高山上新一代天氣雷達的探測分析與效能發(fā)揮*

趙振東，張 艷，趙洪潤

(山東省泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

高山上新一代天氣雷達的探測分析與效能發(fā)揮*

趙振東，張 艷，趙洪潤

(山東省泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

以泰山新一代天氣雷達CINRAD/CD為例，結(jié)合泰山原713天氣雷達多年的使用經(jīng)驗，計算并分析了天氣雷達的最佳探測仰角和最低探測高度，根據(jù)泰山新一代天氣雷達(簡稱泰山CD雷達)與濟南新一代天氣雷達(簡稱濟南SA雷達)回波的DBZM、C-VIL對比分析，揭示不同海拔高度雷達在相同仰角下觀測的回波的差異，指出泰山CD雷達由于使用了與平原雷達統(tǒng)一的0.5°以上仰角的觀測模式，造成了對降水回波的探測能力不足，并指出泰山CD雷達要發(fā)揮最大效能應(yīng)如何改進的建議。

雷達；探測；最佳仰角；DBZM；C-VIL

1 引言

根據(jù)中國氣象局新一代天氣雷達的選址規(guī)定和布點規(guī)劃[1-2]，我國有很多新一代天氣雷達架設(shè)在高海拔地區(qū)。全國新一代天氣雷達網(wǎng)組建以后，使用了統(tǒng)一的觀測模式[3]，但這批架設(shè)在高山上的雷達所在高度對探測范圍和定量估測降水有著重大影響。提高天氣雷達的質(zhì)量和效益，充分實現(xiàn)組網(wǎng)雷達在防災(zāi)減災(zāi)中的基礎(chǔ)支撐作用[4]，高山上的天氣雷達是一個重要方面。

為充分發(fā)揮新一代天氣雷達的探測能力，很多人進行了試驗研究。楊金紅等[5]利用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)地理信息數(shù)據(jù),研究和設(shè)計新一代天氣雷達的體掃模式,主要是增加中低層仰角數(shù)和負仰角,以提高我國新一代天氣雷達的低層探測能力；張爽等[6]計算并分析正、負仰角下雷達的最低探測高度，發(fā)現(xiàn)仰角越低探測到的降水回波越多；劉雨佳等[7]通過泰山CD與濟南SA雷達的回波對比分析，發(fā)現(xiàn)兩部雷達在重疊且基本同距區(qū)域內(nèi)的回波強度存在很大的差異，泰山CD要比濟南SA雷達的回波強度小，并指出這是由于兩部雷達的不同波段造成的；Rodger等[8]通過分析指出，架設(shè)在山上的WSR-88D天氣雷達使用0.5°仰角的觀測模式，難于探測到近地面的災(zāi)害性天氣，而使用更低的仰角，如-1°能改善近地災(zāi)害性天氣的觀測；張沛源等[9]針對高山上的雷達所在高度與負仰角的關(guān)系，研究了負仰角的觀測及數(shù)據(jù)處理方法，提出了高山上的新一代天氣雷達進行0°或負仰角掃描是必要的。張仰成等[10]在實地試驗的基礎(chǔ)上，對比分析不同仰角觀測模式的主要雷達產(chǎn)品特點，探討了新一代天氣雷達使用負仰角的問題；另外，張滬生等[11]通過遵義CINRAD/CD與數(shù)字化713天氣雷達探測資料的回波對比，發(fā)現(xiàn)CINRAD/CD雷達的回波強度有時偏強，分析是由于兩種雷達的信號處理上的差別造成的；鄒書平等[12]利用貴陽、畢節(jié)兩部CINRAD/CD雷達的同步觀測的回波特征參數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)兩部雷達同步觀測到的回波強度、高度有差異，并指出這是由于兩部雷達的遮擋角、回波距離以及系統(tǒng)參數(shù)不同造成的。以上的分析試驗研究，均沒有汲及到高山新一代天氣雷達的探測全面分析以及效能最大化問題。

