劉 楊,楊 玲,徐梓欣,李學(xué)華

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都 610225;2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610225)

0 引言

在現(xiàn)代氣象觀測中,天氣雷達(dá)網(wǎng)如新一代多普勒天氣雷達(dá)CINRAD 能實(shí)時獲取降水天氣的雷達(dá)反射率、徑向速度等數(shù)據(jù)。這些信息在災(zāi)害性天氣的分析與預(yù)警中是不可或缺的部分[1-4]。許多災(zāi)害性天氣如冰雹、下?lián)舯┝?、大風(fēng)等都屬于中小尺度強(qiáng)對流天氣,而美國的WSR-88D 和中國的CINRAD 遠(yuǎn)距離探測中由于體掃模式的原因?qū)χ行〕叨葟?qiáng)對流天氣的探測有一定局限性[5]。2006年美國CASA 項(xiàng)目提出了一種多雷達(dá)協(xié)同自適應(yīng)觀測模式,利用多部低成本的小功率短程X波段天氣雷達(dá)組網(wǎng)在俄克拉荷馬州開展了觀測實(shí)驗(yàn),目的是獲取重點(diǎn)區(qū)域的精細(xì)化掃描數(shù)據(jù),從而彌補(bǔ)大雷達(dá)的探測盲區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明,此模式能提升天氣雷達(dá)對于中小尺度強(qiáng)對流天氣的識別能力[6-9]。2013年美國在德克薩斯州建立了8 部X波段天氣雷達(dá)組成的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),獲取了探測范圍內(nèi)的高時空分辨率數(shù)據(jù),并利用組網(wǎng)探測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)場反演與降水估計(jì)[10-12]。2013年,中國科學(xué)院大氣物理研究所與南京恩瑞特公司合作,在南京周邊利用4 部X波段天氣雷達(dá)建立了中國第一個X波段天氣雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),建立了一個自動判斷重點(diǎn)區(qū)域并對其重點(diǎn)觀測的掃描模式[13]。2016年,成都信息工程大學(xué)在兼顧對成都平原強(qiáng)對流天氣的探測能力和獲取高時空分辨率數(shù)據(jù)的需求下,利用雙流、龍泉和資陽的3 部X波段天氣雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)觀測,優(yōu)化其協(xié)同掃描模式,制定了一種快速體掃(5 個仰角)+智能RHI 掃描的組網(wǎng)掃描策略,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)對流識別算法和基于無監(jiān)督聚類算法的強(qiáng)回波識別方法[14-16],以獲取高時空分辨率、低時差、少盲區(qū)的觀測資料。為進(jìn)一步驗(yàn)證組網(wǎng)算法的有效性,對位于北京順義、懷柔、密云、通州、昌平、門頭溝和房山的7 部雙偏振雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)觀測實(shí)驗(yàn),由于北京對流風(fēng)暴發(fā)展高度普遍較高,對應(yīng)快速體掃仰角數(shù)量增加至9 個。

針對協(xié)同掃描策略中快速體掃、智能RHI 掃描和可以進(jìn)行對時差較低的多部雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)場反演的特點(diǎn),本文以S 波段雷達(dá)資料做參考,通過短時強(qiáng)降水和冰雹個例分析,討論了協(xié)同掃描策略在天氣過程觀測中的具體作用。

1 雷達(dá)組網(wǎng)與相關(guān)算法介紹

1.1 雷達(dá)布局

成都雷達(dá)組網(wǎng)如圖1(a)所示,3 部雷達(dá)分別位于成都雙流(103°59.31′E,30°34.97′N),成都龍泉(104°18.10′E,30° 36.47′N),資陽雁江(104° 36.01′E,30°7.99′N)。3 部雷達(dá)的相對距離均在X 波段雷達(dá)有效探測范圍內(nèi),滿足共同掃描區(qū)域內(nèi)探測數(shù)據(jù)的可靠性,3 部雷達(dá)共同掃描區(qū)域占總覆蓋區(qū)域的32%。

