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Journal of Geo-information Science >

2018 , Vol. 20 >Issue 8: 1201 - 1208

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2018.180121

Analysis of CINRAD Coverage in Guangdong Province Based on SRTM Data

  • LI Mingfeng , 1, 2 ,
  • MIN Chao 1, 3 ,
  • ZHANG Asi 1, 3 ,
  • XIAO Liusi 1, 3, 4 ,
  • HUANG Chaoying 5 ,
  • ZHAN Tang 6 ,
  • CHEN Sheng , 1, 3, *
Expand
  • 1. School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China
  • 2. Ruili Meteorological Bureau, Ruili 678600, China
  • 3. Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster Studies, Guangzhou 510275, China
  • 4. Guangzhou Observatory, Guangzhou 511430, China
  • 5. School of Geography and Planning, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China
  • 6. Zhuhai National Climate Observatory,Zhuhai 519000, China
*Corresponding author: CHEN Sheng, E-mail:

Received date: 2018-03-25

  Request revised date: 2018-05-03

  Online published: 2018-08-24

Supported by

“100 Top Talents Program” at Sun Yat-sen University, No.74110-52601108

China Meteorological Administrator Forecaster Special Item, No.CMAYBY2018-052

Guangdong Meteorological Service Research Project, No.2015Q15.

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

The China Meteorological Administration (CMA) has constructed a radar network of China next generation weather radar (CINRAD) to detect precipitation. In order to investigate the coverage condition of weather radar network, high-resolution digital elevation data of SRTM3 were used to analyze the terrain-blockage of 12 weather radars deployed in Guangdong Province. The beam blockage by mountain was calculated with the following method. Firstly, if the first tilt radar beam is blocked up to 50%, then it is considered that the radar beam does not scatter in the forward direction and the radar beam will jump to the next tilt at the blocked area, the obstructed slant range will be replaced by the second elevation. Secondly, if the mountain peaks are still higher than the radar beam and the radar beam is blocked up to 50%, the third tilt will be adopted. Results show that Shaoguan, Lianzhou and Zhaoqing radars suffer from serious beam blockage at the lowest elevation (0.5°). Additionally, Shenzhen, Yangjiang, Meizhou and Shanwei radars have large blocked areas at 0.5° elevation scan while the rest of radars have a very good coverage. With the raise of radar elevation, the beam blockage will be weaked or the more beams will clear the surface. At 3.4° elevation, all of 12 radars do not suffer from beam blockage. The 12 radars can completely cover Guangdong Province within the height of 5 km above mean sea level (MSL), and there are four adjacent radars in most areas. Radar coverage maps at the height of 3 km above ground level (AGL) and 3 km above MSL show that only a few regions in northern and northwestern Guangdong Province have no radar coverage, while most areas generally have more than 2 radars coverage, and there are 4-6 radars overlapping in the Pearl River Delta area. Within the height of 2 km AGL, the CINRAD network can effectively cover most regions of Guangdong province. Only within the height of 1 km, radar coverage in the northern and northwestern Guangdong Province is a little poor. Generally, the CINRAD network can monitor almost the entire Guangdong Province at height of 2 -3 km AGL and 3-5 km above MSL, thus, the distribution of radar is relatively good in Guangdong Province.

Key words： China next generation weather radar; DEM; terrain blockage; radar coverage; scan method

Cite this article

LI Mingfeng , MIN Chao , ZHANG Asi , XIAO Liusi , HUANG Chaoying , ZHAN Tang , CHEN Sheng . Analysis of CINRAD Coverage in Guangdong Province Based on SRTM Data[J]. Journal of Geo-information Science, 2018 , 20(8) : 1201 -1208 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2018.180121

