C波段雙偏振天氣雷達降雨和部分地形遮擋衰減訂正研究

夏豐，劉顯通，鄭騰飛，馮璐，萬齊林，歐冠華，張曉飛

(1. 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510641；2. 新豐縣氣象局，廣東韶關511100；3. 安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽合肥230088)

1 引 言

雙偏振天氣雷達不僅可提供探測目標的水平反射率因子(ZH)和徑向速度(V)，還可獲得差分相位(ΦDP)、差分相移率(KDP)、零滯后相關系數(ρhv)和差分反射率因子(ZDR)等觀測信息[1-4]。根據各個探測量分布特征，能夠更加準確地識別降雨類型[5-10]，開展相應的雷達定量降雨估測(Quantity Precipitation Estimation，QPE)[11-14]。 基 于 上 述 優(yōu)勢，雙偏振天氣雷達逐漸成為當前氣象探測領域的主流雷達。雙偏振天氣雷達按波長可分為S 波段、C 波段和X 波段等類型，雷達波長越短信號越容易衰減，從而導致遠距離探測到的降雨回波強度變?。涣硗馕覈匦螐碗s，也給雷達波束帶來信號遮擋衰減問題，嚴重制約雷達探測性能發(fā)揮。雷達反射率因子降雨衰減訂正方法源于Hitschfeld 等[15]提出的降雨廓線理論，后來應用于星載降雨雷達回波強度訂正，例如美國NASA 的TRMM 降雨衛(wèi)星，基于海洋背景反射率強度和降雨區(qū)域反射率強度之差，用降雨廓線訂正法提高了衛(wèi)星對熱帶海洋地區(qū)降雨強度的探測精度[16]，使得TRMM 衛(wèi)星降水產品廣泛應用于天氣和氣候方面的研究[17]。美國NASA 新一代全球降雨觀測計劃GPM (Global Precipitation Measurement)衛(wèi)星搭載的主動探測雙頻測雨雷達DPR (Dualfrequency Precipitation Radar)亦采用了類似算法，其降雨反演產品為華南地區(qū)云-降水垂直結構特征研究提供新的手段和視角[18]。由于雙偏振天氣雷達中的ΦDP具有不受降雨衰減和波束部分地形遮擋影響的優(yōu)點[19-20]，研究人員將降雨廓線算法進一步擴展應用于雙偏振天氣雷達回波強度訂正，比如基于ΦDP數據的簡單衰減訂正法、ZH-KDP綜合法[21]、ZPHI 訂正方法[16,22]、基于ΦDP數據的自適應衰減訂正方法[23-24]，還有基于ΦDP數據的“hotspot”訂正方法[25]，獲得了較好訂正效果，得到了全球多個地區(qū)不同降雨類型的平均衰減系數。

當前雷達波束地形遮擋區(qū)域識別問題已基本獲得解決[26-31]，但雷達回波強度部分地形遮擋衰減訂正仍是一個難題。當雷達天線做低仰角掃描時，波束極易受地形遮擋影響，從而導致實際觀測到的雷達回波強度減弱很多[28,32-33]。相關科研人員嘗試過多種訂正方法，包括反射率因子水平插值法[34]、反射率因子垂直廓線法[35]、地形阻擋率法[32,36-37]，但上述訂正方法均存在一定的局限性，水平或者垂直插值方法僅適用于小范圍數據缺失，而地形阻擋率方案須依靠高精度的地理高程數據，而且不同的地形阻擋率方案訂正結果不同。此外雷達波束的傳播路徑隨大氣溫度、密度變化而變化，加上雷達天線角機械誤差和雷達波束在遠場具有繞射特性，最后獲得的訂正結果存在較大不確定性[38]。

