利用高分辨率DEM数据提高雷达测雨精度的方法

尹忠海

(湖南省气象台,湖南长沙 410007)



利用高分辨率DEM数据提高雷达测雨精度的方法

尹忠海

(湖南省气象台,湖南长沙 410007)

摘要利用高分辨率的数字高程模型(DEM)数据和0 ℃层高度值，在假定标准大气折射条件下，综合考虑周边地物的阻挡和0 ℃层亮带因素，根据目前雷达常使用体扫模式VCP21，计算了湖南省7部雷达的波束阻挡仰角分布及雷达定量估测降水产品的探测范围。结果表明，对于湖南的4月份，长沙、常德、岳阳、怀化、邵阳、永州和郴州雷达的探测半径分别是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50、144.17 km，岳阳雷达的探测范围最大，而怀化雷达的探测范围最小；对汛期而言，应用湖南省建设的雷达网，获取的定量估测降水业务的探测范围在消除0 ℃层亮带影响的同时基本能实现对全省区域的降水监测，有利于提高定量估测降水的精度。

关键词定量估测降水；地形阻挡；雷达反射率因子；DEM数据

影响雷达定量估测降水精度的原因有多种，如垂直气流运动[1]、雷达系统本身[2]、冰雹干扰等[3-4]，0 ℃层亮带[5]、地形阻挡[6-8]对雷达定量估测降水的精度有较大的影响，许多学者对多普勒天气雷达的地形阻挡影响进行了定量化研究[9-13]，国内也有一些学者开展了波束阻挡的相关应用研究，发现0 ℃层亮带和波束阻挡均是造成雷达定量估测降水误差的重要因素[14-16]，但综合这2种因素对雷达定量估测降水的影响的研究还很少。

湖南地形呈马蹄形分布，一些雷达产品受到严重的地形遮挡[17]，而随着国家经济实力的增加，一个省建设多部天气雷达构成一个区域网已成为现实，使得在满足雷达降水产品探测范围要求的基础上进一步提高测量降水的精度成为可能。笔者利用高分辨率的数字高程模型(DEM)数据和0 ℃层高度值，基于减小0 ℃层亮带和波束阻挡影响，计算了湖南省7部雷达的波束阻挡仰角分布及雷达定量估测降水产品的探测范围，以提高雷达定量估测降水的精度，可为山洪地质灾害防御工程的区域自动站站网布点和特殊地形的雷达体扫模式的设计提供参考依据。

1资料与方法

1.1数据来源

1.1.1数字高程数据(DEM)。湖南省目前业务运行有7部雷达，分别是长沙、岳阳、常德、怀化、邵阳、永州和郴州雷达，除了怀化是C波段雷达，其余均是S波段雷达，各雷达相关参数见表1。DEM数据来自国际热带农业中心(International Centre for Tropical Agriculture)网站的STRMV3数据[18]，每一个数据文件起始经纬度均是5的倍数，大小为5°×5°，网格分辨率为0.000 833 333 333 333 33°(约为90 m)，共有6 000×6 000个数据。提取数据范围包含湖南省所有7部雷达的探测范围(假定每部雷达的探测半径为2.30°)。设定每部雷达计算的经纬度范围是边长为L(缺省值为4.6°)的正方形区域，雷达站在区域的中心，针对雷达站的具体位置，从若干个DEM数据文件中提取出计算范围的DEM数据。

表1　湖南新一代天气雷达参数

1.1.20 ℃层高度值。0 ℃层高度的数据利用湖南省长沙、怀化、郴州3个探空站的探空数据计算得到。依据现行雷达业务观测的业务规范，汛期雷达24 h连续开机是从每年的4月15日开始，到9月30日结束，利用2004～2013年湖南汛期的08:00和20:00的探空站数据，将每一个探空站的位势高度值和对应的温度数据通过内插方法得到0 ℃层高度，再统计求得湖南汛期的逐月平均值。4～9月份0 ℃层高度分别为4.00、4.69、5.08、5.27、5.19和4.99 km。目前新一代天气雷达的所有定量估测降水产品的设计范围均是230 km，参照回波高度查算图[19]，并考虑雷达站的海拔高度，即使是最低的扫描仰角，在绝大部分时间段，实际上湖南省所有雷达在230 km处的回波高度均超过了0 ℃层亮带的高度，而用0 ℃层亮带回波估算降水会造成严重的高估[20-21]。该研究以4月为参考，即取汛期的0 ℃层高度最小值(Hs=4.00 km)作为个例进行计算与分析，其他月份的计算方法完全类似，且有更大的降水监测范围。