泰山原713天氣雷達是1983年底架設(shè)并投入使用的我國第一部高山天氣雷達。這部雷達周圍無任何遮擋，可以用負仰角進行觀測，探測面積比平原架設(shè)的雷達增大近3倍。1995年，這部雷達進行了數(shù)字化改造，通過甚高頻電話傳輸雷達回波圖。為加快泰山雷達的現(xiàn)代化改造，中國氣象局、山東省政府等領(lǐng)導(dǎo)極為重視，在“必須建、盡快建”的指示下，克服重重困難，經(jīng)過3 a的建設(shè)，終于在2007年1月建成CINRAD/CD新一代天氣雷達并投入業(yè)務(wù)使用。

泰山位于山東省中部，地勢挺拔凸起，架設(shè)于日觀峰上的天氣雷達的天線饋源高度海拔1 545.8 m，占有一定的高度優(yōu)勢，但在泰山CD雷達使用以后，與濟南SA雷達相比，發(fā)現(xiàn)回波范圍變小、強度弱、失真嚴重，還不如原713天氣雷達的探測能力。本文分析泰山雷達與平原雷達不同仰角下的探測能力，探討高山天氣雷達效益發(fā)揮最大化的可能性，對于使用高山雷達資料和預(yù)報監(jiān)測、雷達定量測量等工作有一定的實際意義，也期望對新一代天氣雷達組網(wǎng)的改革創(chuàng)新和標準化體系建設(shè)有所啟發(fā)。

2 泰山天氣雷達的最佳探測仰角

天氣雷達的最佳探測仰角是假定雷達波束直線傳播，雷達發(fā)射的波束與等效地球半徑相切，既能探測到地球表面，又能探測到最遠的最低探測高度，計算公式[13]為：

其中α0為最佳探測仰角，h為天線海拔高度，re為等效地球半徑。

計算得知，泰山雷達理論上的最佳探測仰角是-1.07°。

泰山713雷達二十多年的使用證明，當用理論上的最佳探測仰角-1.07°觀測時，距離泰山360 km左右的太行山區(qū)地物回波輪廓清晰，由于旁瓣的原因周圍地物回波也較多；當用-0.5°觀測時，太行山區(qū)地物回波和泰山周圍地物回波徹底消除，經(jīng)計算分析和實際應(yīng)用表明，以-0.5°仰角定為泰山713雷達的最佳探測仰角[14]。

西北是山東省天氣系統(tǒng)的主要來源方向。對于京津冀地區(qū)發(fā)展高度超過10 km的強對流天氣，泰山713雷達可探測到580 km,對于發(fā)展高度7 km以上的降水系統(tǒng)，能從它在京津冀地區(qū)的發(fā)生發(fā)展以至進入山東的演變移動、消亡入海過程完整觀測到。但由于當時受傳輸技術(shù)的限制，這些探測資料沒有有效服務(wù)出去。

實際使用713天氣雷達的工作中，汛期及災(zāi)害性天氣易發(fā)季節(jié)，雷達開機首先進行仰角-1°遠距離探測，如果發(fā)現(xiàn)有降水回波，就慢慢抬高仰角，進行消除地物后觀測，一般是用仰角-0.5°跟蹤觀測，天氣系統(tǒng)基本不漏測。

3 泰山天氣雷達與平原天氣雷達不同仰角下的探測高度

在雷達技術(shù)性能相對穩(wěn)定的前提下，天氣雷達對降水回波的探測能力，關(guān)鍵是由對降水回波的探測高度決定的。假定地球表面為標準大氣，在等效地球半徑下雷達波束以直線傳播，則雷達測高公式[16]為：

其中：H0為雷達天線海拔高度，α為天線仰角，r為雷達天線距離目標物的斜距。

由測高公式，計算出泰山雷達(H0=1 545.8 m)、平原雷達(H0=0 m)不同仰角隨探測斜距的探測高度，見表1、表2。這個探測高度是忽略了超折射和波束寬度(泰山CD雷達的垂直波束寬度是0.93°)后，假定波束直線傳播的軸線中心的高度。

