定量表示:

式中,CZ=Wrange+Wshield+Watt+Wvpr;Wrange,Wshield,Watt,Wvpr為各影響因子的權(quán)重系數(shù)。當(dāng)雷達(dá)波束被地物完全遮擋(Fshield=0),或雷達(dá)電磁波受降水粒子影響而存在嚴(yán)重衰減(Fatt=0)時(shí),相應(yīng)距離庫的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是不可靠的,其FZ=0,在進(jìn)行估測降水時(shí)這些資料將被剔除。

1.2 波束展寬因子F range

隨著探測距離的增大,雷達(dá)電磁波的波束寬度在水平和垂直方向都會(huì)出現(xiàn)展寬現(xiàn)象,波束高度也隨之增大。當(dāng)波束寬度超過零度層亮帶的厚度時(shí),利用雷達(dá)探測零度層亮帶將變得非常困難。而當(dāng)波束高度超過降水回波的高度時(shí),利用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行降水估測也將出現(xiàn)明顯誤差。雷達(dá)電磁波的超折射效應(yīng)會(huì)隨著探測距離的增大而加強(qiáng),從而導(dǎo)致降水回波的錯(cuò)誤定位和地物雜波污染,反射率因子(ZH)的測量精度隨距離的增大基本呈線性下降趨勢。因此,Frange的定義如下:

式中,rmax為由最大體積分辨率Vmax得到的最大探測距離,通常可由下式得到:

式中,θ,φ,μ分別為雷達(dá)的水平波束寬度(°)、垂直波束寬度(°)和發(fā)射脈寬(μs)。

1.3 波束阻擋因子F shield

當(dāng)?shù)匚锊糠稚踔镣耆钃趵走_(dá)電磁波的傳播時(shí),其后向散射回來的強(qiáng)信號(hào)會(huì)直接污染氣象回波信號(hào)。當(dāng)波束部分阻擋時(shí),雷達(dá)發(fā)射電磁波的峰值功率有所減弱,其后向散射信號(hào)的強(qiáng)度也將隨之減弱;而當(dāng)電磁波主瓣被阻擋時(shí),由脈沖邊緣產(chǎn)生的后向散射信號(hào)會(huì)被誤認(rèn)為是主瓣的回波信號(hào),從而產(chǎn)生高度誤差。Fshield的值在0(完全阻擋)和1(沒有阻擋)之間,對(duì)于雷達(dá)電磁波受到部分阻擋時(shí),其Fshield可以由下式表示:

式中,θ0和θGL分別為波束主瓣軸的仰角和地物相對(duì)雷達(dá)的仰角,Θ為3 dB波束寬度。在完全阻擋時(shí),Fshield=0;而在完全無阻擋時(shí),則Fshield=1。值得注意的是,當(dāng)前距離庫的Fshield需參考同一徑向前一個(gè)距離庫的Fshield。如果該距離庫上的Fshield值大于前一個(gè)距離庫上的Fshield值,在該庫上的Fshield值用前一個(gè)距離庫上的值代替。

1.4 垂直廓線不均勻因子

受水凝物的增長效應(yīng)(凝結(jié)、凝聚、蒸發(fā)等)、相態(tài)變化(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響,ZH的垂直廓線表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化性。為了便于分析,在計(jì)算Fvpr時(shí)作如下假設(shè):當(dāng)雷達(dá)有效照射波束完全低于零度層高度時(shí),ZH主要來自液態(tài)降水粒子,其Fvpr=1;而零度層以上存在雪、冰雹、霰等粒子,考慮到這些粒子在通過零度層下降到地面的過程中,其特性會(huì)發(fā)生很大的變化,因此,如果根據(jù)零度層以上的雷達(dá)回波資料來估測降水就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差,因此在評(píng)估其估測降水的可靠性上,可假定其Fvpr=0。

紋身紋樣的應(yīng)用。很多皮雕手作人會(huì)選擇紋身紋樣在植鞣革上進(jìn)行皮雕創(chuàng)作。題材上多有日式紋身圖案中的般若、象神、鯉魚、釋迦等。用敲邊工具和陰影工具敲出半浮雕感即可，加上一些塑形工具、壓擦器等，豐富畫面的立體效果。

1.5 電磁波衰減因子

降水粒子對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和散射作用使其對(duì)電磁波能量具有衰減效應(yīng),其衰減大小主要取決于電磁波的波長λ,對(duì)于X波段雷達(dá),電磁波的衰減嚴(yán)重影響了強(qiáng)度資料的應(yīng)用。衰減作用會(huì)沿著徑向方向逐漸累積,在強(qiáng)對(duì)流單體或零度層亮帶后常存在明顯衰減,有的甚至是S波段的100倍以上[6]。在雙程衰減下,Fatt可以由下式表示:

式中,Kmax和Kmin分別為衰減量的最大和最小閾值,對(duì)于X波段,其經(jīng)驗(yàn)閥值分別為6 dB和1 d B[19]。從上式可見,信號(hào)衰減越嚴(yán)重,Fatt越接近0,反之則越接近1。

2 X波段測雨雷達(dá)

本文所用的雷達(dá)資料來源于安徽四創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的X波段中頻相參雷達(dá)(以下簡稱SCXD-03雷達(dá)),該雷達(dá)可定量測量60 km范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、平均徑向速度和速度譜寬,對(duì)徑向風(fēng)速測量的范圍大于32 m/s。表1給出了該雷達(dá)部分主要的性能指標(biāo)。

參 數(shù) 指 標(biāo)工作頻率天線口徑脈沖峰值功率脈沖寬度波束寬度脈沖重復(fù)頻率探測范圍地雜波抑制比接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍X波段1.8 m≥50 k W 0.4μs 1.3°(水平、垂直)400～2 000 Hz 60 km(強(qiáng)度、速度、譜寬)≥30 d B≥80 d B

該雷達(dá)自研制成功以來,多次在外場開展試驗(yàn),取得了大量有意義的探測資料,本文所用的觀測資料就是該雷達(dá)于2013年在淮河流域進(jìn)行降水測量試驗(yàn)時(shí)獲取的觀測資料(雷達(dá)站海拔高度162 m)。

3 試驗(yàn)效果檢驗(yàn)

3.1 對(duì)流性降水過程分析

2013年8月22-24日,受臺(tái)風(fēng)“譚美”外圍的影響,架設(shè)在淮河流域上游商城縣的SCXD-03雷達(dá)探測到了一次大范圍的中等降水過程,當(dāng)時(shí)降水時(shí)間持續(xù)在30 h以上,雨量中等。圖1給出了22日18:14(北京時(shí)間,下同)時(shí)刻的PPI(Plan Position Indicator)圖,雷達(dá)最大觀測仰角為4.3°,最大觀測距離為60 km,每個(gè)距離圈的長度為12 km,雷達(dá)位置位于半圓的圓心處。為保證測量的準(zhǔn)確性,雷達(dá)在開始觀測時(shí)已經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度標(biāo)定。

圖1 2013年8月22日18:14,SCXD-03雷達(dá)探測到“譚美”臺(tái)風(fēng)外圍的一次降水過程的回波圖

比較圖1(a)和(b)可以看出:這是一次比較明顯的、有“帶”狀回波的對(duì)流性降水過程,回波帶上有若干個(gè)對(duì)流性單體,強(qiáng)度在45 dBz以上。進(jìn)行地物抑制前后的回波圖輪廓基本相同,可見的地物回波主要集中在雷達(dá)近區(qū)(徑向距離7 km以內(nèi)),而在雷達(dá)遠(yuǎn)區(qū),由于雷達(dá)仰角較高(4.3°),超過了地物的最高高度,因此回波的差異并不明顯。

3.1.1 波束展寬因子的影響

圖2給出了對(duì)應(yīng)圖1時(shí)刻的Frange分布圖。由圖可見,隨著探測距離的增大(即逐漸遠(yuǎn)離雷達(dá)),Frange越來越小,這表明雷達(dá)波束隨距離的增大而逐漸展寬,對(duì)雷達(dá)資料質(zhì)量的影響程度也逐漸增大。需要說明的是,該圖是根據(jù)降水估測所需求的體積分辨率計(jì)算的最大有效距離得到,對(duì)于不同的降水類型(如層狀云降水、對(duì)流云降水以及混合性降水等),得到的Frange分布圖會(huì)根據(jù)所要求的體積分辨率大小可以變化的。

圖2 波束展寬因子F range分布圖(時(shí)間同圖1)

3.1.2 波束阻擋因子的影響

波束阻擋因子Fshield的計(jì)算僅由雷達(dá)架設(shè)位置的地理特性和雷達(dá)本身的性能決定,與氣象目標(biāo)特性無關(guān),因此對(duì)于固定站的雷達(dá)來說,當(dāng)雷達(dá)性能參數(shù)確定后,Fshield僅與雷達(dá)探測時(shí)的仰角θ0有關(guān),理論上僅需要計(jì)算一次。雷達(dá)架設(shè)位置的地理特性可由中國地理信息數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到。通常雷達(dá)在架設(shè)完成后都會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢眯畔⒅谱鳒y站的“等射束波束圖”,同時(shí)在正式進(jìn)行回波探測前都會(huì)進(jìn)行一次低仰角的PPI掃描,以確定雷達(dá)站周邊的地物阻擋情況。圖3分別給出了根據(jù)式(4)計(jì)算得到的、雷達(dá)探測仰角θ0=1°(左)和θ0=4.3°(右)時(shí)的波束展寬因子Fshield分布圖(雷達(dá)波束寬度如表1所示)。由圖3可見,在沒有地物阻擋的地方,雷達(dá)探測仰角的變化對(duì)雷達(dá)資料質(zhì)量的影響不大,而在有地物阻擋的地方,雷達(dá)探測時(shí)的仰角對(duì)雷達(dá)資料質(zhì)量有很明顯的影響。