1 引言

由于全球气候变化和中国城市化的不断推进,极端暴雨事件变得越来越频繁,暴雨造成的洪涝灾害给人民生命财产安全构成了严重的威胁。新一代多普勒天气雷达在暴雨的监测预警中起着非常重要的作用。目前我国天气雷达监测网已有216部新一代多普勒天气雷达投入业务运行。较之传统地面观测,雷达可以提供高时空分辨率的降水信息。但是,由于雷达观测中包含了多种来源的误差[1],雷达降水估测存在很大的不确定性。因此,如何减少雷达降水估测的不确定性因素,并获取相对准确的实时降水分布是气象工作者不断研究的问题。
国外对雷达降水的研究起步早,并取得了诸多成果。Kucera等[2]以关岛为例结合GIS和DEM技术研究了雷达波束阻挡和其他地面杂波对雷达降水估测的影响,发现在地形复杂的地区,DEM的分辨率越高模拟地形阻挡的效果越好。Krajewski等[3]以美国NEXRAD网络的2个雷达为例,利用数字高程模型（DEM）研究了不同雷达天线仰角的雷达波束功率损耗的二维图来评估山区天气雷达的地形阻挡。Zhang等[4]研究了结合雷达、雨量计、卫星和数值天气预报数据,自动生成高时空分辨率的三维雷达拼图和多传感器定量降水估测的NMQ系统。
多普勒天气雷达定量降水估测是中国当前降水估测研究的热点。国内学者近十几年来做了大量关于气象雷达的应用研究工作。例如,刘黎平等[5]利用雷达资料研究了宜昌和荆州地区的暴雨回波和风场的中尺度结构及演变过程;胡胜等[6]用广东省四部新一代多普勒天气雷达产品进行区域拼图,同时阐述了其在区域灾害性天气监测和预警中的应用;李柏等[7]加入雷达风廓线资料对2003年淮河流域暴雨和风场进行了模拟;祝婷等[8]利用ARPS模式在初始时刻同化雷达基数据,结果表明,同化雷达基数据可以改善短时降水范围、强度和降水中心的预报结果;李哲等[9]根据不同降水类型采用不同的Z-R关系,结果显示,此方法可以降低降水估测的误差。中国国土辽阔,地形复杂,雷达观测会受到周围建筑物和地形的影响,使雷达探测能力因波束阻挡而减弱。有一些雷达站建在山顶,雷达波束常在较近的距离就已经在天气系统发生发展的空间,导致雷达降水估测产生误差。中国新一代天气雷达网目前业务运行的降水估测方法实际上是混合扫描仰角,其默认降水预处理没有地形阻挡分析[10]。目前已有一些研究考虑了地形阻挡对雷达降水估测的影响：万玉发等[11]研究了雷达站址的客观分析技术,并计算地形对不同仰角雷达波束的遮挡; 王红艳等[10]依据0℃层高度和雷达波束阻挡客观评估了浙江新一代天气雷达对降水估测的区域覆盖能力;杨洪平等[12]分析了雷达波束遮挡,并给出不同高度上的有效数据区域;王曙东等[13]用STRM3（约90 m）数据分析了中国158部新一代天气雷达组网在离地3 km高度的雷达有效覆盖范围。虽然杨洪平等[12]和王曙东等[13]的研究均涉及雷达组网有效覆盖范围分析,但是由于近年来广东省又增补建设了多部天气雷达,雷达组网的有效覆盖情况必定有所改变,并且杨洪平等[12]的研究仅分析了海拔高度上的有效数据区域,而王曙东等[13]的研究只分析了单个仰角在离地高度上的覆盖情况。因此,重新分析广东省雷达组网的有效覆盖情况可作为雷达资料用户特别是天气预报员在业务应用中的重要参考。
为了更好地发挥天气雷达网的监测和预警作用,本研究以广东省为例,利用90 m高分辨的STRM高程数据,结合本地地理和气候特征,利用多个仰角融合信息分析了单个雷达的地形阻挡和增补建设后广东省12部雷达组网在不同离地高度和海拔高度上的有效覆盖能力。

2 研究区概况与数据源

2.1 研究区概况

广东省位于北纬20°09′~25°31′,东经109°45′~117°20′之间,北依南岭山脉,东北为武夷山脉,南临南海,全境地势北高南低,北部多为山地和高丘陵,中部和南部沿海地区多为低丘、台地或平原[14]。广东境内目前已经布设了12部雷达站（图1）,但是在地势较为复杂的山区（如北部的连州和韶关）雷达射线将会受到不同程度的地形阻挡,因此在实现多部雷达构成一个区域组网后,在雷达有效探测范围内必须进一步提高测量降水的精度。
Fig. 1 Terrain and distributions of radar sites in Guangdong Province

图1 广东省地形及雷达站点的分布示意图

2.2 数据源

广东省目前投入业务运行的有12部雷达,分别是广州、深圳、珠海、河源、梅州、汕头、汕尾、肇庆、湛江、阳江、韶关和连州雷达,各雷达的相关参数见表1。本研究采用的DEM数据是美国航天飞机于2000年利用雷达测图技术获得的地形测绘数据（Shuttle Radar Topography Mission, SRTM3 V4.1）,其水平分辨率为3″,约为90 m,标称绝对高程精度是±16 m,绝对平面精度是±20 m,是除美国本土外所能获得的最高精度的SRTM数据[15,16]。SRTM3数据是一种数字地表高程模型（DSM）,包含了地表建筑物和其他附着物等信息,由于本文计算的是雷达波束的阻挡情况,因而包含地表建筑物等信息的SRTM3数据较数字地面高程模型（DTM）更加适合此研究[13,16]。雷达观测数据来自国家气象局布设于广东省内的S波段多普勒天气雷达,雷达数据是以球面坐标（范围,方位角,高程）收集和存储的。传统单偏振天气雷达收集的返回信号包括：反射率（ Z H ）,径向速度（V）和谱宽（SW）。双偏振天气雷达则提供了更多的观测变量,除了反射率（ Z H ）,径向速度（V）和谱宽（SW）之外,还可以提供垂直反射率因子（ Z V ）、差分反射率（ Z DR ）、差分相移变率（ K DP ）、差分传播相移（ Φ DP ）、相关系数（ ρ HV ）和退偏振比（ L DR ）等变量。
Tab. 1 Parameters of China next generation weather radars in Guangdong