本文以廣東省韶關市新豐縣的C 波段雙偏振天氣雷達為例(以下簡稱新豐雷達)，選取了2018年 6 月 8 日臺風“艾云尼”、8 月 30 日華南季風降水和9 月16 日臺風“山竹”期間的三次典型強降雨過程，采用基于ΦDP數據的擴展自適應降雨廓線法對ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減進行了訂正研究，要注意的是文中的部分地形遮擋衰減包括該區(qū)域地形和降雨衰減共同作用。本文將上述自適應降雨廓線法的應用范圍從降雨衰減擴展到部分地形遮擋衰減，是對該方法的創(chuàng)新發(fā)展。然后將新豐雷達訂正結果與廣州S 波段雙偏振天氣雷達(以下簡稱廣州雷達)數據進行了直接對比檢驗，與中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地的4 臺二維視頻雨滴譜儀實測雨滴譜數據反演的雷達仿真探測量及國內外ZH-KDP經驗統(tǒng)計關系[18,23]進行了間接對比檢驗，取得了較好效果。最后選擇一次具體降雨過程來展示訂正效果，訂正結果清晰展現(xiàn)了臺風螺旋雨帶中多個對流單體雷達回波強度從地面到高空的垂直結構特征。計算結果表明，部分地形遮擋帶來的回波強度衰減高達5~35 dBZ。總的來說，對雙偏振雷達回波強度雨區(qū)衰減和部分地形遮擋衰減進行訂正，對提高復雜地形區(qū)域雷達對極端天氣的探測能力以及提升雷達降水估測水平具有重要意義。

2 新豐雷達和廣州雷達概況

2.1 雷達安裝位置

新豐雷達于2018 年5 月安裝在廣東省韶關市新豐縣大頂山，具體空間方位見圖1，文中涉及的地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)3266號的中國地圖制作，底圖無修改，雷達站西北方向1 km 處為云髻山(主峰海拔1 434.2 m)，東南方向20~50 km 處為魯古河自然保護區(qū)，西南方向50 km 處為南昆山國家森林公園，雷達站海拔高度為885 m，雷達最大有效探測半徑為150 km，掃描覆蓋范圍如圖1藍色圓圈所示，從內到外的藍圈分別代表50 km、100 km 和150 km 掃描半徑。廣州雷達位于廣州市番禺區(qū)，雷達站海拔高度為179 m，廣州雷達由原來的S 波段多普勒雷達升級改造而來，2016年5月開始正式運行，是我國第一部進行雙偏振體制改造的CINRAD/SA雷達[39]。圖1中藍色圓點是新豐雷達站位置，黃色圓點是廣州雷達站位置，廣州雷達在新豐雷達214 °方位角處(順時針方向，正北方向為0 °)。

藍色圓點表示新豐雷達站，黃色圓點表示廣州雷達站，紅色方點表示二維激光雨滴譜儀站點，背景地圖來自Google Earth。

2.2 雷達基本性能

新豐雷達生產廠家為安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安裝時間為2018 年5 月。該雷達探測量有ZH、ZDR、ΦDP、KDP、ρhv、V、W(譜寬)，其主要性能指標如表1所示。

廣州雷達和新豐雷達均為雙發(fā)雙收模式的雙偏振天氣雷達，探測量相同，不同的是廣州雷達發(fā)射頻率為2.885 GHz，天線直徑為8.5 m，最遠探測距離為250 km，距離庫長為250 m，陳超等[39]對廣州雷達主要參數做了具體介紹。

2.3 雷達掃描方式與遮擋情況

新豐雷達采用組合掃描模式，掃描周期為5分鐘，掃描方式包括5 層仰角體掃和3 個方位角高掃，體掃仰角為 0.5 °、1.5 °、3.5 °、6.0 °和 9.8 °，高掃方位角為 136 °、168 °和 214 °(圖 1 紅色箭頭為高掃方向)。圖2是新豐雷達0.5 °仰角波束地形遮擋情況，灰色代表地理高度，彩色區(qū)域為0.5 °仰角雷達波束受地形影響區(qū)域，按照地形對波束的遮擋嚴重情況分為5 檔，并用不同顏色表示，遮擋率方案采用了其他科研人員的研究方法[33,36]。地理高程數據來自于美國宇航局TERRA 衛(wèi)星的ASTER GDEM 數據產品，該數據水平分辨率30 m，垂直分辨率20 m。