1.1.3雷达扫描仰角的选取。目前新一代天气雷达的扫描模式有VCP21、VCP11、VCP31和VCP32，其中VCP31和VCP32主要用于晴空探测，称为晴空工作模式，VCP21和VCP11主要用于降水探测，称为降水工作模式，但实际业务操作上均是选用VCP21体扫模式，因而选用VCP21中设定的仰角模拟计算波束阻挡率。VCP21的体扫模式是6 min内扫描9层，从低到高各层的仰角值为0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°、6.00°、9.90°、14.60°、19.50°。

1.2原理与方法在分析雷达波束阻挡过程中，常用阻挡仰角(或称为遮挡仰角)、波束阻挡率、混合扫描仰角、等射束高度图(或称为等高度射束图)及高度射束图拼图等参数来描述。根据文献[22]，在假定标准大气折射指数条件及雷达波束传输模型下，获取经波束订正的区域内雷达定量估测降水的反射率因子探测范围的计算流程为：首先计算地形的阻挡仰角，根据设定的扫描仰角由阻挡仰角数据计算波束阻挡率，再由波束阻挡率数据计算混合扫描仰角，最后由混合扫描仰角数据和0 ℃层高度值得到等射束高度图，并将其拼接起来，由此构成某区域提取用于定量估测降水的雷达反射率因子的范围。计算等射束高度图时所用的高度参数是由湖南省探空站数据计算获得的0 ℃层高度值。

1.2.1地形阻挡仰角的计算。地形阻挡仰角是假定在标准大气折射条件下，某一高度的地形相对于雷达天线的仰角，其实际就是由DEM数据中的经纬度、海拔高度参数依据雷达波束的传输模型[23]计算其相对应的雷达坐标。设雷达站的经度、纬度和海拔高度分别为αr、βr、hr，DEM网格点的经度、纬度和海拔高度分别为αg、βg、hg，网格点用其中心坐标作为代表，则网格点的方位角α、仰角e、斜距r计算公式分别为[24]：

(1)

(2)

r=sin(s/Rm)(Rm+hg-hr)/cos(e)

(3)

s=Rcos-1[cos(π/2-βr)cos(π/2-βg)+sin(π/2-βr)sin(π/2-βg)cos(αg-αr)]

(4)

式中，s是地球上某两点间的大圆距离；Rm、R分别为等效地球半径和地球半径，Rm=kR，k取4/3。

由于sin-1的取值范围是[-π/2,π/2]，需根据网格点相对于雷达站的位置确定实际的方位角：

(5)

设阻挡仰角的网格分辨率为0.1°×1 km，每层仰角的网格数为3 600×230，由DEM数据求得阻挡仰角的计算方法为：①求取每一个仰角网格的DEM数据的计算区域。以最大的距离库为样本，计算距离库中心到库顶点的距离，以其中最大距离作为计算范围的半径(L)，则每个距离库的计算范围就是以距离库中心为中心的圆的外接正方形区域。②DEM数据转换成雷达坐标。在逐个计算距离库的阻挡仰角时，由距离为外循环变量、方位为内循环变量将该范围所包含DEM数据根据公式(1)～(5)转换成雷达坐标。③计算距离库的阻挡仰角。根据计算得到的雷达坐标，识别出属于该距离库的DEM数据，然后用平均法求出该距离库的阻挡仰角。④验证。计算下一个邻近方位距离库的阻挡仰角时，先确定2次计算范围的重叠区并标识，从而不用重覆计算，提高了计算效率，通过验证，每一个DEM数据均归入到某个距离库中。