表1 广东新一代天气雷达参数

站名 站号 型号 海拔/m
珠海
广州
汕尾
阳江
韶关
梅州
汕头
深圳
肇庆
湛江
河源
连州		 Z0756
Z9200
Z9660
Z9662
Z9751
Z9753
Z9754
Z9755
Z9758
Z9759
Z9762
Z9763		 CINRAD /SD
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA
CINRAD/SA		 257
180.6
323
102.8
301.9
423
199.8
149.1
95.8
106.1
1076
632.1
CINRAD-SA采用2种天气扫描模式。实际业务中雷达的扫描模式通常选取VCP21,其体扫模式为6分钟内完成9层半径460 km范围的降雨探测扫描,从低到高各层的仰角值为0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、6.0、9.9、14.6和19.5°。由于波束中心高度和波束宽度随距离的增加而增加使得雷达在较远距离处的探测能力下降,本研究中雷达覆盖范围采取的是有效探测距离（230 km）内的数据。

3 研究方法

如果相邻的雷达处于相近的高度,在不考虑雷达波束受地形阻挡的条件下,计算雷达的覆盖范围是相当简单的。但是广东省北部多为山地和高丘陵,对雷达波束的阻挡较为严重。因此广东省的雷达覆盖不能简单地计算,需要对其进行地形阻挡分析。

3.1 雷达扫描覆盖方法

中国新一代天气雷达网目前业务运行的降水观测方法实际上是混合扫描仰角[10]。当距离雷达站较远时波束底部大多超过地物150 m,在距离雷达站较近的范围由于雷达波束展宽很小,地物对雷达回波的影响较小[17]。因此,在离雷达0~20,20~35,35~50和50~230 km范围内分别采用3.4、2.4、1.5和0.5°仰角进行扫描 （图2）,在距离雷达较远处考虑出现较高山体将波束阻挡,如果山峰阻挡第一仰角雷达波束的50%以上,则将在被阻挡处跳到第二仰角,随后被阻挡的第一仰角范围由第二仰角代替。如果山峰仍然较高并且阻挡了第二仰角雷达波束的50%以上,则第二仰角波束被山体阻挡的部分将由第三仰角的波束代替。本文考虑山体阻挡时,未阻挡部分采用低仰角,被阻挡部分采用高仰角,其扫描方式如图3所示。
Fig. 2 The hybrid scan method of coverage for radar without considering beam blockage
注：绿粗线为覆盖的倾斜距,红粗线为被认为覆盖却被阻挡倾斜距

图2 未考虑山体阻挡的混合扫描方式

Fig. 3 The hybrid scan method of coverage for radar with considering beam blockage
注：绿粗线为覆盖的倾斜距

图3 考虑山体阻挡的混合扫描方式

3.2 地形阻挡分析方法

本研究采用以下原理,首先确定雷达站位置 （经纬度和海拔高度）,然后用计算机读取雷达站点四周90 m分辨率DEM的经纬度及海拔高程,以雷达某一仰角向各个方位角（以0.1°为间隔） 计算由近到远各个采样点处（每50 m为一个抽样点） 的海拔高度,与对应点的DEM海拔高程进行对比,若雷达波束中心的高度低于地形高度,则认为雷达波束受到地形阻挡,不再向远处传播。
雷达波束中心的高度被用来计算本研究所示的所有覆盖图。波束中心的高度（假设标准大气传播）用以下公式计算[18]：
式中：h是雷达波束中心海拔高度/km;r是雷达径向传播的斜距/km; θ 是雷达波束的仰角; h 0 是雷达天线的海拔高程/km;R是标准大气折射下的有效地球半径,假设大气中折射率与高度变化一致,R约为8500 km。
在相同仰角下离雷达越远,雷达波束离地越高,一般情况下只考虑0 ℃层以下天气系统。本研究中分别分析了广东省12部雷达4个低仰角（0.5、1.5、2.4和3.4°） 径向230 km范围内的雷达覆盖情况（文中只给出深圳雷达站0.5°仰角的覆盖图）,离地高度为1、2和3 km时的雷达有效覆盖范围以及海拔3 km和5 km的雷达有效覆盖范围。