圖2 新豐雷達0.5 °仰角地形遮擋分布圖

廣州雷達掃描方式為9層體掃模式，體掃周期6 分鐘，體掃仰角分別為 0.5 °、1.5 °、2.4 °、3.4 °、4.3 °、6.0 °、9.9 °、14.6 °和19.5 °，由于廣州雷達位于珠江三角洲平原中部，雷達回波強度數據受地形遮擋影響小，數據質量較好。

3 數據與方法

3.1 雷達數據選擇

新豐雷達安裝后，觀測到三次比較典型的強降雨過程，分別為2018 年6 月8 日臺風“艾云尼”(圖 3a)、8 月 30 日華南季風降水(圖 3b)和 9 月 16 日臺風“山竹”(圖 3c)，圖 3 為廣東省氣象局 S 波段雙偏振/多普勒天氣雷達3 km 高度的雷達回波強度拼圖。2018 年 6 月 7 日 20:30(北京時間，下同)，臺風“艾云尼”在廣東陽江沿海登陸，登陸時中心附近最大風力8 級(20 m/s)，中心最低氣壓為990 hPa，“艾云尼”雖然風力不大，但是影響中國期間與大陸東移冷空氣團相遇，給華南、江南帶來的降雨非常強。2018 年 8 月 30 日 05:00—31 日 05:00，受西南-偏南季風低壓、副熱帶高壓帶和華南沿海特殊地形共同作用的影響，華南沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次極端強降水過程[40-41]，廣東、福建沿海多地24 h 降雨量達到250~500 mm，其中廣東惠東高潭鎮(zhèn)錄得破歷史極值降雨量達1 056.7 mm(30 日05:00—31 日05:00)，刷新廣東省內陸日雨量歷史紀錄。2018 年 9 月 15 日 05:00 臺風“山竹”在西北太平洋洋面轉為超強臺風，9 月 16 日 17:00，臺風“山竹”在廣東臺山登陸，臺風“山竹”云系龐大，直徑范圍達1 000 km，登陸時中心附近最大風力15 級，中心最低氣壓940 hPa，其中惠州沱濘列島測得24 h降 水 1 178.8 mm(16 日 00:00—17 日 00:00)，是2018年登陸中國的最強臺風。這三次降雨過程覆蓋了廣東省大部分地區(qū)，雷達回波強度高達40~55 dBZ，降雨持續(xù)時間也較長，很適合開展天氣雷達降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正研究。

圖3 2018年華南三次典型強降雨過程雷達回波強度(單位：dBZ)空間分布

3.2 雷達數據質控

新豐雷達位于粵北山區(qū)，低仰角數據受地形、避雷針、電視信號發(fā)射塔影響嚴重，此外雷達基數據還存在晴空回波、地物雜波、ZDR系統(tǒng)偏差、ΦDP高頻抖動等問題，因而在進行降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正前必須對基數據進行預處理[39]，預處理的主要內容包括ZH雜波濾除、ZDR系統(tǒng)偏差訂正、ΦDP信號平滑等。本文采用“微雨滴法”對ZDR進行系統(tǒng)偏差時空訂正[39，42]，圖 4 為三次降雨過程中ZDR系統(tǒng)偏差隨方位角變化，圖中紅點是每個方位角對應的ZDR系統(tǒng)偏差均值，在45 °、135 °、225 °和 315 °方位角處為 4 根避雷針，在 70 °方位角處為電視信號發(fā)射塔，在290~340 °方位角處為云髻山主峰，從圖4可看到電視信號金屬發(fā)射塔會造成ZDR系統(tǒng)偏差偏大，但外覆纖維增強塑料材質的避雷針會造成ZDR系統(tǒng)偏差偏小，這與之前的研究結果略有不同[42]，可能和玻璃纖維增強塑料的非導電性有關，金屬材料尖狀物會帶來正的ZDR系統(tǒng)偏差，而外覆絕緣材料的尖狀物則會帶來負的ZDR系統(tǒng)偏差。