在求每一个距离库的计算范围的地理位置时需要求得距离库中点的经纬度(α，β)，其方法为：假定某距离库中心的坐标为(φ，θ，Lc)，其中φ、θ、Lc分别称为空间某点的方位角、仰角和斜距长，雷达站的经纬度为(α0，β0)，则在标准大气折射条件下，计算公式为[25]：

(6)

(7)

(8)

式中，S为空间某一点到雷达之间的地面距离，α、β就是所求的经度和纬度，其余符号意义参见公式(1)～(4)。

1.2.2波束阻挡率的计算。波束阻挡率定义为有效照射体积(波束)内因地形等障碍物阻挡而损耗的功率比。根据定义有：

(9)

式中，θ、φ分别是水平方位与垂直方向相对波束主轴的角度差，G为天线增益函数，O为波束阻挡率。假设波束图为高斯模型[19，26]，采用离散化波束截面方法,并考虑θ、φ的取值范围，某方位、某仰角、某距离上的雷达波束的波束阻挡率可转化为[27-28]：

(10)

式中，B(n)为波束扩展区域第n个方位上的阻挡程度，W(|n|)是B(n)对整个波束阻挡率的贡献权重，它们的表达式如下：

(11)

(12)

式中，θ1、φ1分别为雷达的水平和垂直波束宽度(均取0.95)；m为阻挡高度的标准值，取值范围为-15～15的整数。在计算时可以先将所有可能的B(n)和W(|n|)计算出来，通过n值直接取相应的值，然后由(10)式即可求出波束阻挡率值。

1.2.3混合扫描仰角的计算。混合扫描仰角是指波束阻挡率小于给定阈值Te，且波束下限阈值(波束底部越过地形的高度)大于给定阈值Th的最低观测仰角[29]。针对实际运行的体扫描模式又提出了业务混合扫描仰角的概念。由于在距离雷达站较远距离波束底部大多超过地物150 m，而靠近雷达站区域由于波束展宽很小，地物对取样体的回波强度的影响也很小，同时某仰角层数据与其上一层数据往往相差较大，因不符上述条件而只能采用更高层数据代替较低一层数据。参照文献[11]，针对定量估测降水而言，规定业务混合扫描仰角为波束中心的高度在限制高度Hs内，波束阻挡率小于等于阈值Te(缺省值50%)的雷达业务扫描仰角。该研究根据新一代天气雷达业务中通常使用的VCP21体扫模式来计算业务混合扫描仰角。

1.2.4反射率因子的构成范围。等射束高度图是由所有方位的混合扫描仰角(最低观测仰角)的雷达射束中心轴线到达设定高度阈值(Hs)的径向距离点的集合。它定量表征了雷达站向各方向的探测能力，实际说明了适用某种应用需求的雷达探测范围。结合湖南的实际，对于定量估测降水而言，一般高度应不高于0 ℃层亮带的高度[11]，因而可利用0 ℃层高度值作为限制高度，来计算反射率因子的构成范围，可基本满足实际的需要。参照测高公式[23，30]：

(13)

根据H=Hs，由测高公式转换为求斜距的公式:

L2+2[(Rm+hr)sinδ]L+(hr-H)(2Rm+H+hr)=0

(14)