4 结果分析

广东省是人口、经济大省,并且年降水丰富,台风登陆频繁。因此, 做好雷达定量降水估计和极端天气的预报预警显得非常重要。但是,目前针对广东省天气雷达有效覆盖范围的研究相对较少。本文对广东省12部雷达分别计算各站最低4个仰角（0.5、1.5、2.4和3.4°）下的地形阻挡情况,然后进行全省不同离地高度和海拔高度的雷达有效覆盖范围分析。本文以深圳雷达站为例,计算结果显示,深圳雷达站的主要阻挡区域集中在北部和东南部,这些地形阻挡必然严重影响雷达降水产品的质量。图4（a）是深圳雷达0.5°仰角的地形阻挡模拟结果,与2016年6月28日24时30分的雷达实际反射率（图4（b））的分布情况一致。这表明本研究中所得到的地形阻挡模拟结果能够较为真实地反映地形对雷达波束的阻挡情况。
Fig. 4 Beam blockage of CINRAD by mountain in Shenzhen at 0.5° level

图4 深圳雷达0.5°仰角地形阻挡分析

从单部雷达的0.5°仰角覆盖效果来看,湛江、河源雷达没有被阻挡的区域,是广东省内0.5°仰角上覆盖效果最好的雷达;广州、珠海和汕头的覆盖效果较好,被山体阻挡的面积极小;而由于受地形因素的影响,韶关雷达的东南部、西南部和西北部,连州雷达的西北部、西南部和东部大部分区域,肇庆雷达的北部和西南部的地形阻挡均较为严重,这3部雷达在0.5°仰角上的覆盖能力弱;深圳雷达北部和东南部都有较为明显的阻挡,雷达覆盖效果不太理想;阳江雷达的北部、梅州的东南部、汕尾的西北部均有大面积阻挡。
随着雷达扫描仰角的抬高,地形阻挡情况有所好转,雷达有效覆盖范围增大。从单部雷达的1.5°仰角覆盖效果来看,除连州东部和西北部以及韶关的北部有极少部分地形阻挡,深圳北部有部分阻挡外,其余雷达已经没有阻挡,雷达可以全覆盖。而在2.4 °仰角上,仅深圳雷达的北部还存在小部分被阻挡的区域,其余雷达已经没有阻挡。在3.4 °仰角上,广东12部雷达均无地形阻挡,可以全覆盖。
广东省夏半年对流活动旺盛,暖云降水较频繁,0 ˚Ϲ层高度较高,而冬半年0 ˚Ϲ层高度相对较 低[19,20],因此本文分析了广东省离地1、2和3 km以及海拔3 km和5 km的雷达有效覆盖情况。根据广东省12部天气雷达在离地1 km的覆盖效果（图5（a））可知,广东省北部（24°N附近）和西北部在离地1 km范围内雷达覆盖情况较不理想,部分地区甚至没有雷达覆盖,珠江三角洲一带的覆盖效果较好,部分地区有2部以上雷达覆盖。离地2 km的雷达覆盖（图5（b））情况显示,在广东全境雷达基本可以全覆盖,在广东省东部地区有2部以上雷达覆盖,珠江三角洲一带雷达覆盖效果最佳,有3部以上雷达重叠。离地3 km的雷达覆盖图（图5（c））展示了雷达的实际覆盖情况,除广东省北部和西北部极少数地区仍然没有雷达覆盖以外,广东省12部天气雷达可以有效覆盖广东全境,并且大部分地区均有2部以上雷达重叠,珠江三角洲地区甚至可达4-6部雷达覆盖,广东省离地3 km的雷达覆盖效果较好。
Fig. 5 The coverage and overlapping of 12 CINRADs over Guangdong Province at height of 1, 2 and 3 km AGL

图5 广东省12部雷达在离地1、2和3 km的覆盖范围和雷达叠加数

海拔3 km的雷达覆盖情况（图6（a））显示,广东省已建成的12部天气雷达可以有效覆盖广东省大部分区域,珠江三角洲一带的覆盖效果最为理想,有4部以上雷达覆盖。从海拔5 km的雷达覆盖图（图6（b））可见,广东全境均有雷达覆盖,并且大部分地区均有4部以上雷达覆盖。
Fig. 6 The coverage and overlapping of 12 CINRADs over Guangdong Province at height of 3 km and 5 km above MSL

图6 广东省12部雷达在海拔3 km和5 km 的覆盖效果和雷达叠加数

因此,在珠江三角洲一带利用雷达降水产品做出定量降水估计得结果比较可靠。就广东全省而言,广东基本实现了离地3 km和海拔3 km高度范围内的雷达全覆盖。由此可以认为广东省雷达总体布局较好,能够利用多部雷达产品做出较为可靠的定量降水估计和极端天气的监测和预警预报。