圖4 新豐雷達差分反射率因子(ZDR，單位：dB)平均系統(tǒng)偏差隨方位角變化

在晴空回波、地物雜波濾除方面，采用ZDR、KDP、ρhv、ZH閾值組合方式進行濾波，針對降水回波和非降水回波的偏振量分布不同，刪除符合下列條件之一的數據：①ZH<25 dBZ &ρhv<0.95 &ZDR>2 dB；②ZDR<-2 dB &KDP>2 °/km。其中條件①主要用于濾除晴空回波，條件②主要用于濾除地物雜波，經過上述步驟，能夠較好地去除新豐雷達的兩類非降水回波。

在此基礎上，對每個徑向ΦDP數據進行濾波平滑，參考前人對ΦDP數據的多種濾波效果研究[43]，本文采用小波閾值去噪方法對ΦDP數據進行濾波處理，對受地形遮擋影響區(qū)域的ΦDP數據先進行恢復訂正，再進行小波濾波處理，盡可能確保ΦDP隨距離單調遞增。原始ΦDP數據存在高頻抖動，碰到地形等障礙物還會產生整段偏移，嚴重影響ΦDP使用和KDP計算，上述訂正和濾波處理基本能夠消除ΦDP數據大幅度跳躍問題。

3.3 擴展的ZH自適應降雨廓線衰減訂正方法

對ΦDP數據進行訂正并濾波后，按下列步驟進行降雨和部分地形遮擋衰減訂正，其中步驟1~3參考了ZPHI 訂正方案[16,22]和基于ΦDP的自適應衰減訂正方案[23-24]，步驟4~6為本文改進部分。

第1 步：融化層識別，將融化層下方受降雨和部分地形遮擋影響的回波強度(單位：dBZ)數據，換算為雷達反射率因子(ZH，單位：mm6/m3)數據，并根據Hitschfeld 等[15]提出的降雨廓線理論，反射率因子衰減率AH(r)可記為：

式中，r為波束傳播路徑(單位：m)，AH(r)為距離r處的衰減率(單位：dB/m)，ZH(r)為距離r處的未衰減的反射率因子(單位：mm6/m3)，a是與溫度和雨滴譜標準化截距參數相關的變量，b是與雷達發(fā)射頻率相關的變量，對于C波段，b≈0.8。

第2步：根據雷達散射傳輸矩陣可得：

并定義衰減率：

式中，Z'H(r)為距離r處的衰減后的反射率因子(單位：mm6/m3)，kim為離散電介質等效波數虛部(單位：m-1)，A(s)為非均勻路徑衰減率(單位：dB/m)。

經過積分變換最后可得到：

式中，α為雷達反射率因子衰減系數，α與溫度和雨滴譜特性有關，r為波束傳播路徑，r0為波束傳播起始位置，rm為波束傳播終點位置，r0

第 3 步：對于降雨衰減，α值在 0.01~0.40 等間距選擇40 組數據，對于部分地形遮擋衰減，α值在0.05~1.25 等間距選擇40 組數據，代入上述式(8)，可獲得一系列積分構建的距離廓線[式(9)]，并用矩陣記錄下來：