式中,Rm是等效地球半径，hr是雷达天线海拔高度，H是高度，δ是探测仰角，L是波束的斜距。解此一元二次方程即可求得斜距，即每一根径向所取数据的最远距离。

2结果与分析

2.1长沙雷达反射率因子的构成

2.1.1地物阻挡仰角。以长沙雷达站为例，提取的DEM数据见图1，雷达站的东北方向10 km附近及雷达站正西方70 km附近有一些相对较高的地形。在计算阻挡仰角时，应要验证算法的正确性，即要确定是否每一个DEM数据均归入到某距离库内，为此给每一个网格相应地设置一个中间逻辑变量，以判断其是否被遗漏，计算结果表明确实所有的网格均归属到距离库中，从而证实了方案可行性。从图2可看出，在长沙雷达站的NNE方向、东北偏南方向和西边有>0 ℃的阻挡仰角，最大值达0.35°，NNE方向有可观的阻挡仰角，与图1雷达站附近的较高的地物有较好的对应关系。在雷达站附近NNE方向的地物其实中间还是有条无阻挡缝隙，用实际的0.50°反射率因子产品(图3)分析发现在雷达坐标NNE方向附近，有1条明显比两侧回波略强的径向方向的“窄带”回波，这对应了阻挡仰角在这个方向的分布情况；同时雷达站西边及略偏南的回波相对周边的回波有所偏弱，充分证实了阻挡仰角的计算结果的正确性，而这种波束的部分遮挡预报员是较难发现的。

注：每一个距离圈间隔0.5°，最外圈的间隔是0.3°,右侧色标表示海拔(m)，白色实线是湖南省省界。Note: Interval between laps: 0.5°; interval of outermost lap: 0.3°; color at right: altitude (m); white solid line: Hunan provincial boundary.图1　长沙雷达周边地形数字高程Fig. 1　Digital topographic elevation surrounding changsha radar

图2　长沙雷达地物阻挡仰角Fig. 2　Elevation angle of Changsha radar because of barrier layer

图3　2010年6月19日14:19长沙雷达反射率因子Fig. 3　Radar reflectivity factor of Changsha radar at 14:19 on June 19th,2010

图4　长沙雷达0.50°仰角波束阻挡率Fig. 4　Barrier ratio of changsha radar beam at 0.50° elevation angle

2.1.2波束阻挡率。由于长沙雷达的阻挡仰角最大值为0.35°，所以仅需计算体扫中的最低一个仰角0.50°的波束阻挡率，第2层及以上仰角的波束阻挡率必然是0。由图4可见，在雷达站的东北方向和正东方向存在波束阻挡率>10%的区域，但所有的波束阻挡率值≤50%，表明长沙雷达有较好的探测环境，只要经过适当的波束订正，取第1层仰角的扫描数据作为雷达定量估测降水的反射率因子是最为合理的。2.1.3长沙雷达混合扫描仰角。由图5可见，长沙雷达混合扫描仰角就是雷达体扫模式VCP21的第1层仰角(0.50°)，但考虑0 ℃层亮带等因素的影响，构成定量估测降水的反射率因子面积为98 422.96 km2、等效探测半径为177 km的圆形区域，比其降水产品设计的范围小。

图5　长沙雷达混合扫描仰角(单位：°)Fig. 5　Mixed scanning elevation angle of Changsha radar

2.2其他雷达的反射率因子构成

2.2.1阻挡仰角。根据雷达站的地理位置，获取怀化雷达的周边地形数据需要2个DEM文件，其他5部雷达需要4个DEM数据文件。由图6可知，在常德雷达的西北方向存在轻微的地形遮挡，最大阻挡仰角为0.18°，相对于现行雷达业务运行的VCP21体扫模式而言，即使是最低探测仰角其波束也仅有很小的阻挡。在岳阳雷达的西北到东南方向存在一定程度的地形遮挡，最大阻挡仰角为0.89°，根据波束完全阻挡的定义，0.50°扫描仰角在此方向被完成全阻挡，必须采用第2层仰角的数据来估算降水；而在雷达站的西侧完全没有地形遮挡。对于怀化雷达而言，仅其西南方向有一小部分扇形区域无地形遮挡，低层的雷达波束绝大部分区域均受到不同程度的地物阻挡，最大阻挡仰角达4.21°，即使在雷达扫描层第5层仍有波束被部分阻挡，而根据WSR-88D的定量估测降水算法最多只取最低的4层仰角数据，则这部分区域因无数据而无降水值。邵阳雷达大部分区域也有地形遮挡，主要在其西北方向有较严重阻挡，最大阻挡仰角1.73°，雷达扫描的第2层仰角仍有被完全阻挡的波束。永州雷达的北到东北方向扇形区域地物阻挡角较小，其他区域均有不同程度的地形阻挡，最大阻挡仰角达2.43°。郴州雷达在其北部和西部扇形区域没有地形遮挡，而在其西北部和东北到西南西区域存在明显的地物阻挡，特别是东南方向区域阻挡严重，最大阻挡仰角达3.87°，即使是雷达体扫模式中的第4层也有少部区域被完全阻挡。由此可知，湖南省7部雷达均存在波束被阻挡情况。

