四川雷达波束遮挡区反射因子垂直廓线填补方法的应用研究.pdf
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1、以四川成都、宜宾雷达为例,利用近两年观测数据建立不同降水类型、不同回波强度的反射率因子垂直廓线库,基于反射率因子垂直廓线的高度-回波强度变化特性,以高仰角回波强度填补波束遮挡区回波强度,通过对比波束遮挡区实际观测值与填补值之间的差异,检验填补效果。结果表明:(1)不同类型降水空间分布特征差异明显,对 VPR 进行分层分类处理,能够为后续不同类型降水填补提供较好的支撑;(2)在针对不同降水类型填补时,填补值与观测值保持了较好的一致性,离散程度较小,相关系数介于 0.90.95,均方根误差介于 4.138.4 dBZ。(3)雷达波束遮挡所在仰角与上层无雷达波束遮挡仰角越接近,填补效果越好。关键词:
2、天气雷达;复杂地形;雷达波束遮挡;VPR 填补中图分类号:P412.25文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2184.2023.02.007 引言引言暴雨洪涝作为四川发生频率最高、危害性最重的气象灾害,常引发山洪、泥石流、滑坡等次生灾害,造成较大的人员伤亡和经济损失14。近年来,新一代天气雷达已在四川地区强对流天气的监测和预警中发挥了重要作用56。但四川地形地貌复杂,天气雷达观测受山脉等地表突出物遮挡严重,导致雷达低层仰角观测值偏低甚至缺测,严重影响雷达估测降水的准确性7。早在 20 世纪 80 年代,人们就已经认识到雷达测量降水产生误差的重要原因之一是由于降水强度在
3、垂直方向分布具有不均匀性,而天气雷达采样体积是随距离增大而增加,从而开始了雷达反射率因子垂直廓线(Vertical Profile of Reflectivity,VPR)的研究810。国内外学者利用 VPR 进行了降水特征空间结构分析、降水估测改进、零度层亮带识别和订正等研究1117,在利用 VPR 对雷达波束遮挡区回波强度填补研究方面取得了初步成果。黄旋旋等18利用全局和区域最优拟合的 VPR 分析了近地面最优反射率,并获取最优动态 Z-R 关系,从而改进复杂地形下台风降水估测效果。杨凡等19对已知的雷达波束遮挡区生成 VPR与多个无遮挡区 VPR 进行相关性匹配,利用无遮挡区 VPR 与
4、雨量计匹配得到最佳反射率因子值,用其填补遮挡区雨量计对应遮挡位置的回波强度。勾亚彬等2021提出基于雷达回波概率特征识别雷达部分遮挡区域的识别算法,并利用其避开部分遮挡区域回波,优化雷达组网拼图算法,提高组网数据质量。胡启元等22根据地形数据识别遮挡区域,对降水系统内部垂直变化较小的遮挡区,采用交叉方位角插值、更高一层仰角数据填补和线性加权滑动平均法进行填补,研发了最优无缝非常规电磁波遮挡回波补偿方法。综上可知,就如何利用 VPR 填补雷达波束遮挡区回波强度,已提出了多种可行的解决方案,但改善效果仍需改进。本文将使用高分辨率地形数据来自动识别雷达波束遮挡信息,根据不同降水类型和降水强度统计成都
5、、宜宾两站雷达无波束遮挡区观测数据建立 VPR 库,并利用其空间特征及临近仰角无波束遮挡区的观测值,分析出遮挡区回波强度并进行对应填补,旨在为进一步提高雷达估测降水准确率提供科技支撑。11资料资料成都市位于四川盆地西部,青藏高原东缘,地势差异显著,受周边地理环境影响,成都雷达西北、东南方向低层仰角雷达波束遮挡严重;宜宾市位于四川盆地南部,整体地形呈“西南高、东北低”的分布特征,收稿日期:2022 03 26资助项目:高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目(SCQXKJQN2020043,SCQXKJQN201712,SCQXKJYJXMS202116);高原大气与环境四川省重点
6、实验室开放课题(PAEKL-2020-C7)作者简介:杨泷,硕士研究生,主要从事雷达气象学研究。E-mail: 第 43 卷 第 2 期高原山地气象研究Vol.43 No.22023 年 6 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchJun.2023宜宾雷达波束遮挡区主要集中在低仰角的东南、西南方向。因此,本文以成都、宜宾雷达作为研究对象,选取 2018 年、2019 年 6 月成都和 2017 年、2018 年 6月宜宾的雷达观测资料建立 VPR 库,并将 2020 年 6月 26 日成都和 2018 年 6 月 2930 日宜宾的雷达观测资料用做分