5 结论与讨论

本文利用SRTM3高分辨率的数字高程模型 （DEM）对广东省已建成的12部新一代天气雷达各站最低4个仰角（0.5、1.5、2.4和3.4°）进行地形阻挡分析。结果表明,0.5°观测仰角上,韶关、连州和肇庆雷达地形阻挡较严重,深圳、阳江、梅州和汕尾雷达均有大面积阻挡,其余雷达的覆盖效果均很好。随着雷达扫描仰角的抬高,地形阻挡有所减弱。在2.4°仰角上,除了深圳雷达的北部还有极少部分被阻挡的区域,其余雷达已经没有阻挡。分析广东 12部雷达组网的有效范围拼图,可得到以下结论：
（1）离地1 km高度范围内,广东省北部和西北部地区存在雷达覆盖的空白区。离地2 km和离地3 km高度范围内,广东雷达组网均能有效覆盖全省大部分区域。珠江三角洲一带雷达的覆盖情况最好,离地3 km高度范围内有4~6部雷达覆盖。
（2）广东省海拔3 km和5 km的雷达覆盖情况均较好。海拔3 km高度范围内,全省大部分地区均有2部以上雷达覆盖。在海拔5 km高度范围内,雷达覆盖效果更好,可以完全覆盖广东全省,因此可以认为广东省雷达的总体布局较好。另外,本文需要指出以下几点：
（1）在复杂地形条件下SRTM数据存在一些空缺点和空白区。十几年来广东地区的城市发展较快,新建成很多高大建筑物,由于SRTM数据采集于2000年,对于一些新建在城区附近的雷达无法精确计算高大建筑和树木的阻挡情况。因此,本研究不考虑此类新建成高大建筑物和树木对雷达波束的阻挡。如果雷达附近的地表特征被准确知道,则可以确定特征粗糙度并将其加入模型中。
（2）大气在时间和空间上都存在明显差异。本研究中将大气假定为标准大气,并且没有考虑雷达波瓣的影响,因此与实际的地形阻挡可能有误差,但总体来说还是有比较大的应用价值。
（3）本研究假设一部分雷达波束低于下垫面高度时,低于地表高度的部分被散射回雷达（地面杂波）,或者被表面吸收。实际上,一些能量也将向前散射,但由于电磁波与地形的相互作用较为复杂,故本研究中不考虑这部分前向散射。

The authors have declared that no competing interests exist.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
Gabriele V, Witold K.Review of the different sources of uncertainty in single polarization radar-based estimates of rainfall[J]. Surveys in Geophysics, 2010,31(1):107-129.

DOI

[2]
Kucera P A, Krajewski W F, Young C B.Radar beam occultation studies using GIS and DEM technology: An example study of Guam[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2004,21(7):995-1006.Geographic information systems (GISs) combined with digital elevation models (DEMs) provide opportunities to evaluate weather radar beam blockage and other ground clutter phenomena. The authors explore this potential using topographic information and a simple beam propagation model for the complex terrain of Guam. To evaluate the effect of different DEM resolutions, they compare the simulated patterns of complete and partial beam blockage with probability of detection maps derived from a large database of level II radar reflectivity for the U.S. Air Force Weather Surveillance Radar-1988 Doppler (WSR-88D) on Guam. The main conclusion of the study is that the GIS approach provides useful insight into the actual pattern of blocked areas. The DEM resolution plays a role in resolving the blocked patterns. In general, higher DEM resolution provides better results although widely available lower-resolution DEMs can provide valuable information about beam-blocking effects.

DOI

[3]
Krajewski W F, Ntelekos A A, Goska R.A GIS-based methodology for the assessment of weather radar beam blockage in mountainous regions: Two examples from the US NEXRAD network[J]. Computers & Geosciences, 2006,32(3):283-302.

[4]
Zhang J, Howard K, Langston C, et al.National mosaic and multi-sensor QPE (NMQ) system: Description, results, and future plans[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2011,92(10):1321-1338.The National Mosaic and Multi-sensor QPE (Quantitative Precipitation Estimation), or 'NMQ', system was initially developed from a joint initiative between the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Severe Storms Laboratory, the Federal Aviation Administration's Aviation Weather Research Program, and the Salt River Project. Further development has continued with additional support from the National Weather Service (NWS) Office of Hydrologic Development, the NWS Office of Climate, Water, and Weather Services, and the Central Weather Bureau of Taiwan. The objectives of NMQ research and development (R&D) are 1) to develop a hydrometeorological platform for assimilating different observational networks toward creating high spatial and temporal resolution multisensor QPEs for flood warnings and water resource management and 2) to develop a seamless high-resolution national 3D grid of radar reflectivity for severe weather detection, data assimilation, numerical weather prediction model verification, and aviation product development. Through about ten years of R&D, a real-time NMQ system has been implemented (). Since June 2006, the system has been generating high-resolution 3D reflectivity mosaic grids (31 vertical levels) and a suite of severe weather and QPE products in real-time for the conterminous United States at a 1-km horizontal resolution and 2.5 minute update cycle. The experimental products are provided in real-time to end users ranging from government agencies, universities, research institutes, and the private sector and have been utilized in various meteorological, aviation, and hydrological applications. Further, a number of operational QPE products generated from different sensors (radar, gauge, satellite) and by human experts are ingested in the NMQ system and the experimental products are evaluated against the operational products as well as independent gauge observations in real time. The NMQ is a fully automated system. It facilitates systematic evaluations and advances of hydrometeorological sciences and technologies in a real-time environment and serves as a test bed for rapid science-to-operation infusions. This paper describes scientific components of the NMQ system and presents initial evaluation results and future development plans of the system.

