C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

夏丰; 刘显通; 郑腾飞; 冯璐; 万齐林; 欧冠华; 张晓飞

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2021.053

C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.053

1.
中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州 510641
2.
新丰县气象局，广东韶关 511100
3.
安徽四创电子股份有限公司，安徽合肥 230088

基金项目:

国家重点研发计划项目 2017YFC1501701

国家自然科学基金项目 41705020

国家自然科学基金项目 41975138

广东省科技计划项目 2017B020244002

广东省自然科学基金项目 2019A1515010814

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2018M04

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2020M01

详细信息

通讯作者:
刘显通, 男, 江西省人, 副研究员, 从事云降水物理与热带灾害性天气数值预报研究。E-mail: xtliu@gd121.cn

中图分类号: P412.25
计量
- 文章访问数: 215
- HTML全文浏览量: 205
- PDF下载量: 39
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2020-09-02
- 修回日期: 2021-06-08
- 网络出版日期: 2021-12-15
- 刊出日期: 2021-08-20

CORRECTION OF RAINFALL ATTENUATION AND PARTIAL TERRAIN BLOCKAGE FOR C-BAND DUAL POLARIZATION WEATHER RADAR

1.
Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510641, China
2.
Xinfeng Meteorological Bureau, Shaoguan 511100, China
3.
Anhui Sun-Create Electronics Co., Ltd, Hefei 230088, China

摘要

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(Φ_DP)数据的扩展自适应降雨廓线算法对雷达反射率因子(Z_H)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Z_H-K_DP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。
- 双偏振雷达 /
- 雷达反射率因子 /
- 降雨衰减 /
- 部分地形遮挡衰减 /
- 衰减订正
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 Φ_DP data, an adaptive algorithm for rainfall profile is developed to correct the Z_H attenuation induced by rainfall and partial terrain blockage. And then the results after correction are directly compared with the Z_H 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 Z_H-K_DP. 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.
- dual polarization radar /
- radar reflectivity factor /
- rainfall attenuation /
- partial terrain blockage attenuation /
- attenuation correction

HTML全文

图 1 新丰C波段双偏振天气雷达空间位置

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 新丰雷达0.5°仰角地形遮挡分布图

彩色填色区为雷达波束受地形遮挡影响区域。

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 新丰雷达差分反射率因子(Z_DR，单位：dB)平均系统偏差随方位角变化

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 雷达回波强度平均衰减系数α均值随仰角变化(a)及积分重构的Φ_DP^C与观测Φ_DP^filter误差随α变化(b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 积分重构的Φ_DP距离廓线(a)及一条径向的Z_H地形遮挡衰减订正前后对比(b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 新丰雷达Z_H降雨衰减订正前(a)、后(b)与广州雷达的散点对比

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 降雨衰减订正后的新丰雷达Z_H与广州雷达对比

a.2018年6月8日台风“艾云尼”；b.2018年8月30日华南季风降水；c.2018年9月16日台风“山竹”。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 广州雷达Z_H与降雨衰减订正前(a)、后(b)的新丰雷达Z_H联合概率密度分布对比，以及广州雷达Z_H与部分地形遮挡衰减订正前(c)、后(d)的新丰雷达Z_H联合概率密度分布对比

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 新丰雷达Z_H降雨和部分地形遮挡衰减订正前(a)、后(b)的Z_H-K_DP联合概率密度分布

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 2018年6月28日1 0:48广州雷达Z_H剖面分布(a)、2018年6月8日1 0:49新丰雷达Z_H观测RHI(b)、2018年6月8日1 0:49新丰雷达Z_H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。

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

下载: 全尺寸图片幻灯片

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	Z_H (≤1 dB)，Z_DR(≤0.2 dB)
脉宽	1 μs	距离分辨率	50 m	增益	＞44 dB	K_DP(≤0.2 °/km)，ρ_hv (≤0.001)
峰值功率	≥250 kW	最小可测功率	-107 dBm	波瓣宽度	≤1°	Φ_DP (≤2 °)，V/W (≤1 m/s)

下载: 导出CSV

参考文献(45)