表1 泰山雷達(H0=1 545.8 m)在不同仰角時的探測高度Tab.1 The detection height of Taishan radar(H0=1 545.8 m) at different elevations

表2 平原雷達(H0=0 m)在不同仰角時的探測高度Tab.2 The detection height of plain radar(H0=0m)at different elevations

比較表1、表2可以看出，泰山雷達采用負仰角探測可以有效的降低探測高度，仰角越低探測到的地面邊界層范圍越大，也即降水回波越多、探測距離越遠。由于相對高度的原因，當同時都用同一正仰角(比如0.5°)觀測同一塊降水云體時，泰山雷達要比平原雷達的探測高度高出1.5 km，也就是說，對于距離雷達相同距離的降水云體，假如泰山雷達探測到的是中上部，平原雷達探測到的則是中下部，不是同一個部位，從而造成了泰山與平原雷達回波強度的差異。

4 泰山天氣雷達的探測分析

由表1、表2可知：

①泰山雷達用理論上的最佳探測仰角-1.07°掃描時，雷達發(fā)射的電磁波束是沿著地球表面發(fā)散的，波束軸心到了150 km左右與地球表面相切，500 km時仍能探測到小于7 km的降水云體。如果用-1.07°開始掃描，雖然此時地物回波較多，但可以將近距離1 km以上直到500 km的7 km以上的降水云體全部觀測到，起到了探測作用。

②泰山雷達用-0.5°掃描時，近距離1.2 km以上，遠距離400 km上的7.5 km以上的降水云體可全部觀測到，特別是關(guān)鍵距離的50～350 km范圍內(nèi)的降水云體能做很好的降水診斷分析，已經(jīng)基本覆蓋能在山東發(fā)生的7 km以上的強對流天氣過程；平原雷達因為電磁波射向了地面，不可能用-0.5°進行掃描。考慮了遮擋角和消除地物回波的影響以后，泰山雷達和平原雷達分別都用最佳探測仰角-0.5°和0.5°進行掃描，開始階段，泰山雷達的波束在平原雷達的波束之上，到了88.6 km距離，兩者波束軸心進行交叉，然后轉(zhuǎn)為泰山雷達波束在平原雷達的波束之下，且隨著距離的增加，兩個波束分離越來越大，從而泰山雷達的探測能力顯現(xiàn)，平原雷達逐漸看不到降水云體。

③泰山雷達與平原雷達同時都用0.5°仰角掃描，泰山雷達的波束是平行地疊加在了平原雷達的波束1.5 km之上。對于7 km以上的降水云體，泰山雷達的探測距離僅僅是250 km，比用-0.5°最佳探測仰角的探測面積縮小了2.56倍，平原雷達可以探測到300 km,并且近距離平原雷達的底層探測效果明顯優(yōu)于泰山雷達。這就是現(xiàn)在的泰山CD雷達用0.5°以上仰角的觀測模式做CAPPI掃描，近距離低層云體看不到，遠距離的看到中上部，與濟南平原雷達相比，回波范圍小、強度弱、有所失真的原因。

例如：受副熱帶高壓邊緣切變線影響，2016年7月21日夜間到22日早上，泰安市自西向東出現(xiàn)了一次局地性較強的降水過程。此次過程大監(jiān)站以及全部自動站的全市平均降水量38.4 mm，泰山國家站降水量達到168 mm。最大降水量為311.3 mm，出現(xiàn)在泰安市岱岳區(qū)黃前水庫。黃前自動站雨強較大的時段為22日00—05時(最大小時雨強達到74.3 mm)，全市有17個自動站降水量出現(xiàn)了50 mm以上的強降水，其中12個站點均在100 mm以上。泰山站監(jiān)測到的最大風速24 m/s，未監(jiān)測到有冰雹。據(jù)災(zāi)情調(diào)查，此次發(fā)生在泰山周圍的局地性強降水過程，造成山洪暴發(fā)、房屋倒塌，受災(zāi)人口2萬多人，緊急轉(zhuǎn)移200余戶。從雷達觀測到的情況看，由于使用的是規(guī)定的觀測模式，且強降水區(qū)域距離雷達僅僅25 km左右，在黃前水庫降水最激烈的00～05時前后，泰山雷達回波01時04分顯示53 dBz,02時03分顯示54 dBz,7月22日01時04分26秒 Max:53 dBz,Elev=0.5 deg，7月22日02時03分49秒 Max:54 dBz,Elev=0.5 deg可能比實際情況偏弱很多，嚴重失真。見圖1(紅圈處為黃前水庫)。