注：a.常德；b.岳阳；c.怀化；d.邵阳；e.永州；f.郴州。Note:a.Changde; b.Yueyang; c.Huaihua;d.Shaoyang; e.Yongzhou;f.Chenzhou.图6　湖南省各探空站雷达地物阻挡(单位：°)Fig 6　Topographic barrier to radar in each station of Hunan Province

2.2.2混合扫描仰角。反射率因子的构建可由混合扫描仰角来表述。实际业务运行的混合扫描仰角是应用雷达波束阻挡率是否超过设定的阈值的方法来确定。根据每一个距离库地物阻挡仰角数据，从第1层仰角开始计算，如果某距离库的阻挡率超过阈值Te(缺省值50%)，则用第2层仰角值计算，依此类推，直到距离库的波束阻拦率小于等于阈值Te为止。利用每层仰角的阻挡率，并根据定量估测降水的高度阈值Hs(以湖南4月为例，缺省值4.00 km)，计算每一个方位射线所能到达的最远距离，从而确定了每一根径向扫描仰角及其径向距离。

从图7可知，常德雷达混合扫描仰角全部由0.50°构成，虽然在雷达西北方向有大于0°的地物阻挡角，但由于其波束阻挡率<50%，所以只要对该层有阻挡的区域的反射率因子进行适当订正，可采用此层的数据进行定量降水估算。岳阳雷达混合扫描仰角分别由0.50°、1.45°组成，即在西部和西南方向部分区域第1层数据被完全阻挡，采用第2层仰角的反射率因子来定量估测降水值。怀化雷达混合扫描仰角由5层仰角构成，从低到高分别是0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°，仰角值越大说明阻挡越严重，第1层仰角数据所覆盖的方位范围不到所有方位角的1/3，特别是雷达站南到东南方向只能采用第4层甚至第5层反射率因子数据估测降水，总的来说，怀化雷达受地形阻挡是相当严重的,构建反射率因子较为复杂。邵阳雷达混合扫描仰角由体扫描模式的最低3层仰角组成，大部分区域还是可以采用0.50°仰角的数据，在雷达的北部大部区域采用1.45°仰角数据，甚至个别区域采用2.40°仰角的数据。永州雷达混合扫描仰角由0.50°、1.45°、2.40° 3层仰角组成，在雷达北部及东北部探测环境较好，基本没有地物阻挡，而在西北到东南方向是采用第2层仰角数据，主要在东南东方向采用第3层仰角数据。郴州雷达混合扫描仰角由5层仰角组成，可见地物遮挡较严重；除在雷达的西南西方向到东北方向地物遮挡区域较小外，在西南和东南方向遮挡较严重，特别是在东南方向局部地区，只能采用第5层仰角的数据，探测范围<50 km。

从表2可知，长沙雷达的反射率因子覆盖面积为98 422.96 km2，全部由0.50°仰角数据构成，等效探测半径为177.00 km；常德雷达的面积为100 659.77 km2，也是由0.50°仰角数据覆盖，其等效探测半径为179.00 km；岳阳雷达的覆

注：a.常德；b.岳阳；c.怀化；d.邵阳；e.永州；f.郴州。Note:a.Changde; b.Yueyang; c.Huaihua;d.Shaoyang; e.Yongzhou;f.Chenzhou.图7　湖南省各探空站雷达混合扫描仰角Fig. 7　Radar mixed scanning elevation in each station of Hunan Province