式中：ΦDP(α)誤差為距離廓線i從1 到n時，積分重構與觀測之間的累計誤差(單位：°)。

從最佳衰減系數α值隨仰角變化的統(tǒng)計平均值(圖5a)中可看到，部分地形遮擋衰減系數α隨雷達天線仰角增大從0.85 降低到0.10 附近，而降雨衰減系數α保持在0.10~0.11，受仰角影響較小。圖 5b 為 2018 年 6 月 8 日 10:49、雷達波束方位角為214 °且仰角為0.5 °時積分重構與觀測距離廓線誤差隨α值變化，此時獲得的最佳α值為0.6。

將α=0.6 代入式(10)，獲得結果如圖 6a 所示，藍色曲線為最優(yōu)α值對應的積分重構的距離廓線，紅色曲線為濾波平滑后的觀測距離廓線，此時積分重新構建的距離廓線(圖 6a 藍色曲線)和濾波平滑后的觀測距離廓線(圖6a 紅色曲線)能夠基本重合。

第6 步：通過式(11)計算地形遮擋衰減訂正后的真實ZH強度。

圖6b 中的黑色曲線是觀測得到的ZH距離廓線，藍色曲線是訂正后的ZH距離廓線，ΦDP隨距離不斷增大，導致觀測的ZH和訂正后的ZH之間的差值也不斷增大，說明部分地形遮擋對雷達信號衰減影響極大，在距離新豐雷達120 km 處，觀測的ZH和訂正后的ZH差值高達35 dBZ，從而使得雷達探測到的對流單體呈紡錘型，此時近地面對流系統(tǒng)回波強度遠小于真實值。

圖6 積分重構的ΦDP距離廓線(a)及一條徑向的ZH地形遮擋衰減訂正前后對比(b)

4 ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正結果與檢驗

為了檢驗ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正效果，本文將新豐雷達降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正結果與廣州雷達同時空觀測數據進行了直接對比，與中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地的4 臺二維視頻雨滴譜儀實測數據反演的雷達仿真觀測量以及前人總結的ZH-KDP經驗擬合公式進行了間接對比檢驗，最后采用具體個例將新豐雷達回波強度訂正結果與廣州雷達觀測結果進行直觀比較。

4.1 新豐雷達ZH降雨衰減訂正結果

對于降雨衰減訂正，兩部雷達ZH數據對比方法如下：選擇兩部雷達連線中點位置、高度3.2~3.4 km、水平范圍500 m×500 m、觀測時間差在3分鐘以內、波束完全不受地形遮擋影響的ZH數據進行對比，包括ZH散點分布對比和ZH時間序列對比，此時兩部雷達中點位置剛好在新豐雷達214 °方位角高掃剖面上。

三次降雨過程，從兩部雷達同時空ZH觀測數據散點分布圖(圖7a)及廣州雷達與訂正后的新豐雷達同時空ZH數據散點分布圖(圖7b)對比可發(fā)現(xiàn)，訂正前的新豐雷達ZH數據總體略小于廣州雷達，訂正后新豐雷達ZH數據與廣州雷達更一致，但兩部雷達ZH數據并不完全相等，主要原因在于兩部雷達對同一空間的降雨云團觀測存在時間差(≤3 分鐘)，兩部雷達觀測到的降雨云團不完全相同，在華南地區(qū)，降雨云團在3 分鐘時間內的漂移距離可達3 km；其次，雷達回波強度數據存在起伏波動，影響觀測精度。

圖7 新豐雷達ZH降雨衰減訂正前(a)、后(b)與廣州雷達的散點對比

從新豐雷達ZH降雨衰減訂正結果與廣州雷達觀測結果對比(圖8)可看到，三次降雨過程中，訂正后的新豐雷達ZH數據(藍色曲線)與廣州雷達(黑色曲線)基本一致，尤其是在降雨強度比較穩(wěn)定的時段，兩部雷達觀測數據基本重合。

