CORRECTION OF RAINFALL ATTENUATION AND PARTIAL TERRAIN BLOCKAGE FOR C-BAND DUAL POLARIZATION WEATHER RADAR
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摘要: 天气雷达可为中尺度对流系统研究提供高时空分辨率资料, 但降雨衰减和地形遮挡等因子会对雷达信号产生严重影响。针对广东省韶关市新丰县C波段双偏振天气雷达, 选取了2018年6月8日台风“艾云尼”、8月30日华南季风降水和9月16日台风“山竹”三次降雨过程, 采用基于差分相位(ΦDP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(ZH)数据进行了降雨衰减和部分地形遮挡衰减订正研究, 并将订正结果与广州S波段双偏振天气雷达探测结果进行了直接对比检验, 与中国气象局龙门云物理野外科学试验基地的4台二维视频雨滴谱仪(2D Video Distrometer, 2DVD)实测雨滴谱数据反演的雷达仿真探测量及国内外ZH-KDP经验统计公式进行了间接对比检验, 获得较好结果。最后选择具体降雨个例, 订正结果清晰展现了台风螺旋雨带中对流单体雷达回波强度从地面到高空的垂直结构特征, 提高了复杂地形区域雷达对极端天气的近地面探测能力。Abstract: Weather radar can provide high spatio-temporal resolution observational data for the studies related to mesoscale convective systems. Nevertheless, the attenuation caused by rainfall and complex terrain could seriously affect radar signals. In this paper, three severe rainfall processes in 2018 are comprehensively investigated using the C-band dual polarization weather radar data collected at Xinfeng of Guangdong Province. The three rainfall processes include the severe tropical storm Ewiniar on June 8, the monsoon rainfall in South China on August 30, and the super typhoon Mangkhut on September 16. Based on ΦDP data, an adaptive algorithm for rainfall profile is developed to correct the ZH attenuation induced by rainfall and partial terrain blockage. And then the results after correction are directly compared with the ZH of S-band dual polarization weather radar data collected at Guangzhou. The comparison has been conducted further against the simulated radar data by using the four sets of 2 D video raindrop spectrum data acquired at the Longmen Field Experiment Base for Cloud Physics, China Meteorological Administration. Moreover, the corrected results are validated using the empirical statistical formulas of ZH-KDP. This shows that the correction algorithm could improve radar reflectivity data to some extent. Finally, the case study shows that the ground-to-high-level vertical structure of the radar reflectivity of convective cells in the spiral rain belt could be clearly presented. This correction algorithm could effectively improve the near ground observation ability of weather radars in complex terrain.
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图 3 2018年华南三次典型强降雨过程雷达回波强度(单位：dBZ)空间分布
a.6月8日的台风“艾云尼”；b.8月30日的华南季风降水；c.9月16日的台风“山竹”。黑色箭头表示从广州雷达站到新丰雷达站直线距离为148 km。
图 9 广州雷达ZH与降雨衰减订正前(a)、后(b)的新丰雷达ZH联合概率密度分布对比，以及广州雷达ZH与部分地形遮挡衰减订正前(c)、后(d)的新丰雷达ZH联合概率密度分布对比
图 11 2018年6月28日1 0:48广州雷达ZH剖面分布(a)、2018年6月8日1 0:49新丰雷达ZH观测RHI(b)、2018年6月8日1 0:49新丰雷达ZH降雨和部分地形遮挡衰减订正后的RHI(c)
单位：d BZ。扫描方向在两部雷达直线上，黑色方框代表6个台风螺旋雨带对流单体。
图 12 广州雷达和新丰雷达0.5°仰角回波强度平面位置显示(PPI)
a.2018年6月28日10:48广州雷达体扫结果；b.2018年6月8日10:49新丰雷达观测体扫结果和降雨；c.2018年6月8日10:49部分地形遮挡衰减订正后的新丰雷达体扫结果。椭圆形黑框代表强回波区域。
表 1 新丰雷达的基本性能
发射机 接收机 天馈线 观测参数(误差) 频率 5.43 GHz 噪声系数 ≤3.0 dB 天线直径 4.5 m ZH (≤1 dB)，ZDR(≤0.2 dB) 脉宽 1 μs 距离分辨率 50 m 增益 ＞44 dB KDP(≤0.2 °/km)，ρhv (≤0.001) 峰值功率 ≥250 kW 最小可测功率 -107 dBm 波瓣宽度 ≤1° ΦDP (≤2 °)，V/W (≤1 m/s) 
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图(12) / 表(1)
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