吳迪，楚志剛

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

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

星載測雨雷達(dá)是未來大氣探測和雷達(dá)氣象的發(fā)展方向之一，也是大氣科學(xué)本科生教學(xué)的一個重要知識點。大氣探測和雷達(dá)氣象教學(xué)實習(xí)中，地基雷達(dá)的教學(xué)資源比較豐富，中國擁有200 多部地基雷達(dá)[4]，實測數(shù)據(jù)足以滿足各種教學(xué)需求，也研發(fā)了各種地基雷達(dá)相關(guān)的虛擬仿真資源[5-6]。但是，星載測雨雷達(dá)數(shù)量少，目前穩(wěn)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(dá)的可用數(shù)據(jù)非常少，且時間間隔長，限制了實踐教學(xué)效果。為此，本文采用虛擬仿真技術(shù)，針對星載雷達(dá)觀測海上臺風(fēng)降水事件，結(jié)合雷達(dá)氣象原理，設(shè)計了一套三維虛擬仿真實驗平臺，直觀展示不同臺風(fēng)個例、不同雷達(dá)參數(shù)對星載雷達(dá)觀測結(jié)果的影響，結(jié)合考評練，豐富了星載雷達(dá)相關(guān)教學(xué)和仿真資源。

虛擬仿真實驗項目建設(shè)要體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛。學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的。結(jié)合此原則進行三維虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計。

1 三維虛擬仿真實驗平臺的架構(gòu)

1.1 三維虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的仿真是三維虛擬仿真實驗平臺的關(guān)鍵技術(shù)。海上臺風(fēng)的直接觀測數(shù)據(jù)較少，無法直接獲得三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而目前數(shù)值天氣模式已具備了臺風(fēng)大氣環(huán)境場的仿真能力[7]，為此本系統(tǒng)采用了數(shù)值天氣模式仿真加星載雷達(dá)回波仿真2 個技術(shù)，來實現(xiàn)高分辨率海上臺風(fēng)基礎(chǔ)的構(gòu)建。

1.1.1 臺風(fēng)過程的數(shù)值模擬

選擇3 個典型臺風(fēng)個例，即超強臺風(fēng)燦鴻（2015年）、超強臺風(fēng)利奇馬（2019 年）、熱帶風(fēng)暴浪卡（2020年）。臺風(fēng)接近陸地或登陸后，地基雷達(dá)網(wǎng)可以觀測，但海上臺風(fēng)地基雷達(dá)無法探測，此時星載雷達(dá)的觀測優(yōu)勢便展現(xiàn)出來。為此，個例選擇臺風(fēng)在海面上時段，在24 h 臺風(fēng)警戒線附近，3 個個例仿真時間和區(qū)域如表1 所示。

表1 仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息表

仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用天氣數(shù)值模式生成，首先選擇NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析數(shù)據(jù)作為初始背景大氣場，之后用LAPS（Local Analysis and Prediction System）[8]同化風(fēng)云二號、風(fēng)云三號衛(wèi)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(shù)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(fēng)仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以NetCDF 格式保存。

1.1.2 星載雷達(dá)觀測回波的虛擬仿真

在WRF 仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對應(yīng)實踐教學(xué)中的各知識點，進一步仿真不同雷達(dá)工作參數(shù)對臺風(fēng)觀測的影響。星載雷達(dá)主要工作參數(shù)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(guān)，計算量小，故設(shè)計在仿真顯示系統(tǒng)中動態(tài)計算。水平垂直分辨率與波束寬度、脈沖寬度有關(guān)，提前預(yù)設(shè)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(shù)據(jù)中提取。工作波段的仿真是關(guān)鍵技術(shù)，不同波段對應(yīng)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(shè)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(shù)，建立衰減系數(shù)與反射率因子的經(jīng)驗關(guān)系，如圖1 所示。在WRF 仿真數(shù)據(jù)上，沿觀測路徑應(yīng)用不同波段的衰減關(guān)系，生成每一波段的星載雷達(dá)觀測回波的仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 散射模型計算的衰減系數(shù)與雷達(dá)反射率因子的關(guān)系

1.2 三維虛擬仿真實驗平臺的結(jié)構(gòu)與功能

基于海上臺風(fēng)的雷達(dá)仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，采用WebGL（Web Graphics Library）技術(shù)開發(fā)了星載雷達(dá)觀測臺風(fēng)降水結(jié)構(gòu)的三維虛擬仿真實驗平臺。WebGL是一種三維繪圖協(xié)議，允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)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(xué)生登錄、教師管理、實驗?zāi)康慕榻B、操作說明、基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、實驗考核及成績發(fā)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(shè)置、二維剖面繪制、二維顯示設(shè)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(fēng)仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析降水結(jié)構(gòu)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(xué)生了解不同波段的衰減對星載雷達(dá)觀測臺風(fēng)的影響；分辨率選擇可任意切換水平垂直分辨率，讓學(xué)生了解分辨率對星載雷達(dá)回波精細(xì)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(shè)置不同的顏色和透明度，使學(xué)生可以同時觀察到降水內(nèi)外的結(jié)構(gòu)，如圖4 所示；三維顯示設(shè)置可設(shè)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(jīng)向、沿緯向3 個剖面；二維顯示設(shè)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(diào)。