圖8 降雨衰減訂正后的新豐雷達ZH與廣州雷達對比

以廣州雷達為基準，統(tǒng)計獲得的新豐雷達ZH降雨衰減訂正公式為：

此外，本文還對新豐雷達ZH進行了降雨簡單衰減訂正研究，統(tǒng)計三次降雨過程，獲得的新豐雷達ZH簡單衰減訂正公式如下：

式(13)中，衰減系數α=0.11、統(tǒng)偏差系數-1.02 由三次降雨過程中兩部雷達同時空的ZH數據對比統(tǒng)計獲得。

要注意的是，本文的降雨和波束地形遮擋衰減訂正均采用式(12)計算。

4.2 新豐雷達ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正結果與廣州雷達對比

新豐雷達ZH降雨衰減訂正結果與廣州雷達對比：進一步的，選擇兩部雷達連線方向上，高度低于融化層且不受地形遮擋影響的三次降雨ZH數據，根據式(12)對新豐雷達ZH進行降雨衰減訂正，圖9a 為新豐雷達ZH衰減訂正前兩部雷達ZH聯(lián)合概率密度分布，廣州雷達ZH值比新豐雷達總體上略微偏大，當新豐雷達ZH在35~45 dBZ 時，廣州雷達ZH已達到40~50 dBZ，新豐雷達ZH降雨衰減最多可達5 dBZ，而在對新豐雷達進行ZH降雨衰減訂正之后的ZH聯(lián)合概率密度分布圖(圖9b)中可發(fā)現(xiàn)，此時兩部雷達ZH數據沿對角線均勻分布，驗證了新豐雷達ZH降雨衰減訂正效果較好。

新豐雷達ZH部分地形遮擋衰減訂正結果與廣州雷達對比：將兩部雷達連線上，所有受地形遮擋影響的新豐雷達ZH樣本數據，根據式(12)進行衰減訂正，圖9c 為地形遮擋衰減訂正前的ZH聯(lián)合概率密度分布，地形遮擋使得部分新豐雷達的ZH數據遠低于廣州雷達，甚至高達10~40 dBZ，而在地形遮擋衰減訂正后的ZH聯(lián)合概率密度分布圖(圖9d)中可發(fā)現(xiàn)，這部分嚴重失真的回波數據經過地形遮擋衰減訂正后基本沿對角線分布，顯示出良好的訂正效果。

這里要注意的是，在兩部雷達直線方向上，兩部雷達觀測數據的采樣空間大小并不相同，這和雷達波瓣寬度有關，距離雷達越遠，單個距離庫的采樣空間越大，這會給兩部雷達數據對比帶來觀測誤差。此外，圖9d 聯(lián)合概率密度分布圖中的廣州雷達有少部分ZH數據比新豐雷達略小，是因為兩部雷達直線方向上且0.5 °仰角時的廣州雷達有一小部分數據受廣東南昆山遮擋影響，從而導致訂正后的新豐雷達ZH比廣州雷達的略大一點。

圖9 廣州雷達ZH與降雨衰減訂正前(a)、后(b)的新豐雷達ZH聯(lián)合概率密度分布對比，以及廣州雷達ZH與部分地形遮擋衰減訂正前(c)、后(d)的新豐雷達ZH聯(lián)合概率密度分布對比

4.3 新豐雷達ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正前后ZH-KDP散點分布

此外，本文還將新豐雷達ZH訂正前后的ZHKDP散點分布關系同中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地實測雨滴譜數據散射仿真結果和前人總結的ZH-KDP經驗擬合公式進行了間接對比檢驗。文中使用的4臺二維視頻雨滴譜儀，分別位于廣東的韶關新豐、惠州龍門、清遠佛岡和廣州帽峰山，圖1 紅色方塊標識是4 臺雨滴譜儀的具體位置，與新豐雷達的直線距離分別為3.5 km、34.6 km、70.5 km 和115.4 km，雨滴譜模型采用Gamma分布模型：