7、析评估。22雷达波束完全遮挡区回波强度填补方法雷达波束完全遮挡区回波强度填补方法2.1雷达波束遮挡等级划分利用分辨率为 90 m 的地形高程数据(SRTM3)计算雷达波束遮挡率23。根据遮挡率的大小,将雷达波束遮挡分为完全遮挡区(遮挡率50%)、非遮挡区(遮挡率10%)和部分遮挡区(10%遮挡率50%)。完全遮挡区邻近的非遮挡区作为反射率因子廓线的生成区,完全遮挡区作为回波强度填补对象区。成都雷达受龙门山脉、龙泉山影响,低层仰角遮挡主要集中在西北、东南区域,其中完全遮挡区最大遮挡角度为123;宜宾雷达受大娄山北翼、西南边缘的横断山脉东段影响,低层仰角遮挡主要集中在东南、西南区域,完全遮挡区最大
8、遮挡角度为 102。回波探测概率(POD)23是全部参与统计的雷达观测数中,每个样本点大于某阈值的回波出现次数占全部观测次数的比例。统计一段时间内雷达连续观测数据,可得到雷达回波在不同位置的二维分布概率,即回波探测概率分布。本文对 2019 年 6 月成都、2018年 6 月宜宾的观测数据中回波强度超过 20 dBZ 出现次数进行统计,并给出了回波探测概率分布(图 1)。对比可知,波束遮挡高值区与回波探测概率的低值区分布相似,即前者高值区与后者低值区相对应。2.2降水类型识别对流云和层状云的降水结构、回波强度分布形态、生消变化和移动速度都有较大差异2425。本文在 VPR建立时,将层状云降水和
9、对流云降水进行分类统计,并将混合性降水中特征明显的对流回波归入对流云降水统计,其余纳入层状云降水统计。使用组合反射率水平梯度、35 dBZ 的回波顶高水平梯度、垂直累积液态水含量密度作为识别参数,利用模糊逻辑法26对层状云和对流云进行识别分类。2.3VPR 库建立本文假设观测的同一降水类型具有相同的垂直结构特征,使用连续两年的相同月份雷达波束非遮挡区数据,根据不同降水类型和强度,使用平均法生成VPR。平均法具有计算简单,实用性强,订正雷达估测降水效果好27的特点。在选取 VPR 生成距离时,起始距离越靠近雷达,越有利于获取近地面降水信息,但由于地物遮挡影响,也不宜过近;VPR 生成距离不宜过大
10、,因随着距离增大,雷达波束展宽平滑作用越大27。因此,本文选择距离雷达 2080 km 的区间,以得到相对光滑且有足够垂直分辨率的 VPR。在 VPR 遮挡率(%)01030455560(a)(b)(c)(d)00.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50POD 图 1 0.5仰角波束遮挡分布(a.成都,b.宜宾)与回波探测概率分布(c.2019 年 6 月成都,d.2018 年 6 月宜宾)第 2 期杨泷,等:四川雷达波束遮挡区反射因子垂直廓线填补方法的应用研究53的生成中,垂直分辨率对 VPR 的特征体现有着至关重要的作用,即垂直分辨率高,对应 VPR
11、细节特征表现越明显;但随着垂直分辨率的提高,计算量会大大增加,并且对订正降水影响较小24。因此,本文选取垂直分辨率为 250 m,以保证在每个高度层内有足够的反射率因子值数据。同一降水类型的 VPR 在空间分布上也有差异,降水估测多集中在 3 km 高度以下,故计算 3 km 以下高度的平均回波强度,以 5 dBZ 为间隔标准对 VPR 进行区分。分别以 2018、2019 年 6 月成都和 2017、2018 年 6月宜宾雷达观测数据为样本,先进行降水类型的区分,再将 3 km 以下高度平均回波强度按 5 dBZ 间隔标准区分形成 VPR 库(图 2)。对流云降水的 VPR(黑色)特征是回波
12、强度随高度降低而逐渐增大,无明显的极大值;层状云降水的 VPR(灰色)特征是在 5 km 高度附近有一个明显的极大值,近地面回波强度差异较小。2.4雷达波束完全遮挡区回波强度填补本节将介绍单层仰角(0.5)、两层仰角(0.5、1.5)雷达波束完全遮挡的填补方法。2.4.1单层仰角雷达波束完全遮挡区填补流程(1)根据实时观测数据的遮挡识别和降水类型识别情况,使用无遮挡区观测值生成不同降水类型的实时 VPR;(2)计算不同降水类型的实时 VPR 在 3 km 高度以下的平均回波强度;(3)根据平均回波强度,查找 VPR 库中对应降水类型的 VPRn曲线;(3)根据雷达波束完全遮挡位置的降水类型,使
