- 1 - 天气雷达立体处理的研究天气雷达立体处理的研究 武娜，王贤勤，佘勇 成都信息工程学院，成都（610225） 摘摘 要要：在 CINRAD SA 中，由于扫描策略的影响，即使在雷达的有效探测半径内，也有很 多区域不能被观测到。因此针对以上不足，比较了 VCP11、VCP21 两种模式的差异并阐述、 分析了三种插值方法，以期对灾害性天气进行更好的探测和预报。 关键词：关键词：天气雷达；体扫数据；立体扫描模式；插值 1. 引言引言 监测、 预报和研究中尺度天气系统一直是气象工作者的重要任务， 也是大气科学中的一 大难题。在探测人类赖以生存的大气的各种实践中，天气雷达以其高时空分辨率、及时准确 的遥感探测能力成为灾害性天气， 特别是中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面极 为有效的工具1。自 20 世纪 50 年代开始，天气雷达就被运用于气象领域。我国是暴雨、 冰雹、 龙卷等中尺度灾害性天气多发地区， 对这些灾害性天气发生发展的监测和预警预报服 务十分重要。 然而， 固定在地面的单部雷达的探测范围非常有限， 不能覆盖更大尺度的天气系统或单 部雷达探测范围以外的强对流天气系统。 并且由于扫描策略以及地球曲率等因素的影响， 即 使在雷达的有效探测半径内， 也有很多区域不能被雷达观测到。 这些缺陷阻碍了我们对灾害 性天气系统完整细致的跟踪观测，从而降低了我们对这些天气系统的监测和预报能力.因此， 为了提高对中尺度灾害性天气的研究以及预警报能力，采取相应的措施就显得尤为重要。 2. 新一代天气雷达扫描方式新一代天气雷达扫描方式 雷达原始资料的空间分辨率与雷达天线的扫描方式有关。新一代天气雷达有两种工作模 式：降水模式和晴空模式2。工作模式决定使用哪种体扫模式（VCP） ，目前，新一代天气 雷达定义了三种体扫模式：VCP11、VCP21和VCP31。降水模式使用VCP11或VCP21，晴空 模式使用VCP313。VCP确定了具体的扫描方式，即在一次体积扫描中使用的仰角和时间。 新一代天气雷达使用三种扫描方式，VCP11对应的扫描方式为5分钟完成14个不同仰角上的 扫描；VCP21对应的扫描方式为6分钟完成9个不同仰角上的扫描。表2.1列出了两种扫描方 式使用的具体仰角。图2.1给出了VCP11、VCP21扫描方式的雷达波束在标准大气折射下的 传播路径，其中虚线是波束轴线，实线是波束顶和波束底，图中纵坐标的高度是指雷达天线 以上的高度。波束传播路径采用了4/3有效地球半径模式4。 表 2.1 体扫模式 VCP11、VCP21 的具体仰角 仰角序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 VCP11() 0.5 1.452.4 3.35 4.35.256.27.5 8.7 10.012.0 14.0 16.7 19.5 VCP21() 0.5 1.452.4 3.35 4.36.0 9.914.619.5 - 2 - 图 2.1 VCP11、VCP21 扫描模式下的仰角及在标准大气下的波束传播路 2.1 VCP11、VCP21 两种模式在垂直方向上采样层次的比较两种模式在垂直方向上采样层次的比较 图 2.1.1 两种模式垂直方向上 70KM、140KM 距离处采样的比较 上图为两种模式在垂直方向上采样的比较（假定雷达天线高度为零） ，在 70KM 距离 处，13KM 高度以下，VCP11 采集的数据有 10 个，而 VCP21 仅 7 个，且 8KM 以上只有 1 个；在 140KM 处，高度约 16KM 以下，两种模式采集的数据分别为 7 个和 6 个。 3. 插值方法插值方法 本章使用了三种方法把球坐标系下的雷达反射率因子值内插到笛卡尔坐标系下的经纬 度高度网格点上5,6。 1） 径向和方位上的最近邻居和垂直线性内插法 （nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linear interpolation in vertical direction，简称 NVI） 图 3.1 垂直和水平线性内插示意图 (r,a,e ) 1 (r,a,e ) (r ,a,e ) (r ,a,e ) 2 21 (r,a,e) 2 1 - 3 - 如图3.1 所示, ( r , a , e) 是某一网格点在雷达球坐标系中的位置, r 为斜距, a 为方位角, e 为仰角。e 位于其上下相邻仰角 e2 和 e1 之间。( r 2, a , e2 ) 和( r1 , a , e1 ) 分别是经过该 网格点的垂线(仰角低于 20时,垂直方向可用仰角方向近似) 与其上下仰角波束轴线的交点, 那么该网格点的分析值f a ( r , a ,e) 可以用这两点的分析值f a ( r2 , a , e2 ) 和f a ( r1 , a ,e1) 进 行垂直线性内插得到,即: f a ( r , a , e) = we1f a ( r1 , a , e1) + we2f a ( r 2, a , e2) ( we1+ we2) - 1 图3.2 垂直线性内插示意图 其中 we1与 we2分别是给予 f a ( r1 , a , e1) 和 f a ( r2 , a ,e2) 内插权重: we1= ( e2 - e) / ( e2 - e1) (3.1) we2= ( e - e1) / ( e2 - e1) (3.2) f a ( r2 , a , e2) 和 f a ( r1 , a , e1) 分别等于最靠近点( r2 , a , e2) 和( r1 , a , e1) 的雷达距离 库的观测值,它们的获取采用了径向和方位上的最近邻居法。 