站名Station探测面积Detectionarea∥km20.50°1.45°2.40°3.35°4.30°合计Total探测半径Detectionradius∥km长沙Changsha98422.96000098422.96177.00常德Changde100659.770000100659.77179.00岳阳Yueyang109457.532054.91000111512.44188.40怀化Huaihua27207.8116085.194604.48967.90105.9748971.35124.85邵阳Shaoyang69111.3613116.82281.100082509.28162.06永州Yongzhou43635.6120860.482011.430066507.52145.50郴州Chenzhou54578.866525.113157.68924.41111.0465297.10144.17

注：探测半径是根据探测面积等效为圆面积而求得的半径。

Note: Radius of detection was obtained based on that detection area was equivalent to circle area.

盖面积为111 512.44 km2，由0.50°、1.45°仰角数据覆盖，其覆盖面积分别为109 457.53、2 054.91 km2，其等效探测半径为188.40 km；怀化雷达的覆盖面积为48 971.35 km2，由0.50°、1.45°、2.40°、3.35°和4.30°仰角数据构成，对应各层的覆盖面积分别为27 207.81、16 085.19、4 604.48、967.90、105.97 km2，其等效探测半径为124.85 km；邵阳雷达的覆盖面积为82 509.28 km2，选取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，对应仰角的覆盖面积分别为69 111.36、13 116.82、281.10 km2，等效探测半径为162.06 km；永州雷达的覆盖面积为66 507.52 km2，选取0.50°、1.45°、2.40°仰角的反射率因子，对应仰角的覆盖面积分别为43 635.61、20 860.48、2 011.43 km2，等效探测半径为145.50 km；郴州雷达的覆盖面积为65 297.10 km2，选取0.50°、1.45°、2.40°、3.35°、4.30°仰角反射率因子，各层仰角对应的覆盖面积分别为54 578.86、6 525.11、3 157.68、924.41、111.04 km2，等效探测半径为144.17 km。同时也可以用第1层仰角扫描的面积与其总的探测面积之比的百分比(W)来说明地物阻挡情况，比值越大说明探测环境越好，通常只要没有被地物阻挡，回波高度越低估测降水的精度越高。长沙、常德的W为100%，说明地物阻挡最小；岳阳、邵阳、永州、郴州和怀化雷达的W值分别为98.16%、83.76%、65.61%、83.58%、55.56%，即长沙、常德构成的定量估测降水的反射率因子相对更准确一些。由以上分析可知，湖南省内雷达以岳阳雷达的探测半径最大，常德雷达次之，长沙雷达第3，而怀化雷达的探测半径最小，怀化雷达的探测面积仅是岳阳雷达的43.92%，不到岳阳雷达的1/2。虽然岳阳雷达的探测半径最大，但从其阻挡仰角分析，是有许多区域波束受到部分遮挡，其反射率因子是需要订正的，而常德、长沙雷达反射率因子虽然面积不及岳阳的大，但需要订正的区域少。

2.3反射率因子的构成范围根据前面的计算结果，把单部雷达的反射率因子覆盖范围组合起来，就构成了湖南省雷达降水探测范围。由图8可知，7部雷达降水探测范围构成的区域基本上覆盖了湖南省行政区域，且有50%以上区域有2～5部雷达探测范围覆盖，在湘南及湘西、湘西北部分区域只有1部雷达的探测范围覆盖，而在湘西北、湘西南以及湘南还有少部分区域因地物阻挡，而没有雷达的探测范围覆盖。对于数据缺测区域，可使用周边省份的雷达数据，或适当增加雨量站密度，计算降水量以弥补。目前已有批复拟在湘西北张家界市布设一部新一代天气雷达，将来可以弥补湘西北的雷达数据缺测区域。而在探测范围重叠区特别是长沙、常德、岳阳雷达的重叠区，不仅没有波束阻挡的影响，雷达数据质量好，且地面区域自动站站点分布也十分稠密，降水产品稳定可靠，可用于开展降水算法研究的试验区。