式中，D為雨滴直徑(單位：mm)，N(D)為單位體積內單位尺寸間隔(D~D+ΔD)內的雨滴數(單位：m-3·mm-1)，N0為 Gamma 分 布 截 距 參 數(單 位 ：m-3·mm-1)，反映數密度大小，Λ和μ為 Gamma 分布參數。雨滴譜數據選自3 次降雨過程中降雨穩(wěn)定時段，并采用Rayleigh-Gans散射模擬[44]，將雨滴譜數據轉為相應波長(C 波段雷達波長5.5 cm)的ZH和KDP值，然后與新豐雷達觀測的ZH和KDP散點圖進行比較，新豐雷達數據來自與雨滴譜數據同時間段的高掃和體掃過程。圖10a 是新豐雷達未進行ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正時的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布圖，圖10b 是新豐雷達ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正后的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布圖，圖10a、圖10b 中紅色實線分別為觀測ZH-KDP擬合曲線和衰減訂正后的ZH-KDP擬合曲線，黑色虛線是Bringi 等[23]和Gou 等[45]統(tǒng)計獲得的C波段雙偏振雷達ZH-KDP經驗統(tǒng)計關系，灰色散點為基于雨滴譜儀數據仿真的ZH-KDP散點分布。圖10a 中雨滴譜儀數據仿真的ZH-KDP散點分布和ZH-KDP經驗統(tǒng)計關系一致，兩種算法關系能夠互相驗證，此時觀測曲線和前兩種算法存在差距，主要是由于ZH衰減造成。從圖10b 中可看到，衰減訂正后的ZH-KDP數據分布、雨滴譜儀數據仿真的ZH-KDP散點分布與國內外學者獲得的ZH-KDP曲線分布[18,23]三者能夠基本重合，間接驗證了新豐雷達ZH衰減訂正的可靠性。

圖10 新豐雷達ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正前(a)、后(b)的ZH-KDP聯(lián)合概率密度分布

4.4 兩部雷達高掃和體掃直觀對比

為了直觀展示新豐雷達ZH降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正前后的變化，本文選取兩部雷達一次高掃和一次體掃過程進行對比。理想情況下，應選擇兩部雷達同時空ZH數據進行比較，但因為兩部雷達位置和掃描模式不同，很難做到樣本數據時空完全相同。

圖11a 為 2018 年 6 月 8 日 10:48 兩部雷達連線方向上的廣州雷達垂直剖面圖，廣州雷達剖面圖由體掃數據通過垂直方向上截取、反距離插值和濾波平滑處理得到，廣州雷達從左到右存在6個明顯的臺風螺旋雨帶對流單體，高度均在6 km 以下。圖11b 為6 月8 日10:49 新豐雷達觀測得到的高掃圖，圖中能觀察到第1、3、4、5 號對流單體，另外2個對流單體雷達回波強度較弱，且這些對流單體近地面回波強度明顯偏小。圖11c 為新豐雷達降雨和部分地形遮擋衰減訂正后的高掃圖，從左到右也存在6個對流單體，這些對流單體從地面一直延伸到融化層，離地面越近對流單體雷達回波強度越強。一般認為雷達回波強度大于15 dBZ才會出現(xiàn)明顯降雨，如果使用未經過訂正的原始觀測圖，就會誤以為第2、3、4、5、6號對流單體下方不存在強的降雨，事實上，第1 號和第2 號對流單體間存在海拔高度500~1 200 m的南昆山，只有部分雷達信號可穿過此山脈，在進行部分地形遮擋衰減訂正后，圖11c 中可清晰觀察到這6 個對流單體從地面到高空的垂直結構特征，訂正后的6個對流單體與廣州雷達觀測結果具有較好的一致性。

圖11 2018年6月28日10:48廣州雷達ZH剖面分布(a)、2018年6月8日10:49新豐雷達ZH觀測RHI(b)、2018年6月8日10:49新豐雷達ZH降雨和部分地形遮擋衰減訂正后的RHI(c)