圖3 波束阻擋因子F shield分布圖

3.1.3 垂直廓線不均勻因子

由1.4節(jié)分析可知,垂直廓線不均勻因子與零度層的位置有關(guān),而零度層的高度與地面的溫度以及大氣特性有關(guān),在沒有探空資料的情況下,可以由地面溫度通過溫度遞減率公式粗略計(jì)算得到。圖1時(shí)刻的地面溫度為25℃,對(duì)應(yīng)的零度層高度約為4 km?？紤]到雷達(dá)觀察仰角為4.3°以及雷達(dá)所在位置的海拔高度160 m,4 km高度對(duì)應(yīng)的雷達(dá)徑向距離約為52 km。圖6給出了圖1對(duì)應(yīng)時(shí)刻的垂直廓線不均勻因子Fvpr的分布圖,徑向距離為52 km的探測范圍內(nèi)所有的資料高度都在零度層以下,其Fvpr=1,而在52 km的范圍之外,雷達(dá)的波束高度已經(jīng)達(dá)到零度層內(nèi),其Fvpr=0。

圖4 垂直廓線不均勻因子F vpr分布圖(時(shí)間同圖1)

3.1.4 電磁波衰減因子的影響

根據(jù)上節(jié)分析,4 km零度層高度對(duì)應(yīng)的徑向距離為52 km,因此對(duì)雷達(dá)探測徑向距離52 km范圍內(nèi)采用式(5)計(jì)算衰減量,圖5給出了圖1對(duì)應(yīng)時(shí)刻的逐庫單程衰減量和雙程累計(jì)衰減總量。由圖5可見,當(dāng)回波強(qiáng)度較小時(shí)(＜10 dBz),對(duì)應(yīng)的衰減量較小(＜0.2 dB),而當(dāng)回波強(qiáng)度大于20 dBz時(shí),其衰減量明顯增加,而且對(duì)整條徑向上的后續(xù)回波都影響明顯。從圖上可以看出,就本個(gè)例而言,強(qiáng)回波后的衰減量達(dá)到了22 dB以上,可見,衰減已經(jīng)嚴(yán)重影響到了X波段雷達(dá)對(duì)強(qiáng)降水的測量。

圖6給出了對(duì)應(yīng)圖1時(shí)刻的Fatt分布圖。從圖上可以比較明顯地看出回波強(qiáng)度對(duì)Fatt的影響,在帶狀強(qiáng)回波的后面,都明顯地存在著強(qiáng)烈的電磁波衰減,Fatt由1快速地下降到0.1附近。

圖5 單程逐庫衰減量與全程累計(jì)衰減總量對(duì)比圖(時(shí)間同圖1)

圖6 電磁波衰減因子F att分布圖(時(shí)間同圖1)

3.1.5 雷達(dá)資料總質(zhì)量指數(shù)FZ

根據(jù)式(1)可知,當(dāng)Fshield=0或者Fatt=0時(shí),FZ=0;在實(shí)際的降水計(jì)算中,當(dāng)雷達(dá)資料被用于地面的定量估測降水時(shí),由于零度層高度以上的降水粒子在下落過程中,其特性會(huì)發(fā)生較大的變化,因此對(duì)于零度層高度以上的降水粒子也設(shè)定其資料質(zhì)量因子為0,即當(dāng)Fvpr=0時(shí),FZ=0。而當(dāng)Frange,Fshield,Fatt和Fvpr都不為0時(shí),雷達(dá)資料總質(zhì)量指數(shù)FZ由Frange,Fshield,Fatt和Fvpr共同決定,圖7給出了圖1時(shí)刻的雷達(dá)資料總質(zhì)量指數(shù)FZ分布圖(取Wrange,Wshield,Watt,Wvpr均為1的等效系數(shù),計(jì)算Fshield時(shí)取雷達(dá)探測仰角θ0=4.3°)。由圖7可知,高質(zhì)量的強(qiáng)度資料(FZ＞0.8)主要分布在距離雷達(dá)較近的12 km范圍內(nèi),以及在回波強(qiáng)度較小的徑向上(圖1),而在雷達(dá)測量范圍的遠(yuǎn)區(qū),由于雷達(dá)波束展寬的影響,FZ的值普遍較小(＜0.6)。