圖1 組網(wǎng)雷達(dá)布局圖及覆蓋區(qū)域

北京雷達(dá)組網(wǎng)圖如圖1(b)所示,7 部雷達(dá)分別位于順義(116°36.88′E,40°7.60′N),懷柔(116°38.99′E,40°43.54′N),密云(116°47.65′E,40°21.37′N),通州(116°45.08′E,39°51.19′N),昌 平(116°20.39′E,40°10.40′N),門頭溝(115°44.67′E,39°55.66′N),房山(116°11.00′E,39°40.61′N),其覆蓋區(qū)域如圖1(c)所示,綠色代表單部雷達(dá)掃描區(qū)域,紅色代表2 部以上雷達(dá)共同觀測區(qū)域,總覆蓋面積約為45194.65 km2,其中共同掃描區(qū)域約為29943 km2,共同掃描區(qū)域覆蓋范圍大于整個北京市,面積約占總覆蓋面積的66%。

1.2 掃描策略

組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同掃描策略包括快速體掃模式和智能RHI 掃描模式。參與組網(wǎng)的雷達(dá)平常執(zhí)行VCP21 探測模式,當(dāng)探測到強(qiáng)對流回波時,啟動協(xié)同掃描策略,即強(qiáng)回波范圍內(nèi)的雷達(dá)同時切換到快速體掃模式,具體掃描參數(shù)見表1,該模式用以快速獲得氣象目標(biāo)物的基本特征,對于中小尺度天氣系統(tǒng),由于其主要探測區(qū)域?yàn)榭焖僮兓闹械蛯踊夭?針對觀測區(qū)域的差異性,快速體掃的仰角數(shù)在不同地區(qū)有一定調(diào)整。針對成都區(qū)域,由于地處四川盆地西部邊緣,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,短時降雨多,極少出現(xiàn)冰雪天氣,雷達(dá)探測到的大部分回波頂高都較低,回波變化迅速,同時降雨和較低高度的雷達(dá)回波強(qiáng)度有高相關(guān)性[14],因此采用5 個仰角,整個協(xié)同掃描周期可縮短至2 分鐘。

表1 組網(wǎng)雷達(dá)快速體掃模式參數(shù)

相對而言,北京位于華北平原北部,屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,較多產(chǎn)生極端天氣。由于天氣情況的不同,其對流發(fā)展高度較高,此時為獲得更高層的回波信息,快速體掃需采用9 個仰角,其中最高仰角為19.5°,對應(yīng)最高掃描高度為21.2 km,此時協(xié)同掃描周期為3 分鐘。

智能RHI 掃描模式則是基于每一次的快速體掃結(jié)果,對強(qiáng)回波進(jìn)行自動識別和雷達(dá)掃描優(yōu)先級計(jì)算,選擇最合適的雷達(dá)自動對強(qiáng)回波中心執(zhí)行RHI 掃描?？焖袤w掃的時間會影響RHI 掃描的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。體掃時間越短,就能更快地根據(jù)體掃結(jié)果對強(qiáng)回波進(jìn)行自動識別和雷達(dá)掃描優(yōu)先級計(jì)算,從而更快地啟動RHI 掃描。這樣可以減少每個雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的時差,提高RHI 對強(qiáng)回波中心的定位精度,更好地反映強(qiáng)回波的垂直結(jié)構(gòu)特征[15-17]。

1.3 風(fēng)場反演算法

在組網(wǎng)雷達(dá)中,基于多部雷達(dá)的共同探測區(qū)域,可以反演更準(zhǔn)確的三維風(fēng)場。本文針對多部雷達(dá)的風(fēng)場反演算法,采用Potivin 等[18]和North 等[19]改進(jìn)的基于三維變分法,具體思路如下。

步驟1 將參與風(fēng)場反演的每部雷達(dá)探測到的徑向風(fēng)速利用反距離權(quán)重法從球坐標(biāo)系變換到直角坐標(biāo)系:

式中:Vr為直角坐標(biāo)系下的一待插值點(diǎn)的徑向風(fēng)速,αi和vri分別為該待插值點(diǎn)鄰域內(nèi)每個點(diǎn)的權(quán)重與徑向風(fēng)速值,n為鄰域內(nèi)點(diǎn)數(shù)量,di為鄰域內(nèi)每個點(diǎn)距離該待插值點(diǎn)的距離,p為距離衰減參數(shù),通常設(shè)為2。通過該步驟可以獲得以每部雷達(dá)經(jīng)緯度為中心的徑向速度格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