圖2 三維虛擬仿真實驗平臺的結(jié)構(gòu)與功能

圖3 三維虛擬仿真系統(tǒng)主界面

圖4 星載雷達(dá)觀測臺風(fēng)降水的三維顯示

2 三維虛擬仿真實驗平臺建設(shè)的內(nèi)容

該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可用于雷達(dá)氣象教學(xué)實習(xí)實踐，涵蓋的知識點包括星載雷達(dá)掃描方式、星載雷達(dá)的觀測特點、降水對電磁波的衰減、雷達(dá)分辨率等，通過臺風(fēng)仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的三維顯示、雷達(dá)參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)，加深學(xué)生對知識點的理解，提高學(xué)生的應(yīng)用能力。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包括3 個操作模塊供學(xué)生學(xué)習(xí)。

2.1 系統(tǒng)介紹

通過主界面，學(xué)生可以快速查看實驗簡介、實驗?zāi)康摹⒉僮髡f明。通過此模塊讓學(xué)生學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：①了解星載測雨雷達(dá)的（自上而下）觀測方式和觀測參數(shù)；②了解星載測雨雷達(dá)對臺風(fēng)降水的觀測優(yōu)勢（完整三維結(jié)構(gòu)、可觀測海上臺風(fēng)）；③掌握衰減對星載測雨雷達(dá)觀測的影響；④對比星載雷達(dá)與地基雷達(dá)的觀測特點；⑤了解該實驗教學(xué)系統(tǒng)的操作方法。

2.2 基礎(chǔ)知識

基礎(chǔ)知識部分是虛擬仿真實驗系統(tǒng)的核心內(nèi)容，包括3 個部分。

2.2.1 星載測雨的觀測方式與重要參數(shù)

通過臺風(fēng)降水回波的三維顯示，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、縮放和動畫等操作分析后，讓學(xué)生了解星載雷達(dá)自上而下觀測的特點和優(yōu)勢，對比地基雷達(dá)觀測特點，可直觀理解星載雷達(dá)觀測無盲區(qū)，觀測臺風(fēng)降水的三維結(jié)構(gòu)更完整；衰減路徑短，可以適當(dāng)采用短波長觀測。通過調(diào)整衛(wèi)星高度和掃描角范圍，調(diào)節(jié)觀測幅寬，結(jié)合臺風(fēng)降水空間尺度，了解幅寬對臺風(fēng)降水觀測的影響，同時可以分析高度對雷達(dá)靈敏度、分辨率的影響。

2.2.2 不同分辨率對觀測結(jié)果的影響

結(jié)合《雷達(dá)氣象學(xué)》第五章內(nèi)容[10]，讓學(xué)生更好掌握不同分辨率對觀測結(jié)果的影響。通過調(diào)節(jié)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(fēng)雨帶的細(xì)節(jié)更豐富，小尺度對流降水更明顯；低分辨率時細(xì)節(jié)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(tǒng)高低水平分辨率的對比

2.2.3 衰減對觀測結(jié)果的影響

工作波段或工作頻率是雷達(dá)的最重要參數(shù)，受星載雷達(dá)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(jié)合《雷達(dá)氣象學(xué)》第二章內(nèi)容[10]，通過三維虛擬仿真系統(tǒng)，調(diào)整不同波長，對比分析圖像的差異，學(xué)習(xí)和討論衰減對星載雷達(dá)觀測臺風(fēng)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(fēng)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(qū)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(guān)。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(yán)重。該功能使學(xué)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(dá)的重要性。

圖6 三維虛擬仿真系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)了學(xué)練考評功能。為了及時并全面地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，該系統(tǒng)設(shè)置了考核題目，包含基礎(chǔ)理論知識和操作相關(guān)知識。學(xué)生在考核完成后會自動生成電子實驗報告，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)和考核全過程，便于學(xué)生查缺補漏，深化對基礎(chǔ)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(shù)，模擬不同雷達(dá)參數(shù)和觀測角度情況下臺風(fēng)三維降水結(jié)構(gòu)。學(xué)生可調(diào)節(jié)星載測雨雷達(dá)的波長頻率、衛(wèi)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(shù)，生成相應(yīng)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(dǎo)出、轉(zhuǎn)換、縮放、多圖層疊加等教學(xué)演示功能。不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生擁有逼真、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，提升知識的實踐水平，培養(yǎng)學(xué)生主動分析和解決問題的能力，更有助于學(xué)生理解星載測雨雷達(dá)的觀測特點和能力、內(nèi)外雨帶的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征，掌握各雷達(dá)參數(shù)對觀測的影響，靈活地應(yīng)用雷達(dá)氣象方程，為雷達(dá)氣象學(xué)的實驗教學(xué)提供有效補充。

4 結(jié)語

星載測雨雷達(dá)觀測臺風(fēng)降水結(jié)構(gòu)的三維虛擬仿真實驗平臺建設(shè)，以海上臺風(fēng)為對象，通過虛擬仿真星載測雨雷達(dá)觀測，使學(xué)生能清晰地了解臺風(fēng)的云降水結(jié)構(gòu)及星載測雨雷達(dá)的觀測特點與優(yōu)勢。充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗教學(xué)獨特的、不可替代的作用，切實提高了教學(xué)能力，拓展了實踐領(lǐng)域，豐富了教學(xué)內(nèi)容。但限于三維格點數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)頁三維顯示技術(shù)性能瓶頸的限制，仿真結(jié)果流暢度不夠，在線加載數(shù)據(jù)較慢，期待計算機顯示和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和突破。