图 3.3 中 ri - 1 , ri , ri + 1为相邻距离库, aj - 1 , aj , aj + 1为相邻方位角,两条虚线是波束的半功 率线,由半功率线和半距离库所围成的梯形区是距离库 ri 的影响区,在径向、 方位方向上落在 这个梯形区的点( r , a) 的分析值 f a ( r , a) 都用距离库 ri 的观测值 f o ( ri , aj ) 来赋值,即 f a ( r , a) = f o ( ri , aj) 。 图 3.3 径向、方位上的最近邻居示意图 - 4 - 2）垂直水平线性内插法（linear interpolation in vertical direction plus a horizontal interpolation，简称 VHI） 如图 3.4 所示，),( 2 ear和),( 1 ear分别是经过网格点),(ear的垂线与其上下仰角波 束轴线的交点，),( 21 ear、),( 12 ear分别是经过该网格点的水平线与其相邻上下仰角波束 轴线的交点，该网格点的分析值),(earf a 可以用这四个点的分析值),( 2 earf a 、 ),( 1 earf a 、),( 21 earf a 、),( 12 earf a 通过垂直和水平内插得到，其中这四个点的分析 值通过径向和方位的最近邻居法得到，那么有： 2121 1222112211 ),(),(),(),( ),( rree a r a r a e a ea wwww earfwearfwearfwearfw earf + + = 其中， 1r w、 2r w分别是给与),( 21 earf a 、),( 12 earf a 的内插权重： )/()( 1221 rrrrwr= (3.3) )/()( 1212 rrrrwr= (3.4) 且有 21 sin/sineerr =， 12 sin/sineerr =。 1e w、 2e w见（3.1）和（3.2）式。 3）8点插值法（dual linear interpolation using data from eight points around grid cell，简称 EPI） 如图3.5所示， 某一网格点),(ear落在由),( 1111 earf o 、),( 1122 earf o 、),( 1213 earf o 、 ),( 1224 earf o 、),( 2115 earf o 、),( 2126 earf o 、),( 2217 earf o 、),( 2228 earf o 围成的锥 体内，则该网格点的分析值),(earf a 可由这8个点的观测值进行双线性内插获得。 )()( )()(),( 28271162512 24231122111 a o r o ra o r o re a o r o ra o r o re a wfwfwwfwfww wfwfwwfwfwwearf + += 其中， 1a w、 2a w为方位内插权重： )/()( 1221 aaaawa= （3.5） )/()( 1212 aaaawa= （3.6） 1r w、 2r w见（3.3）和（3.4）式， 1e w、 2e w见（3.1）和（3.2）式。 图 3.4 垂直和水平线性内插示意图 (r,a,e ) 1 (r,a,e ) (r ,a,e ) (r ,a,e ) 2 21 (r,a,e) 2 1 - 5 - 4. 插值结果及结果分析插值结果及结果分析 图 3.6 为 NVI、EPI 插值运算后 CAPPI 图象以及差异显示窗口界面的整体效果。图 3.7 给出的是用 NVI、VHI 内插得到 2005 年 5 月 28 日 19：44 的 3KM 高度的水平剖面。从下 图可以看出，使用 NVI 插值算法完成雷达体扫数据的空间所有点插值所用的时间比 EPI 插 值运算所花时间要长，比 VHI 插值运算时间要短。 1）NVI 方法插值结果 从图 3.6 和 3.7 中可看出，用 NVI 方法得到的 3km 高度的水平剖面上的回波比较连续。 这是因为 NVI 方法在垂直方向采用了线性内插，保留了垂直方向的回波梯度，而相邻雷达 观测值在方位和斜距方向的间距比仰角方向的要小， 因而在方位和斜距方向采用最近邻居法 没有明显影响插值后的回波连续性，而是更加真实地保留了反射率资料的原有结构特征。 2）VHI 方法插值结果 从图 3.7 中可看出，用 VHI 方法得到的 3km 高度的水平剖面上的回波有不连续现象。 VHI 方法在垂直和水平方向上都采用了线性内插， 由于雷达观测值在笛卡尔坐标系下的等高 面上的径向分辨率非常粗糙， 即相邻资料库的间距非常大， 因而水平方向的线性内插可能会 引起回波在水平方向的扩展，强回波区的强度可能会变弱，弱回波区的强度可能会变强。 3）EPI 方法插值结果 从图 3.6 中可看出，用 EPI 方法得到的 3km 高度的水平剖面上的回波比较连续。用 EPI 方法得到的结果与用 NVI 方法得到的结果很相似，但是，由于 EPI 方法在径向、方位和仰 角方向都采用了线性内插，所以得到的结果比 NVI 方法得到的结果更加平滑。 图 3.5 8 点内插示意图 f2o f1 o f4 o o f5 o f3 f8 o f7 o o f6 - 6 - 图 3.6 NVI、EPI 插值比较结果 图 3.7 NVI、VHI 插值比较结果 5. 总结语总结语 国外正在试验适合各种天气类型的新体扫模式，如探测强对流的 VCP Gamma 模式，我 国目前在这方面的试