7月22號01：04：26Max：53dBz,Elev=0.5deg.GIF 7月22號02：03：49Max：54dBz,Elev=0.5deg.GIF圖1 黃前水庫降暴雨時的泰山雷達回波強度圖Fig.1 Radar echo intensity of Huangqian Reservoir under rainstorm

5 對比分析和實例

泰山CD雷達與濟南SA雷達相距67 km，濟南雷達的天線饋源高度是海拔61.6 m，接近平原安裝的雷達。利用泰山CD和濟南SA雷達的同步觀測資料(0.5°以上仰角的觀測模式、同時間、基本等距)，選取了地面實況降水(長清、肥城、泰安)分別為小雨、中雨、大雨和暴雨的4次降水天氣過程進行了對比分析，這4次過程分別是：2016年5月31日—6月1日小雨天氣過程、2016年5月14—15日中雨天氣過程、2016年8月19—20日大雨天氣過程、2016年8月16—17日暴雨天氣過程。兩部雷達探測到的回波信息參數(shù)選取了最常用的最大反射率因子(DBZM)、基于單體的垂直積分液態(tài)水含量 (C-VIL)。其中最大反射率因子數(shù)據(jù)為濟南SA雷達組合反射率因子(CR 37)和泰山CD雷達組合反射率因子(CR 38)產(chǎn)品，CR 37和CR 38產(chǎn)品唯一差別是顯示距離的差異，CR 37最大顯示距離是230 km，CR 38最大顯示距離是250 km。圖2是泰山CD和濟南SA雷達探測到的4次降水過程的DBZM、C-VIL演變情況及各參數(shù)平均值，虛線為泰山CD雷達資料，實線為濟南SA雷達資料，藍色、紅色、黑色和綠色分別代表小雨、中雨、大雨和暴雨4次過程。

圖2 參數(shù)演變 a DBZM,b C-VILFig.2 Parameter Evolution a DBZM,b C-VIL

DBZM變化表明，SA雷達監(jiān)測到的DBZM值基本均大于CD雷達觀測到的DBZM值，4次天氣過程中，SA雷達監(jiān)測到的DBZM值比CD雷達觀測到的DBZM值平均高6.1 dBz。2016年5月31日—6月1日小雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的DBZM平均值分別為47.5 dBz和42.0 dBz，相差5.5 dBz；2016年5月14—15日中雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的DBZM平均值分別為51.3 dBz和41.8 dBz，相差9.5 dBz；2016年8月19—20日大雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的DBZM平均值分別為52.0 dBz和47.3 dBz，相差4.7 dBz；2016年8月16—17日暴雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的DBZM平均值分別為49.6dBz和44.9 dBz，相差4.7 dBz。

C-VIL變化表明，SA雷達監(jiān)測到的C-VIL值基本均大于CD雷達觀測到的C-VIL值，4次天氣過程中，SA雷達監(jiān)測到的C-VIL值比CD雷達觀測到的C-VIL值平均高3.7 kg·m-2。2016年5月31日—6月1日小雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的C-VIL平均值分別為4.2 kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差1.2 kg·m-2；2016年5月14—15日中雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的C-VIL平均值分別為4.7 kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差1.7 kg·m-2；2016年8月19—20日大雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的C-VIL平均值分別為12.9 kg·m-2和6.1 kg·m-2，相差6.8 kg·m-2；2016年8月16—17日暴雨天氣過程，SA雷達和CD雷達監(jiān)測的C-VIL平均值分別為8.0kg·m-2和3.0 kg·m-2，相差5.0 kg·m-2。

a

濟南：18:57，Elev=0.5deg,Max:54dBz; 泰山：18:56，Elev=0.5deg,Max:54dBz。 Ji'nan: 18:57, Elev=0.5deg, Max:54dBz; Taishan: 18:56, Elev=0.5deg, Max:54dBz.