DOI

[5]
刘黎平,邵爱梅,葛润生,等.一次混合云暴雨过程风场中尺度结构的双多普勒雷达观测研究[J].大气科学,2004,28(2):278-284.利用国家重点基础研究发展规划项目"我国重大气象灾害形成机理和预测理论研究"2002年外场试验首次获取到的双多普勒雷达资料,研究了7月22～23日在长江中游的宜昌、荆州区域暴雨回波和风场的中尺度结构及演变过程.结果表明:本次暴雨是混合云降水所致,在层状云降雨区内有许多对流单体,这些对流单体常以带状结构组成回波群,对流云的回波强度和风场有明显的中尺度结构,与周围的层状云有很大差别.西南气流和东风形成的中尺度切变和辐合是造成强对流降水的主要原因,风场的中尺度结构主要发生在4 km以下的中下层.在对流回波周围,经常有中尺度切变、涡旋、辐合和辐散存在,这些风场的中尺度结构与对流云的演变有密切的关系,对强降水的发生和维持有重要影响.此项工作为分析中尺度暴雨的形成和演变机理提供了依据.

DOI

[ Liu L P, Shao A M, Ge R S, et al.A study of mesoscale wind structures in heavy rainfall system of merging cloud with dual-Doppler radar[J]. Chinese Journal of Atmosphere Science, 2004,28(2):278-284. ]

[6]
胡胜,伍志方,刘运策,等.新一代多普勒天气雷达广东省区域拼图初探[J].气象科学,2006,26(1):74-80.The basic technique, functions and key parameters of the Regional CINRAD Mosaic System is documented in this paper. And it is introduced that the system was applied to the severe convection weather and typhoon detecting and warning in Guangdong province recently.

DOI

[ Hu S, Wu Z F, Liu Y C, et al.The primary study about the Guangdong province regional CINRAD mosaic[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2006,26(1):74-80. ]

[7]
李柏,周玉淑,张沛源.新一代天气雷达资料在2003年江淮流域暴雨模拟中的初步应用:模拟降水和风场的对比[J].大气科学,2007,31(5):826-838.利用时间尺度密集的长沙、常德、合肥、南昌、南京、武汉和宜昌共7个站的新一代天气雷达（CINRAD-SA雷达）观测反演资料、TBB资料、常规的探空和地面观测资料、NCEP分析资料，与中尺度MM5模式相结合，以NCEP格点资料作为大尺度背静场，加入12 h间隔的探空、3 h间隔的常规地面观测资料及1 h间隔的雷达反演风廓线资料，进行全程四维同化模拟，考察中尺度数值模式MM5对2003年梅雨期间发生在湖南、安徽和江苏的暴雨过程（7月8～9日）的模拟能力。分析表明：除了模拟降水与实况接近以外（雨量和雨区），MM5模式输出的风廓线和从雷达观测反演得到的风廓线结果有很好的相似性，加入雷达反演风廓线资料后对模拟结果有一定改进，为进一步利用模式输出结果研究造成2003年江淮流域暴雨洪涝的中尺度对流系统的结构和机理提供了可能。

DOI

[ Li B, Zhou Y S, Zhang P Y.Application of the China new generation weather radar data to the torrential rain simulation over the Yangtze River-Huaihe River basin in 2003: Contrast of precipitation and wind[J]. Chinese Journal of Atmosphere Science, 2007,31(5):826-838. ]