注：“+”号表示雷达站的地理位置，地名表示雷达站名，散点是湖南省区域自动站分布。Note: “+”: radar location; place name: name of station; scatter: distribution of automatic station in Hunan.图8　湖南省定量估测降水业务的反射率因子构成Fig. 8　Constitution of radar reflectivity factor for quantitative precipitation estimation in Hunan

3结论

在复杂地形区域，开展地形阻挡分析，有利于提高雷达定量估测降水的精度，且正确地构建反演的反射率因子是获得准确的雷达定量估测降水必要条件之一。该研究利用高分辨率DEM数据，在假定标准大气折射条件下，综合考虑周边地物的阻挡和0 ℃层亮带因素，根据目前雷达常使用体扫模式VCP21，研究了湖南省的雷达反射率因子的提取方法，获得了反射率因子的提取范围。结果表明，对于湖南的4月份，长沙、常德、岳阳、怀化、邵阳、永州和郴州雷达的探测半径分别是177.00、179.00、188.40、124.85、162.06、145.50,144.17 km，岳阳雷达的探测范围最大，而怀化雷达的探测范围最小。现在单部雷达的定量估测降水产品的范围均是230 km，对于湖南的4月份而言，可能存在超出各雷达探测范围的理论值，降水的精度问题需引起预报员的注意。有些反射率因子不能覆盖的区域，不仅是不能获得较好精度的定量估测降水产品，同时也表明这些区域许多重要的灾害性天气现象如雷雨大风、冰雹等也有可能无法探测到，对此也应引起预报员高度的警惕。

尽管湖南省的雷达均受到不同程度的地形阻挡，根据WSR-88D雷达采用的波束阻挡率算法，计算得到的湖南省雷达反射率因子覆盖了湖南省绝大部分区域，可基本满足湖南主汛期防汛业务的需求；在湖南中东部区域有多部雷达观测，显示这些区域的降水产品稳定可靠，结合稠密的区域自动站资料，也可以作为定量估测降水算法研究的试验区。

该研究主要是针对湖南省主汛期的定量估测降水而言，对于其他季节的雷达反射率因子的选取方法完全一样。实际业务运行时，可以实时获取当日的0 ℃层高度值。今后可通过具体量化分析改进降水估测精度，并通过实践进一步验证；同时要实现全省的雷达定量估测降水业务，提供全省高时空分辨率的准确的定量降水估测产品，还需要做进一步的研究。

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基金项目湖南省气象局2015年度重点项目(XQKJ15A001)。

作者简介尹忠海(1968-)，男，湖南长沙人，高级工程师，硕士，从事短临预报业务与研究工作。

收稿日期2016-03-30

中图分类号S 16

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-218-07

Improvement of the Radar Measurement Accuracy of Rainfall with DEM Data

YIN Zhong-hai

(Meteorological Observatory of Hunan Province,Changsha,Hunan 410007)

AbstractWith the data of high-resolution digital elevation model(DEM) and the height value at 0 ℃ layer,under the assuming condition of standard atmospheric refractive and in the consideration of the surrounding barrier layer and the bright band at 0 ℃,the distribution of elevation angle of seven radars and the detection range of quantitative precipitation in Hunan was calculated according to the radar volume scan mode VCP21 commonly used.The results showed that the radius of radar detection in Changsha,Changde,Yueyang,Huaihua,Shaoyang,Chenzhou,Yongzhou and Zhengzhou was 177.00,179.00,188.40,124.85,162.06,145.50 and 144.17 km,and the maximum detection range was in Yueyang and the minimum,Huaihua.In flooding season,the estimation of quantitative precipitation detection,which was from the radar network in Hunan province,could be basically used for the rain-monitoring in whole province based on the removal of the influence of the bright band at 0℃.The accuracy of quantitative precipitation estimation would be improved.

Key wordsEstimation of quantitative precipitation; Terrain blockage; Radar reflectivity factor; DEM data

鸣谢中国气象局气象探测中心雷达室杨洪平主任、中国气象科学研究院王红艳研究员及重庆市气象局张亚萍研究员对该研究提出宝贵建议与意见，特此致谢。