基于GIS的天氣雷達(dá)Z數(shù)據(jù)補(bǔ)償

林輝 張鐸 楊建斌

摘要：天氣雷達(dá)是監(jiān)測和預(yù)警強(qiáng)對流天氣的主要工具，通過發(fā)射一系列脈沖電磁波，利用云霧、雨、雪等降水粒子對電磁波的散射和吸收效應(yīng)，來探測降水的空間分布和鉛直結(jié)構(gòu)。雷達(dá)探測波束在低仰角經(jīng)常會出現(xiàn)被地物遮擋的情況，導(dǎo)致某些方位探測到的回波會偏弱。多雷達(dá)多重覆蓋拼圖大多數(shù)時候可以很好解決這個問題，但是每個關(guān)注的區(qū)域都做到多雷達(dá)覆蓋在實際中很難實現(xiàn)，也可能存在某個區(qū)域多部雷達(dá)波束均受到遮擋的情況。

關(guān)鍵詞：GIS;天氣雷達(dá);數(shù)據(jù)

引言：

利用GIS高程地形信息，演算出不同仰角下雷達(dá)波束在每個方位的遮擋情況，計算出波束遮擋比例以及強(qiáng)度修正值，在幾乎不追加任何成本的前提下就可以對雷達(dá)回波Z數(shù)據(jù)，即反射率因子進(jìn)行補(bǔ)償。

一、算法流程

算法流程如下：

解析多普勒天氣雷達(dá)的體掃原始數(shù)據(jù)，除了提取Z數(shù)據(jù)以外，還需獲取雷達(dá)體積掃描各仰角角度，雷達(dá)海拔高度，雷達(dá)經(jīng)緯度等信息，在計算遮蔽信息時需要用到。根據(jù)雷達(dá)經(jīng)緯度，截取以雷達(dá)為中心，東西跟南北跨度為1度（接近111km）的高程數(shù)據(jù)。由于高程數(shù)據(jù)采用經(jīng)緯度表示方位，因此要用高斯投影算法投影到平面直角坐標(biāo)。 根據(jù)雷達(dá)高度，結(jié)合大氣折射率跟地球曲率，計算雷達(dá)每個方位距離的遮蔽角。演算不同仰角下不同方位距離的波束遮擋比例，計算出強(qiáng)度（Z數(shù)據(jù)）的修正值。

二、算法實現(xiàn)

（一） 民航多普勒天氣雷達(dá)格式

天氣雷達(dá)探測波束是細(xì)長的針狀，C波段探測有效距離一般是200km。雷達(dá)掃描有水平與俯仰2個自由度，采用極坐標(biāo)（方位，距離）方式記錄數(shù)據(jù)。雷達(dá)體積掃描就是在不同仰角下，雷達(dá)天線水平轉(zhuǎn)動360度，發(fā)出電磁波探測波束，接收天氣目標(biāo)散射回來的信號，數(shù)字化采樣后并保存到體積掃描的原始數(shù)據(jù)文件里。

原始數(shù)據(jù)文件一般由文件標(biāo)識 、文件頭和徑向數(shù)據(jù)記錄塊組成。文件頭記載雷達(dá)站名、站址、雷達(dá)型號、主要參數(shù)、觀測時間、掃描類型、工作狀況等內(nèi)容。? 徑向數(shù)據(jù)記錄以極坐標(biāo)方式順序排列。雷達(dá)一般掃描1到15個仰角層，在每個仰角層雷達(dá)天線水平轉(zhuǎn)動360度，一般保存為360個方位的徑向數(shù)據(jù)，一般每個徑向數(shù)據(jù)是由400個庫組成，探測有效距離200km就分成400個庫來量化，一個庫代表了500m內(nèi)采樣的回波的均值。實際的庫長，徑向數(shù)據(jù)庫數(shù)，各層徑向數(shù)據(jù)記錄數(shù)，體掃層數(shù)與角度都在文件頭內(nèi)有定義。

（二）高程數(shù)據(jù)解析與截取

高程數(shù)據(jù)采用的是格點分辨率約為30米的GDEMV2，數(shù)據(jù)以TIFF格式保存。TIFF文件主要由圖像文件頭，圖像文件目錄，目錄入口，圖像數(shù)據(jù)組成。一個TIF文件表示經(jīng)度緯度范圍為1°的高程數(shù)據(jù)，分辨率為3601*3601。每個像素點代表經(jīng)度緯度為1”的高程數(shù)據(jù)，高度值用2個字節(jié)表示，可表示高度范圍為0到65536米。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件定義的雷達(dá)經(jīng)緯度，計算雷達(dá)為中心，經(jīng)緯度跨度為1度所需要用到的高程數(shù)據(jù)文件，并截取出所需要的那部分高程文件。高程文件拼接時，會出現(xiàn)重疊的邊界，要切除這部分邊界數(shù)據(jù)。