[8]
祝婷,钟青.多普勒雷达基数据在短时对流天气数值预报中的应用[J].气候与环境研究,2008,13(3):281-290.ARPS模式中原本有处理多普 勒雷达Lev-III资料的模块,但在一个雷达测站只处理4个仰角的径向风和反射率的资料。在此基础上,进行修改扩充将我国20世纪末、21世纪初全国布 网的新一代多普勒雷达基数据Lev-II全部14个仰角的原始径向风和反射率资料应用于ARPS模式。对我国2003年7月一次特大暴雨过程的个例研究表 明,初始时刻加入多普勒雷达基数据的数值模拟,能改善短时0~12 h的降水范围、强度和降水中心的预报结果。即使在目前雷达初始化数值模式预报低谷区的3~4 h处,仍表现出较好的预报水平。因此,本文认为使用多普勒雷达资料初始化中尺度数值模式,能够弥补"spin-up(起转)"带来的副作用,表现在开始预 报的第1 h,就预报出雷达估计回波的强中心和大致分布,并且预报出与实况接近的降水;改变了由"spin-up"引起的回波估计预报延迟和预报前期没有降水的现 象。且试验表明提高数值模式分辨率,可以使多普勒雷达资料弥补"spin-up"副作用的能力更明显。多普勒雷达资料应用于数值模式之所以有这种能力,是 由于从多普勒雷达资料可以得到云和降水场的信息,一方面为模式微物理变量提供初值,填补了初始时刻云微物理量的空白,使随后的微物理量演变进程更加合理 化,从而对降水预报产生正面影响;另一方面,为中尺度模式的非绝热初始化提供对流尺度数据源,对潜热、动力场和湿度进行调整,有效地实现模式的"hot- start(热启动)",缩短了"预热"时间。

DOI

[ Zhu T, Zhong Q.Application of Doppler raw radar on meso-scale model for convection nowcasting and short-range forecast[J]. Climate and Environment Research, 2008,13(3):281-290. ]

[9]
李哲,杨大文,洪阳,等.基于天气雷达的长江三峡区间降雨定量估测方法[J].水力发电学报,2014,33(3):29-35.

[ Li Z, Yang D W, Hong Y, et al.Radar-based quantitative precipitation estimate in the three gorges region of Yangtze River[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2014,33(3):29-35. ]

[10]
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):1772-1784.<p>准确分析雷达的覆盖能力是应用新一代天气雷观测数据的重要基础,本文提出依据0 ℃层高度和雷达波束阻挡来分析雷达降水估算有效覆盖范围的方法,并以浙江为例,客观评估了新一代天气雷达针对降水估算的区域覆盖能力。分别评估雷达网当前业务中默认的降水估算混合扫描方法和考虑地形影响的混合扫描方法的覆盖效果,结果表明:相对SA雷达230 km的降水估算半径,本地主汛期内有17%的区域因波束太高而不适宜于降水估算;而在适宜高度范围内的有效覆盖与波束阻挡直接相关;无论哪种方法,因波束阻挡产生的盲区都较小;而业务默认方法由于未处理波束阻挡,导致35%的降水低估风险区,浙江大部分地区都存在低估风险;而考虑波束阻挡后有效覆盖区达82%以上,且对全年绝大部分降水的区域覆盖效果都相当好。鉴于浙江雷达网良好的覆盖能力,提出改进的雷达降水估算混合扫描方法,即在应用波束阻挡的同时,以本地0 ℃层为波束高度约束,从所有仰角中提取混合扫描数据。对比分析表明,该方法不仅满足区域覆盖的要求,而且估算的降水空间分布与地面观测实况的一致性最好。</p>

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[ Wang H Y, Liu L P.Assessment of CINRAD reginal coverage for quantitative precipitation estimation[J]. Plateau Meteorology, 2015,34(6):1772-1784. ]

[11]
万玉发,杨洪平,肖艳姣,等.多普勒天气雷达站址视程的客观分析技术[J].应用气象学报,2000,11(4):440-447.开发了多普勒天气雷达候选站址视程的客观分析软件。该软件根据候选站及其四周一定范围内的地球信息，十分快速地求算和自动绘制雷达单站的遮蔽角图、系列等射束高度图和多个雷达站Mercator或Lambert投影方式下的等射束高度拼图，提供了分析和评价候选站雷达有效视程和相关雷达网共同覆盖效果以及定量应用雷达资料的客观工具。

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[ Wan Y F, Yang H P, Xiao Y J, et al.An objective method for analyzing the horizon of Doppler weather radar station[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2000,11(4):440-447. ]

[12]
杨洪平,张沛源,程明虎,等.多普勒天气雷达组网拼图有效数据区域分析[J].应用气象学报,2009,20(1):47-55.在正常情况下，由于天线仰角和地球曲率原因，雷达波束位置在远距离处要比近距离处高。当雷达电磁波能量被部分阻挡时，回波强度观测值低估；被完全挡住时，探测不到地物后的目标。该文利用高分辨率地形高程数据计算波束阻挡率，确定组网拼图有效数据区域以及波束部分阻挡时的回波强度订正方法。根据业务观测模式VCP11及VCP12的14个仰角值，在标准大气假定下，对湖南、江西、浙江、福建、广东、广西和海南已建多普勒天气雷达组网的数据有效区域进行计算，绘制出海拔1500 m， 3000 m和6000 m高度上有效区域图。分析结果表明：CAPPI数据有效范围比等射束高度图更能反映出多普勒天气雷达业务观测范围；若采用VCP12模式观测，与采用VCP11或VCP21模式观测相比，不仅增加低层探测密度，而且可扩大雷达实际探测距离，其回波数据更适合于组网拼图。