在兩部雷達體掃對比選擇方面，時間上要求高掃時刻盡量相同，空間上要求覆蓋兩部雷達共同觀測區(qū)域。圖 12a 是 2018 年 6 月 8 日 10:48 廣州雷達0.5 °仰角體掃結果，為便于和新豐雷達作對比，廣州雷達掃描半徑選擇150 km，此時新豐雷達在廣州雷達右上角位置。圖12b 是6 月8 日10:51新豐雷達0.5 °仰角體掃原始觀測結果，左上角大片空白為波束受到山脈完全遮擋導致。圖12c 是新豐雷達回波強度降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正后的結果，新豐雷達采用0.5 °仰角體掃時，波束受部分地形遮擋影響比較嚴重，尤其是在橢圓形標識區(qū)域，訂正后的回波強度比原來觀測到的回波強度有5~35 dBZ 的提高，橢圓形區(qū)域訂正后的雷達回波強度和廣州雷達觀測結果(圖12a)更加一致。這里需要注意的是，由于大雨滴存在米散射效應，不同波長雷達觀測到的ZH數值并不完全相等，對于S 波段來說，雨滴主要以瑞利散射為主，而對于C 波段，雨滴對入射電磁波既存在瑞利散射，還存在米散射效應，當球形粒子的尺度數大于0.13 時，還需要考慮米散射效應，所以兩部雷達回波強度實際上只能進行強度一致性對比，而無法進行嚴格意義上的數值相等比較。

圖12 廣州雷達和新豐雷達0.5 °仰角回波強度平面位置顯示(PPI)

5 總 結

針對降雨和復雜地形遮擋給雷達回波帶來的衰減問題，本文以廣東省韶關市新豐縣的C 波段雙偏振天氣雷達為例，選取了2018年6月8日臺風“艾云尼”、8 月 30 日華南季風降水和 9 月 16 日臺風“山竹”三次降雨過程，對受降雨和地形遮擋影響的ZH，進行了基于ΦDP數據的擴展自適應降雨廓線算法衰減訂正研究，獲得以下主要結論。

(1) C 波段雙偏振天氣雷達數據在使用時，必須對雷達回波強度進行衰減訂正，對ZDR進行系統(tǒng)偏差訂正。根據擴展的自適應降雨廓線理論，當雷達回波強度在15~55 dBZ 時，廣東地區(qū)C 波段雙偏振天氣雷達降雨衰減系數α在0.05~0.17 之間，三次強降雨過程獲得的平均降雨衰減系數為0.11，部分地形遮擋衰減α范圍為0.20~1.25，并隨降雨強度、大氣層結物理特性變化而變動，需要對上述兩類衰減進行準確訂正，才能獲得近地面的真實雷達回波強度，本文的研究結果可為以后同類型雷達在華南地區(qū)開展外場觀測提供參考依據。

(2) 選取雷達掃描范圍內的4臺二維視頻雨滴譜儀在降雨穩(wěn)定時段的雨滴譜數據，對其進行Rayleigh-Gans雷達散射仿真模擬，并將獲得的ZHKDP關系用于對新豐C 波段雙偏振天氣雷達回波強度衰減訂正效果檢驗，是有效的檢驗方法。

(3) 文中訂正結果清晰展示了臺風螺旋雨帶中的對流單體雷達回波強度從地面到高空的垂直結構，受地形遮擋影響區(qū)域的回波強度提高了5~35 dBZ，與廣州S 波段雙偏振雷達觀測結果對比，對流單體大小和強度一致性較好，訂正技術具有實用性，缺點是該算法在計算上花費時間稍長，對ΦDP數據質量要求較高。

對雙偏振雷達ZH數據進行降雨衰減和部分地形遮擋衰減訂正，對提高復雜地形區(qū)域雷達對極端天氣的探測能力，尤其是在暴雨、冰雹、龍卷風、颮線以及臺風等災害性天氣的監(jiān)測和預警具有重要意義，可提升雷達降雨估測的準確度。