[1]	刘黎平, 王致君, 徐宝祥, 等. 我国双线偏振雷达探测理论及应用研究[J]. 高原气象, 1997, 16(1): 100-105.
[2]	王致君. 偏振气象雷达发展现状及其应用潜力[J]. 高原气象, 2002, 21(5): 495-500.
[3]	杜牧云, 刘黎平, 胡志群, 等. C波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析[J]. 暴雨灾害, 2011, 30(4): 328-334.
[4]	魏庆, 胡志群, 刘黎平, 等. C波段偏振雷达数据预处理及在降水估计中的应用[J]. 高原气象, 2016, 35(1): 231-243.
[5]	VIVEKANANDAN J. Cloud microphysical retrieval using S-band dual-polarization radar measurements[J]. Bull Amer Meteor Soc, 1999, 80(3): 381-388.
[6]	HUBBERT J C, WILSON J W, WECKWERTH T M, et al. S-Pol's polarimetric data reveals detailed storm features(and insect behavior)[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2018, 99(10): 2 045-2 060.
[7]	刘黎平, 徐宝祥, 王致君. 用C波段双线偏振雷达研究冰雹云[J]. 大气科学, 1992, 16(3): 370-376.
[8]	刘黎平, 徐宝祥, 王致君. 雷达识别冰雹云方法的进展[J]. 地球科学进展, 1994(2): 47-50.
[9]	王致君, 楚荣忠. 偏振天气雷达在气象中的应用简介[J]. 干旱气象, 2004, 22(2): 62-68.
[10]	曹俊武, 刘黎平, 葛润生. 模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究[J]. 大气科学, 2005, 29(5): 827-836.
[11]	BRINGI V N, RICO-RAMIREZ M A, THURAI M. Rainfall estimation with an operational polarimetric C-band radar in the United Kingdom: Comparison with a gauge network and error analysis[J]. J Hydrometeorology, 2010, 12(5): 935-954.
[12]	CHEN G, ZHAO K, ZHANG G, et al. Improving polarimetric C-band radar rainfall estimation with two-dimensional video disdrometer observations in eastern China[J]. J Hydrometeorology, 2017, 18(5): 1 375-1 391.
[13]	伍志方, 胡东明, 梁玉琼. 气象雷达新技术及其在防灾减灾中的应用[J]. 灾害学, 2007, 22(2): 36-40.
[14]	东高红, 刘黎平. 雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析[J]. 应用气象学报, 2012, 23(1): 30-39.
[15]	HITSCHFELD W, BORDAN J. Errors inherent in the radar measurement of rainfall at attenuating wavelengths[J]. J Meteor, 1954, 11(1): 58-67.
[16]	TESTUD J, BOUAR E L, OBLIGIS E, et al. The rain profiling algorithm applied to polarimetric weather radar[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2000, 17(3): 332-356.
[17]	GUO J, LIU H, LI Z, et al. Aerosol-induced changes in the vertical structure of precipitation: a perspective of TRMM precipitation radar[J]. Atmos Chem Phys, 2018, 18: 13 329-13 343.
[18]	杜爽, 王东海, 李国平, 等. 基于双频星载降水雷达GPM数据的华南地区降水垂直结构特征分析[J]. 热带气象学报, 2020, 36(1): 115-130.
[19]	马建立, 苏德斌, 金永利, 等. X波段双线性偏振雷达电磁波衰减对冰雹识别的影响[J]. 高原气象, 2012, 31(3): 825-835.
[20]	王晗. X波段双线偏振雷达反射率不同衰减订正法对比分析[J]. 成都信息工程学院学报, 2016, 31(4): 363-366.
[21]	胡志群, 刘黎平, 楚荣忠, 等. X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究[J]. 气象学报, 2008, 66(2): 251-261.
[22]	BOUAR E L, TESTUD J, KEENAN T D. Validation of the rain profiling algorithm ZPHI applied to a C-band polarimetric weather radar[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans and Atmosphere, 2000, 25(10-12): 855-859.