步驟2 利用各雷達(dá)經(jīng)緯度坐標(biāo)對不同雷達(dá)的徑向速度格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置配準(zhǔn),從而獲取同一地理位置在不同雷達(dá)徑向速度格點(diǎn)數(shù)據(jù)中的索引,便于后續(xù)的計(jì)算。

步驟3 構(gòu)造代價函數(shù)。

設(shè)直角坐標(biāo)系下某點(diǎn)的位置為(x,y,z),將該點(diǎn)的三維風(fēng)矢量分解為東西、南北、垂直風(fēng)分量,分別為u、v和w。代價函數(shù)J可由4 項(xiàng)約束因子構(gòu)成:

J(u,v,w)=JO+JM+JP+JS

其中第一項(xiàng)觀測約束JO定義:

第二項(xiàng)質(zhì)量連續(xù)性約束JM定義:

式中:ρ為空氣密度,ρ0為地面空氣密度,值為1 kg·m-3,大氣定標(biāo)高度H0為10 km。

第三項(xiàng)大氣邊界條件JP定義:

通過約束將最底層垂直風(fēng)速w置零。

第四項(xiàng)平滑約束JS定義:

式中,?2為拉普拉斯算子。

以上公式中對應(yīng)的參數(shù)λO,λM,λP,λSu,λSv,λSw分別是各項(xiàng)約束因子的權(quán)重,其設(shè)置依據(jù)參考North等[19]提出的最優(yōu)解和Li Y 等[20]在外場的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別設(shè)置為λO=1,λM=1500,λP=1,λSu=0.01,λSv=0.01,λSw=0.01。

步驟4 三維風(fēng)分量u,v,w的初始值設(shè)置為0,通過迭代梯度下降算法使代價函數(shù)最小化,得到最優(yōu)解u,v,w:

迭代公式中的學(xué)習(xí)率η均設(shè)置為0.0001。

2 實(shí)際觀測結(jié)果分析

針對成都和北京地區(qū)組網(wǎng)雷達(dá)觀測到的強(qiáng)對流天氣過程的差異性,選取成都的一次短時強(qiáng)降雨個例和北京的一次冰雹個例來驗(yàn)證組網(wǎng)雷達(dá)的探測效果。分析方法參考了文獻(xiàn)[21],其中成都的短時強(qiáng)降雨個例是針對對流單體的生成過程來展示快速體掃模式的探測效果,由于該對流單體分布范圍較小,未獲取完整的反演風(fēng)場資料,故只對其反射率資料進(jìn)行分析;北京的冰雹個例則針對冰雹云在不同高度層存在較為明顯的動力特征去驗(yàn)證反演風(fēng)和智能RHI 探測的效果。

2.1 強(qiáng)對流單體快速演變個例

在成都組網(wǎng)雷達(dá)觀測中,2020年8月28日發(fā)生了一次強(qiáng)對流天氣過程。圖2 分別展示了對應(yīng)時刻的S 波段雷達(dá)和X 波段組網(wǎng)雷達(dá)在探測同一天氣過程中的回波演變情況,其對應(yīng)的掃描間隔分別為6 分鐘和2 分鐘。圖2(a)、(b)分別是S 波段雷達(dá)的16:50 和16:56時刻的組合反射率,可以看出兩個時刻的中心位置均存在多單體強(qiáng)回波,在北部有一對流單體從無到生成(黑圈處),由于該處回波生長速度快,間隔6分鐘的S 波段雷達(dá)掃描會丟失發(fā)展過程中的部分信息,這對天氣過程的分析或降雨預(yù)報(bào)都會造成不利的因素。圖2(c)～(f)為通過X 波段組網(wǎng)雷達(dá)的快速體掃模式觀測到的同一時段的回波,相對于S 波段雷達(dá)探測的結(jié)果,X 波段組網(wǎng)雷達(dá)測的回波在強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)上較為一致,且能觀測到位于較北部的單體從小到大,伴隨著面積與強(qiáng)度逐漸增長,最終形成強(qiáng)對流單體的整個發(fā)展過程,更高頻次的數(shù)據(jù)獲取能夠?yàn)橹行〕叨忍鞖獾难芯刻峁└鄮椭?/p>