b

濟南：20:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz; 泰山：20:00，Elev=0.5deg,Max:58dBz。 Ji'nan: 20:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz; Taishan: 20:00，Elev=0.5deg,Max:58dBz.

c

濟南22:01，Elev=0.5deg,Max:60dBz; 泰山：22:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz。 Ji'nan: 22:01，Elev=0.5deg,Max:60dBz; Taishan: 22:02，Elev=0.5deg,Max:54dBz.圖3 泰山CD和濟南SA雷達同仰角、同時間的3幅雷達回波強度對比圖Fig.3 Three radar echo map between Taishan CD and Ji’nan SA at the same elevation and the same time

根據(jù)電磁衰減理論，雨和冰雹對不同波長的電磁波有不同的衰減，有時候差別很大。雨對電磁波的衰減與溫度、雷達波長和雨滴譜有關(guān)，要定量計算非常復(fù)雜，與降水強度成近乎正比例關(guān)系，即每小時降水量越大，雨對電磁波的衰減越嚴重，但一般地，對10 cm波長的雷達雨的衰減可以忽略不計，5 cm波長的雷達對小雨、中雨也忽略不計。與此相反，波長較短的雷達，可以較好地探測到近處的降水，對于弱降水或中等強度降水有較好的探測能力[17]，也即5 cm波長的雷達探測中小降水要優(yōu)于10 cm波長的雷達。只有大雨甚至特大暴雨和冰雹時，5 cm雷達由于電磁衰減會出現(xiàn)回波失真，需要考慮電磁衰減的影響。因此，對于中小降水來說，應(yīng)該不會出現(xiàn)泰山CD比濟南SA雷達的回波范圍小、強度弱的情況。但是，通過DBZM、C-VIL的對比分析，兩部雷達的回波差異很明顯。從以下的觀測實例可進一步看出，這樣的回波差異顯然不是由于兩部雷達的系統(tǒng)參數(shù)造成的，而是由于海拔高度顯著不同的兩部雷達用相同的觀測模式造成的。

觀測實例：

2016年7月22日00—05時的泰安市黃前水庫特大暴雨之前，也即7月21日夜間，泰山CD與濟南SA雷達同時觀測了天氣系統(tǒng)從西北向東南方向移動的過程，圖3是兩部雷達同仰角同時間的雷達回波強度對比圖。

從以上看出，泰山CD雷達由于使用了與平原雷達一樣的觀測模式，不但沒有發(fā)揮出高山雷達“站得高、看得遠”的優(yōu)勢，反而探測能力不如平原雷達了。這種情況的出現(xiàn)，架設(shè)在高山上的其他新一代天氣雷達同樣發(fā)生。

6 結(jié)論

天氣雷達的探測能力，關(guān)鍵是由雷達的最低探測高度決定的，探測仰角對探測距離和定量測量降水有著重大影響。遮擋角不同、架設(shè)高度不同的雷達，有不同的最佳探測仰角，只有使用最佳探測仰角開始掃描，每部雷達才能發(fā)揮出最大效能。

泰山新一代天氣雷達與泰山原713天氣雷達的海拔、波長以及架設(shè)布局相同，發(fā)射功率更大，靈敏度更高。當用最佳探測仰角-0.5°掃描時，參照泰山713天氣雷達的探測能力，探測面積可比平原架設(shè)的雷達增大近3倍。但由于執(zhí)行0.5°以上仰角觀測模式的局限，限制了泰山新一代天氣雷達能力的發(fā)揮，降低了探測能力。恢復(fù)其-0.5°的最佳探測仰角觀測，或者使用-0.5°以上仰角開始CAPPI體掃，這對于山東省的災(zāi)害性天氣預(yù)警服務(wù)有很大的意義，對全國很多架設(shè)在高山上的天氣雷達發(fā)揮效能也很有意義，需要天氣雷達組網(wǎng)標準化的改進以及泰山CD雷達天線俯仰的改動。

[1] 中國氣象局，新一代天氣雷達選址規(guī)定[S].2005年5月.