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[ Yang H P, Zhang P Y, Cheng M H, et al.The valid mosaic data region of the CINRAD network[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009,20(1):47-55. ]

[13]
王曙东,裴翀,郭志梅,等.基于SRTM数据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.利用航天飞机雷达地形测绘数据（Shuttle Radar Topography Mission,SRTM）3 s高分辨率地形数据对全国已建成的158部新一代天气雷达分别进行了地形遮挡和覆盖能力计算,并提出了3个定量指标：覆盖比、高度-面积指数和等效覆盖半径。按照这些指标,对各雷达进行了计算和统计,并分析典型雷达站点的覆盖和遮挡情况。同时综合评估了全国雷达网的覆盖能力,结果表明青藏高原地区和西北地区覆盖较少,东部地区除部分山区雷达遮挡严重,大部分覆盖较好,全国1、2、3 km高度的覆盖率分别为16.9%、38.8%、52.8%,东部地区相应覆盖率达27.1%、59.8%、76.8%。0~3 km高度范围内,东南到华南沿海地区普遍有2个雷达重叠,华东到华北平均有2~4个雷达重叠,内蒙古中部和东北地区平均有1~2个覆盖重叠。可以认为我国雷达总体布局较好。

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[ Wang S D, Pei C, Guo Z M, et al.Evaluations on Chinese next generation radar coverage and terrain blockage based on STRM data[J]. Climate and Environment Research, 2011,16(4):459-468. ]

[14]
林珍铭,夏斌,董武娟.基于信息熵的广东省土地利用结构时空变化分析[J].热带地理,2011,31(3):266-271.运用信息熵对广东省1996-2008年的土地利用结构变化进行时间序列和空间差异分析,并对影响其信息熵变化的因素进行分析.研究结果表明:①广东省土地利用结构信息熵在研究期间呈逐年上升趋势,均衡度逐年上升,优势度逐年下降,说明广东省土地利用系统的有序性在降低,结构性减弱,均衡度增加；②信息熵的空间差异大,其空间分异规律表现为由沿海地区向内陆山区递减；四大区域的信息熵大小表现为东翼＞西翼＞珠三角＞山区.运用SPSS进行相关分析可知:①广东省土地利用变化主要表现为耕地、林地和未利用地的减少及园地、其它农用地、居民

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[ Lin Z M, Xia B, Dong W J.Analysis on temporal-spatial change of land-use structure in Guangdong province based on information entropy[J]. Tropical Geography, 2011,31(3):266-271. ]

[15]
Bamler R.The SRTM mission: A world-wide 30m resolution DEM from SAR interferometry in 11 days[C]. Berlin: Wichmann Verlag Heidelberg, 1999:145-153.

[16]
陈俊勇. 对SRTM3和GTOPO30地形数据质量的评估[J].武汉大学学报·信息科学版,2005,30(11):4-7.

[ Chen J Y.Quality evaluation of topographic data from SRTM3 and GTOPO30[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2005,30(11):4-7. ]

[17]
尹忠海. 利用高分辨率DEM数据提高雷达测雨精度的方法[J].安徽农业科学,2016,44(14):218-224.

[ Yin H Z.Improvement of the radar measurement accuracy of rainfall with DEM data[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2016,44(14):218-224. ]

[18]
Rinehart R E.Radar for meteorologists[M]. Grand Forks: University of North Dakota, Office of Pre, 1991:1-334.

[19]
王德旺,刘黎平,仲凌志,等.毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别[J].气象,2012,38(6):712-721.云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天 气指挥和效果评估，数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置，根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分 析（其中确认融化层明显个例34次），系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况，包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融 化层的强度变化，并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子（R）和退偏振因子（Ldr）垂直廓线数据，根据参量在融化层附近显著变化特 性，识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比，反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近，位于探空 资料观测的0°层下方，而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。

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[ Wang D W, Liu L P, Zhong L Z, et al.Analysis of the characters of melting layer of cloud radar data and its identification[J]. Meteorological Monthly, 2012,38(6):712-721. ]

[20]
戴铁丕,傅德胜,姜冬梅.零度层亮带和大气折射对雷达测定区域降水量精度的影响[J].南京气象学院学报,1991,14(1):105-112.

[ Dai T P, Fu D S, Jiang D M.Effects of the zero-layer bright band and atmospheric refraction on the precision of regional rainfall measured by radar[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 1991,14(1):105-112. ]

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