13、用对应的 VPRn高度-回波强度变化趋势,并结合上层仰角(1.5)对应位置观测值,插值得到雷达波束完全遮挡区的回波强度。2.4.2双层仰角雷达波束完全遮挡区填补流程(1)(3)与 2.4.1.节中单层仰角雷达波束完全遮挡区填补方法相同;(4)根据雷达波束完全遮挡位置的降水类型,使用对应的 VPRn高度-回波强度变化趋势,并结合上层仰角(2.4)对应位置观测值,分别插值得到 0.5仰角、1.5仰角雷达波束完全遮挡区的回波强度。2.4.3雷达波束完全遮挡区填补方法由于单层仰角雷达波束完全遮挡区填补与双层仰角填补方法相似,仅使用的上层仰角(单层为 1.5,两层为 2.4)数据有差异,故统一以层状云降
14、水为例,介绍填补方法。(1)获取上层仰角(单层为 1.5,两层为 2.4)对应无雷达波束完全遮挡位置的观测值 Zr,对应高度 Hr1,计算 VPRn中对应高度的回波强度 Zv1;(2)根据 VPRn的高度-回波强度变化趋势,依次向下线性插值(Hr2,Zv2)(Hrm-1,Zvm-1),最终得到与雷达波束完全遮挡位置处于同一高度层的 VPRn高度和回波强度(Hrm,Zvm);(3)插值计算得到雷达波束完全遮挡位置在 VPRn上对应高度 Ht和回波强度 Zt;(4)Zr结合(Hrm,Zvm)、(Ht,Zt)的高度回波强度变化趋势,推算出雷达波束完全遮挡位置回波强度 Z,即 Z=Zr+(Zt-Zvm
15、)。33填补效果验证填补效果验证通过在雷达波束非遮挡区模拟雷达波束遮挡对VPR 填补效果进行模拟检验,即将雷达波束无遮挡区模拟为遮挡区,该区域的实际观测值作为“真值”与填补值进行对比,利用均方根误差(RMSE)、相关性(CC)检验填补效果。相关系数表示数据之间的相互 01234567891001020304050高度(km)回波强度(dBZ)con25con30con35con40str5str10str15str20str25(a)01234567891001020304050高度(km)回波强度(dBZ)con25con30con35con40str5str10str15str20str2
16、5(b)图 2 不同降水类型的 VPR 库(a.成都,b.宜宾)54高原山地气象研究第 43 卷关系及相关方向,数值越接近 1 对应线性相关程度越高;均方根误差表示数据的离散程度,数值越小对应分布越集中。其计算公式如下:RMSE=Ni=0(RiGi)2/N0.5(1)CC=Ni=0(RiRi)(GiGi)(RiRi)0.5(GiGi)0.5(2)RiGi(n)式中:Ri为模拟雷达波束遮挡区填补结果,为模拟雷达波束遮挡区填补结果平均值,Gi为模拟雷达波束遮挡区观测值,为模拟雷达波束遮挡区观测值平均值。2020 年 6 月 26 日,由于受南支槽前偏南暖湿气流与西南低涡的共同影响,成都地区出现一次
17、降水过程。使用 6 月 26 日 02:3017:00 观测数据(163 个观测数据),结合成都雷达波束遮挡,在 4045方位角分别设立虚拟单层遮挡区(0.5仰角)、两层遮挡区(0.5、1.5仰角),对比填补结果与实际观测值。图 3 给出了 2020 年 6 月 26 日 14:19 成都(方位角 4045)单层波束遮挡、两层波束遮挡回波填补与观测值对比。如图所示,成都填补区域降水过程以层状云降水为主的混合性降水,其回波形状、强度与观测值保持了较好的一致性。需要特别指出的是,成都两层遮挡的填补结果存在远距离无填补回波的情况,这是由于两层遮挡填补方法需要依靠第三层仰角(2.4)回波强度,而雷达探
18、测高度随仰角、距雷达距离的增加而增加,在第三仰角出现探测高度超过降水回波高度时,将导致低层仰角对应位置无法被填补。2018 年 6 月 2930 日,由于受西南低涡活动影响,宜宾出现强降水过程。利用 6 月 29 日 18:3030 日09:30 观测数据(178 个观测数据),结合宜宾雷达波束遮挡情况,在 010方位角分别设立虚拟单层遮挡区(0.5仰角)、两层遮挡区(0.5、1.5仰角),将填补结果与实际观测值进行对比。为避免使用建立 VPR 库的个例数据(距离区间 2080 km)验证填补效果,填补距离区间选取为 90150 km。图 4 给出了 2018 年 6月 29 日 23:52
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