[23]	BRINGI V N, KEENAN T D, CHANDRASEKAR V. Correcting C-band radar reflectivity and differential reflectivity data for rain attenuation: a self-consistent method with constraints[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001, 39(9): 1 906-1 915.
[24]	CRISOLOGO I, VULPIANI G, ABON C C, et al. Polarimetric rainfall retrieval from a C-Band weather radar in a tropical environment(The Philippines)[J]. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 2014, 50(suppl): 595-607.
[25]	GU J Y, RYZHKOV A, ZHANG P, et al. Polarimetric attenuation correction in heavy rain at C band[J]. J Appl Meteor Climatol, 2011, 50(1): 39-58.
[26]	刘黎平, 王致君. 双线偏振雷达探测的云和地物回波的特性及其识别方法[J]. 高原气象, 1996, 15(3): 303-310.
[27]	史朝, 何建新, 李学华, 等. X波段天气雷达地物回波的双偏振参量特征分析及应用[J]. 高原气象, 2013, 32(5): 1 478-1 484.
[28]	吴欢, 黄兴友. X波段双线偏振雷达回波强度衰减和地物回波识别订正[J]. 气象科学, 2014, 34(1): 32-38.
[29]	李丰, 刘黎平, 王红艳, 等. C波段多普勒天气雷达地物识别方法[J]. 应用气象学报, 2014, 25(2): 158-167.
[30]	蒋秋菲. 天气雷达遮挡区域识别[J]. 成都信息工程学院学报, 2017, 32(5): 469-473.
[31]	黄兴友, 李盈盈, 张帅, 等. 基于模糊逻辑的地物回波识别方法及效果检验[J]. 热带气象学报, 2018, 34(3): 305-313.
[32]	王曙东, 裴翀, 郭志梅, 等. 基于SRTM的中国新一代天气雷达覆盖和地形遮挡评估[J]. 气候与环境研究, 2011, 16(4): 459-468.
[33]	王红艳, 刘黎平. 新一代天气雷达降水估算的区域覆盖能力评估[J]. 高原气象, 2015, 34(6): 1 772-1 784.
[34]	郭春辉, 袁微, 雷卫延. 肇庆天气雷达径向遮挡订正系统设计[J]. 气象水文海洋仪器, 2018, 35(1): 57-60.
[35]	杨泷, 刘黎平, 王红艳. 利用反射率因子垂直廓线填补雷达波束遮挡区的方法研究[J]. 气象科技, 2015, 43(5): 788-793.
[36]	张亚萍, 刘钧, 夏文梅, 等. 雷达定量估测区域降水波束阻挡系数的计算[J]. 南京气象学院学报, 2002, 25(5): 640-647.
[37]	罗丽, 井高飞, 郭佳, 等. 北京气象局天气雷达回波阻挡订正技术研究[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(12): 12-19.
[38]	朱丹, 谷军霞, 师春香, 等. 新一代天气雷达布网设计的有效覆盖和地形遮挡分析[J]. 气象, 2018, 44(11): 1 434-1 444.
[39]	陈超, 胡志群, 胡胜, 等. 广州S波段双偏振雷达数据质量初步分析[J]. 热带气象学报, 2018, 34(1): 59-67.
[40]	李明华, 陈芳丽, 姜帅, 等. "18.8"粤东暴雨中心极端强降水"列车效应"分析[J]. 暴雨灾害, 2019, 38(4): 329-337.
[41]	LI H Q, WAN Q L, PENG D D, et al. Multiscale analysis of a record-breaking heavy rainfall event in Guangdong, China[J]. Atmos Res, 2020, 23(2): 1-13.
[42]	王超, 吴翀, 刘黎平. X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法[J]. 高原气象, 2019, 38(3): 636-649.
[43]	魏庆, 胡志群, 刘黎平. 双偏振雷达差分传播相移的五种滤波方法对比分析[J]. 成都信息工程学院学报, 2014, 29(6): 596-602.
[44]	LIU X, WAN Q, WANG H, et al. Raindrop size distribution parameters Retrieved from Guangzhou S-band polarimetric radar bservations[J]. J Meteor Res, 2018, 32(4): 571-583.
[45]	GOU Y, CHEN H, ZHENG J. An improved self-consistent approach to attenuation correction for C-band polarimetric radar measurements and its impact on quantitative precipitation estimation[J]. Atmos Res, 2019, 22(6): 32-48.