[2] 中國氣象局，新一代天氣雷達布局規(guī)劃[S].2007年7月.

[3] 中國氣象局，新一代天氣雷達觀測規(guī)定[S].2005年5月.

[4] 中國氣象報.中國氣象局將開展新一代天氣雷達質(zhì)量專項治理工作 于新文強調(diào)既要嚴謹求實也要改革創(chuàng)新[N].2016年8月12日.

[5] 楊金紅，陳大任，王曙東.改進新一代天氣雷達低層探測能力研究[J].氣象，2013(04)：494-499.

[6] 張雙，張福貴，楊金紅.付仰角觀測對新一代天氣雷達(CINRAD)探測降水的意義[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報，2016，31(1)：49-53.

[7] 劉雨佳，陳洪濱，朱君鑒.山東省S波段與C波段天氣雷達回波強度的對比分析[J].氣象科學(xué)，2014.34(1):87-95.

[8] Brown R A,Wood V T,A Simulation Study of Negalive Elevation Angles for Mountain top Radars[R].Norman:NOAAERL National Severe Storms Laboratory.

[9]張沛源，胡邵萍.天氣雷達零仰角及負仰角探測存在的問題及其解決辦法[A].中國氣象學(xué)會雷達氣象學(xué)委員會第三屆學(xué)術(shù)年會文集[C].

[10]張揚成，游文， 高翔宇，等.新一代天氣雷達負仰角探測能力分析[J].氣象科技，2013,41(1):15-19.

[11]張滬生，劉建國.遵義新一代天氣雷達與713常規(guī)數(shù)字化天氣雷達回波強度差異的分析[J].貴州氣象，2004(2):37-39.

[12]鄒書平,田楠,劉國強，等.一次強冰雹天氣過程雙雷達回波特征參數(shù)對比分析[J].貴州氣象，2012(3)：12-14.

[13]張沛源,胡邵萍.天氣雷達零仰角及負仰角探測存在的問題及其解決辦法[A].中國氣象學(xué)會雷達氣象學(xué)委員會第三屆學(xué)術(shù)年會文集[C].

[14]趙振東.泰山713天氣雷達的探測能力[J].山東氣象，1984,2:35-36.

[15]張培昌，杜秉正.戴鐵丕，雷達氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2001:122-149.

[16]葛潤生，秦宏德，蔡作金，等.三、五公分的雷達測雨能力的比較試驗[A].中央氣象局研究所，雷達氣象文集[C].北京：中央氣象局研究所，1977:111-125.

Detection analysis and performance of new generation weatherradar over the mountains

ZHAO Zhendong, ZHANG Yan, ZHAO Hongrun

(Tai'an Meteorological Bureau of Shandong Province, Tai'an 271000, China)

Combined with the experience of 713 weather radar, the optimal detection elevation and minimum detection height of new generation CINRAD/CD weather radar in Mount Tai were calculated and analyzed. The radar echo differences of different altitude at the same elevation were drawn out by comparing and analyzing the DBZM and C-VIL of Mount Tai new generation weather radar (Mount Tai CD radar) and Ji'nan new generation weather radar (Ji'nan SA radar). It is pointed out that the detection ability of precipitation echo is not enough because Mount Tai CD radar uses the observation mode of elevation above 0.5 degrees like radar in plain. And some suggestions were put forward to improve the efficiency of Mount Tai CD radar.

radar; detection; optimal elevation angle; DBZM; C-VIL

2017-02-07

趙振東(1958—)，男，工程師，主要從事天氣雷達技術(shù)保障工作，E-mail:ts0538@126.com。

1003-6598(2017)03-0069-06

P412.25

B