（三）高程數(shù)據(jù)高斯投影

GDEMV2高程數(shù)據(jù)是采用經(jīng)緯度來表示位置，應(yīng)用上需要通過投影算法轉(zhuǎn)化成我們平時用的空間直角坐標(biāo)系，此處采用了高斯投影算法。

（四）遮蔽角計算

雷達(dá)波束中心高度與目標(biāo)物實際距離關(guān)系如下公式所示，

為雷達(dá)高度，θ為仰角，h為雷達(dá)波束中心高度，R為目標(biāo)物到雷達(dá)的實際距離。那么距離為R，高度為h的地物，對海拔高度為的雷達(dá)形成的遮擋角為

以雷達(dá)站位置為原點，計算高程數(shù)據(jù)每個格點所處雷達(dá)方位角以及距離，以及格點高度形成的遮蔽角。由于雷達(dá)探測波速是接近直線傳播，因此同個方位角每個距離庫范圍內(nèi)波束的遮擋角是由該距離庫與雷達(dá)位置之間所有距離庫的最大遮擋角決定。假設(shè)探測雷達(dá)波束從原點射出，地物B形成遮蔽角于小于地物A的遮蔽角θ，因此雷達(dá)波束上沿（雷達(dá)波束有波瓣寬度，一般是1°）要高于θ才能探測到地物B上空以及更遠(yuǎn)處的天氣目標(biāo)。地物C雖然高度很低，但是之前地物形成遮蔽角β，且β大于θ，所以雷達(dá)波束上沿要高于β才能探測到地物C上空以及的天氣目標(biāo)。因此對每個方位的地物形成的遮擋角由近到遠(yuǎn)進(jìn)行最大值保持處理，也就是只要當(dāng)前地物形成遮蔽角小于或等于之前最大遮蔽角，當(dāng)前地物遮蔽角就等效于之前最大值。

（五）波束遮擋比例演算與補(bǔ)償值計算

從雷達(dá)原點發(fā)射出雷達(dá)探測波束，假設(shè)仰角為β，波束寬度為α。在地物A以及之前，波束下沿角度（β-0.5α）高于地物，遮擋比例為0，探測的回波不需要修正。地物B處波束上沿角度（β+0.5α）高于地物，下沿低于地物，發(fā)生部分遮擋，地物B形成遮蔽角為θ，則遮擋比例，也就是雷達(dá)波束上沿角與地物遮蔽角的差值占總波束寬度的比例，如下邊公式所示。

在地物C處，雷達(dá)波束上沿低于地物，波束被完全遮擋，該處即更遠(yuǎn)處回波不需要修正。

將遮擋比例換算為對數(shù)，并對Z數(shù)據(jù)進(jìn)行修正：

是原始Z數(shù)據(jù)，是修正后的Z數(shù)據(jù)。

三、驗證

多雷達(dá)拼圖通常可以獲得很好的地物遮擋補(bǔ)償效果。以汕頭氣象局、梅州氣象局兩部雷達(dá)的拼圖作為參照物。生成汕頭空管站天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)補(bǔ)償前后的最強(qiáng)平面投影圖。通過對補(bǔ)償前后的投影圖與作為參照物的拼圖進(jìn)行對比分析來驗證該算法。

選取了2019年12月05日北京時間7點06分的三部雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用本算法對汕頭空管站天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)每個仰角層Z數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，生成補(bǔ)償前后的最強(qiáng)平面投影圖，與汕頭、梅州氣象局兩部雷達(dá)拼圖進(jìn)行比較，拼圖中心點已經(jīng)設(shè)置為汕頭空管天氣雷達(dá)站所在位置。從拼圖看，在空管雷達(dá)站西北跟東北方向，有呈帶狀分布的較強(qiáng)回波，色標(biāo)為淡黃色。而空管站天氣雷達(dá)在強(qiáng)度補(bǔ)償前只探測到依稀少量強(qiáng)回波，補(bǔ)償后，強(qiáng)回波數(shù)量有所增加，接近帶狀分布，東北方向強(qiáng)回波增加較為明顯，接近拼圖所展示的探測結(jié)果。可見，該算法對地物遮蔽具有一定補(bǔ)償作用。

四、結(jié)語

本文闡述了利用GIS高程地物信息，對天氣雷達(dá)強(qiáng)度Z數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。以汕頭空管站天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)為樣本，參照汕頭、梅州氣象局天氣雷達(dá)拼圖，對算法有效性進(jìn)行驗證，結(jié)果表明該算法從一定程度上修正因為地物遮擋而導(dǎo)致回波強(qiáng)度偏弱情況。