圖2 2020年8月28日成都一次強(qiáng)對流天氣過程中S 波段與X 波段組網(wǎng)雷達(dá)分別觀測到的組合反射率圖

2.2 冰雹個例

在北京組網(wǎng)觀測中,2021年6月30日發(fā)生了一次典型超級單體冰雹降水天氣過程。此次過程強(qiáng)回波發(fā)展較高,需要穩(wěn)定的動力結(jié)構(gòu)維持。本文利用此個例分別對雷達(dá)組網(wǎng)的流場探測能力和垂直探測能力進(jìn)行了分析,具體如下。

2.2.1 反演風(fēng)驗(yàn)證

圖3(a)、(b)分別為2021年6月30日19:24 X波段組網(wǎng)雷達(dá)的組合反射率拼圖及其與4 km高度反演風(fēng)場的疊加圖。圖3(c)、(d)分別為S 波段雷達(dá)和門頭溝站單部X 波段雷達(dá)同一時刻探測的組合反射率,門頭溝站的雷達(dá)組合反射率由于電磁波衰減出現(xiàn)明顯V 型缺口。從圖3(b)可以看出,弱回波區(qū)域內(nèi)的風(fēng)向差異較小,大致為西風(fēng)偏北。在強(qiáng)對流中心風(fēng)向變化較大,呈現(xiàn)出氣流向強(qiáng)中心匯聚的輻合結(jié)構(gòu)。將強(qiáng)對流區(qū)域即圖3(a)中的黑框范圍放大,并疊加3～8 km高度的反演風(fēng)場,如圖4所示。其中3 km高度(圖4a)的強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)氣流沿逆時針旋轉(zhuǎn)匯聚的氣旋式輻合結(jié)構(gòu),在4～5 km高度(圖4b～c)氣流輻合范圍增大,6～7 km高度(圖4d～e)輻合范圍減小,整體風(fēng)向朝著一致性發(fā)展,到了8 km高度(圖4f)風(fēng)向一致性增強(qiáng),但仍能看出氣流從中心散開的輻散結(jié)構(gòu)。從天氣原理上分析,此次不同高度的風(fēng)場特征是中低層高度氣流輻合壓迫氣流向上運(yùn)動,到高層向四周散開形成輻散的過程,該結(jié)構(gòu)標(biāo)志著該過程存在上升氣流,這也是此次天氣過程中支撐冰雹在高空發(fā)展的動力來源。

圖3 2021年6月30日北京一次冰雹降水天氣過程中19:24 的雷達(dá)組合反射率

圖4 圖3(a)中黑框?qū)?yīng)位置疊加不同高度的反演風(fēng)場

圖5 是S 波段雷達(dá)在同一時刻觀測的徑向速度場,仰角為2.42°～14.59°,其中紅色表示出流,綠色表示入流。圖5 中紅框?qū)?yīng)圖3(a)中黑框位置,黑線表示雷達(dá)中心到紅框中心的直線距離為52 km,并在括號內(nèi)標(biāo)注了各仰角下,該直線在紅框區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的大致高度。圖5 主要以紅框作為分析對象,從圖5(b)可以看到內(nèi)部出流與外部入流在徑向上的交接處形成的輻合區(qū)域(圖5b 中黑色箭頭交界處),其大小隨高度逐漸減小,到6.02°(圖5d)輻合區(qū)域減小且出現(xiàn)輻散,9.89°(圖5e)中輻合消失,與反演風(fēng)中表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)吻合。此外,隨著S 波段雷達(dá)仰角的抬高,仰角之間對應(yīng)到紅框強(qiáng)回波位置的高度差也逐漸增大,如仰角6.02°～9.89°中,紅框內(nèi)大致高度為5.48～9.15 km,其間約有3.67 km高度的探測盲區(qū)。從圖4 中風(fēng)場隨高度變化能發(fā)現(xiàn),6～8 km內(nèi)風(fēng)向的一致性增強(qiáng),輻合逐漸消失而轉(zhuǎn)為輻散,但是通過單部S 波段雷達(dá)探測會丟失這部分信息。

圖5 2021年6月30日北京SA 雷達(dá)19:24 徑向速度(括號內(nèi)為各圖對應(yīng)紅框位置的大致高度)