圖7 雷達(dá)資料總質(zhì)量指數(shù)F Z分布圖(時(shí)間同圖1)

3.2 層狀云降水過程分析

2014年8月11-12日,SCXD-03雷達(dá)探測到了一次大范圍的層狀云降水過程,當(dāng)時(shí)降水時(shí)間持續(xù)在20 h以上,雨量小到中等。圖8分別給出了2014年8月11日09:25該雷達(dá)探測到的降水過程的原始回波圖、單程逐庫衰減量、全程累計(jì)衰減總量、電磁波衰減因子Fatt分布圖、垂直廓線不均勻因子Fvpr分布圖,以及雷達(dá)資料總質(zhì)量指數(shù)FZ分布圖(波束展寬因子Frange和波束阻擋因子Fshield分布圖分別同圖2和圖3)。由強(qiáng)度(如圖(8a)所示)可見,除個(gè)別位置外,降水回波強(qiáng)度普遍低于30 d Bz,主要降水強(qiáng)度集中在20～25 dBz之間,該次過程為小到中等降水過程,單程逐庫衰減量(如圖8(b)所示)都不超過0.2 d B,全程累計(jì)衰減總量(如圖8(c)所示)不超過2 dB,因此其對(duì)應(yīng)的Fatt都在1左右(如圖8(d)所示)。同樣,由于雷達(dá)測量到的降水回波整體高度(約4.5 km)都在零度層以下(地面溫度為30℃,對(duì)應(yīng)的零度層高度約為5 km),因此其Fvpr=1(如圖8(e)所示);雷達(dá)回波強(qiáng)度資料整體質(zhì)量較高,絕大部分范圍內(nèi)其FZ都大于0.8(如圖8(f)所示);而在雷達(dá)測量范圍的遠(yuǎn)區(qū),FZ的值較小(＜0.8),這主要是由于雷達(dá)波束展寬的影響。另外在雷達(dá)測站的東南方向約120°方位處出現(xiàn)了一條帶狀的FZ小值區(qū)(如圖8(f)所示),這主要是由于波束阻擋因子Fshield的影響所致(如圖3(b)所示)。

圖8 2014年8月11日09:25 SCXD-03雷達(dá)探測到的一次層狀云降水過程的各參數(shù)分布圖

4 結(jié)束語

本研究以安徽四創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的SCXD-03雷達(dá)2013年在淮河流域的外場試驗(yàn)觀測資料為例,將導(dǎo)致雷達(dá)強(qiáng)度資料質(zhì)量不確定性的主要因子通過簡單的量化處理轉(zhuǎn)化成雷達(dá)資料質(zhì)量指數(shù),并將各雷達(dá)質(zhì)量指數(shù)以指定的權(quán)重系數(shù)加權(quán)求和得到相應(yīng)的平均雷達(dá)質(zhì)量指數(shù),從而直觀地了解雷達(dá)資料質(zhì)量受各因子的影響程度及其整體情況,以此對(duì)雷達(dá)資料質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)估,通過研究發(fā)現(xiàn):

1)雷達(dá)強(qiáng)度資料質(zhì)量的定量評(píng)估算法充分考慮了影響雷達(dá)強(qiáng)度資料質(zhì)量的主要因子,方法合理,得到的評(píng)估結(jié)果直觀,方法適用性強(qiáng)。

2)通過兩個(gè)不同天氣過程的資料分析對(duì)比發(fā)現(xiàn):在幾乎完全相同的工作模式下,僅僅是天氣條件的不同,出現(xiàn)強(qiáng)回波的對(duì)流性降水天氣,其強(qiáng)度回波資料的總質(zhì)量指數(shù)FZ要明顯低于弱降水的FZ,而且FZ的分布同F(xiàn)att的分布趨勢幾乎完全相同,充分顯示出強(qiáng)回波導(dǎo)致的衰減對(duì)雷達(dá)強(qiáng)度回波資料質(zhì)量的顯著影響。而在弱降水的天氣時(shí),回波資料總質(zhì)量指數(shù)FZ都比較高,這時(shí)回波衰減已經(jīng)不是影響其分布的主要因素,主要影響FZ值的是波束展寬因子Frange和波束阻擋因子Fshield。因此,要提高雷達(dá)強(qiáng)度探測資料的質(zhì)量,需要綜合考慮上述因素的影響,區(qū)別分析和對(duì)待。

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