由上所述,X 波段組網(wǎng)雷達(dá)的反演風(fēng)表現(xiàn)出的流場結(jié)構(gòu)不僅滿足天氣原理的合理性,而且與S 波段徑向速度結(jié)構(gòu)的一致性較好。由于徑向速度只能表現(xiàn)出徑向上的速度變化,而反演風(fēng)能夠直觀表現(xiàn)出氣旋式旋轉(zhuǎn)、輻合等細(xì)節(jié)信息,并且由于多部雷達(dá)的互補(bǔ)能夠填補(bǔ)仰角間的觀測盲區(qū),從而可以獲得更完整的信息。

2.2.2 智能RHI 掃描結(jié)果

2021年6月30日19:24 在上一次體掃過程中通過強(qiáng)回波識別算法監(jiān)測到強(qiáng)回波中心,再按照風(fēng)暴移向與距離回波位置計(jì)算參與組網(wǎng)的雷達(dá)的優(yōu)先級,并在這一時段調(diào)度最優(yōu)的雷達(dá)(此時為昌平)自動對強(qiáng)回波中心進(jìn)行RHI 掃描(圖6)。圖6(a)反射率圖中白框區(qū)對應(yīng)強(qiáng)回波發(fā)展最高位置,與圖6(b)徑向速度圖中的輻合線位置相同。中低層輻合(圖6b 底部黃色箭頭)與高層輻散(圖6b 高層黃色箭頭)的動力結(jié)構(gòu)相吻合,低層輻合結(jié)構(gòu)為強(qiáng)回波持續(xù)在高空發(fā)展提供了上升氣流支撐,隨著高度的上升輻合逐漸消失轉(zhuǎn)為輻散代表著氣流上升至高空散開的過程。

圖6 昌平站雷達(dá)RHI 掃描結(jié)果(RHI 掃描位置參考圖3a 藍(lán)色粗線)

3 結(jié)論

為檢驗(yàn)X 波段組網(wǎng)雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣監(jiān)測過程中的探測能力,本文利用成都與北京組網(wǎng)雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù),評價其對強(qiáng)對流天氣過程的精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變的探測能力。

(1)對比S 波段常規(guī)業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)與X 波段組網(wǎng)雷達(dá)在同一時間地點(diǎn)的探測結(jié)果,可以看出兩者的回波結(jié)構(gòu)及變化幾乎一致。而X 波段組網(wǎng)雷達(dá)相比于S波段常規(guī)業(yè)務(wù)天氣雷達(dá),能夠彌補(bǔ)S 波段雷達(dá)在中小尺度對流天氣探測中的不足,為研究小尺度天氣的生消機(jī)理提供幫助。

(2)利用X 波段組網(wǎng)雷達(dá)觀測對流天氣過程時,可以通過多部雷達(dá)反演三維風(fēng)場,在本次天氣過程中得到的流場結(jié)構(gòu)與天氣學(xué)原理和S 波段雷達(dá)探測的徑向速度結(jié)構(gòu)相吻合,并且能夠通過組網(wǎng)雷達(dá)還能彌補(bǔ)S 波段雷達(dá)在仰角間的盲區(qū),獲得更豐富的探測數(shù)據(jù)。

(3)組網(wǎng)掃描策略中,對重點(diǎn)區(qū)域自動執(zhí)行的RHI 掃描方式,能夠在不需要人為判斷的情況下準(zhǔn)確的探測到強(qiáng)對流中心的垂直結(jié)構(gòu)。RHI 的掃描結(jié)果相比于體掃數(shù)據(jù)的插值剖面有著更高的空間采樣率,能看到更加完整和準(zhǔn)確的垂直信息。通過組網(wǎng)的方式可以在不丟失體掃數(shù)據(jù)前提下更好地觀察到強(qiáng)回波在垂直結(jié)構(gòu)中的特征。

在今后的工作中,可以進(jìn)一步對反演風(fēng)的流場結(jié)構(gòu)特征、RHI 探測的垂直結(jié)構(gòu)特征中會影響對流發(fā)展的如輻合、輻散等特征進(jìn)行分析,以提升對災(zāi)害天氣的監(jiān)測能力。