文章导读
气象雷达数据在复杂地形中的应用是多方面的，但存在的问题和挑战也是多方面的。其困难首先在于雷达站点的选址和建造，这往往涉及漫长的运输路线和恶劣的气候条件；其次则是在无人值守的偏远山区站的全天候运行和维护，对硬件的可用性和稳定性要求很高；数据处理和产品生成也需要在山区专门设计和优化的解决方案，山地对光束的反射和屏蔽尤其构成巨大挑战。来自瑞士联邦气象和气候局的研究人员在Remote Sensing 期刊发表了综述文章，讨论了在复杂地形中应用天气雷达技术的主要问题和误差来源，并提出了解决方案。
图1. 由5个雷达组成的瑞士雷达运行网络图
研究过程与结果
山区气象雷达的主要作用是对降雨、降雪、雷暴和冰雹进行实时监测和临近预报 (nowcasting)。天气雷达数据是发布强雷暴、暴雨、冰雹、山洪、山体滑坡和泥石流警报的主要信息源；也用于数值天气预报模型的初始化和水文模型的输入，被公共和私营部门广泛应用于农业、建筑业、运输和保险业、水力发电和娱乐活动等领域。雷达设计的出发点是实际应用的需要以及想要观测的天气类型。与雨量和河流测量仪等不同，雷达的主要任务是捕捉小尺度降水的时空变化，并为暴雨严重程度分级和警报发布提供依据，点测量方法则无法很好地捕捉这些变化。降水量在平坦地区表现出很高的空间变异性，但复杂地形上的最大降雨量区域通常在一定时间内是静止的。由于静止不动，降雨累积量可能在局部地区达到极端值，进而引发山洪、泥石流和山体滑坡。临近预报的精髓在于：基于最新的观测数据和快速的统计处理，使受影响地区的人们能够为事件做好准备。
雷达场的拉格朗日外推法有助于估计随后几小时内风暴的位置，并为发布预警奠定基础。本文呈现了雷达场的随机拉格朗日外推法在临近预报时间范围内集合预报的能力，以及和最先进NWP 模式在提前期的可预测尺度方面的差异。数据表明，在预报中，雷达降水场的拉格朗日外推法在高空间分辨率下提供了独特的信息，其预报时间可达数小时，比 NWP 预报具有更好能力，交叉提前期在 2.5~3小时。随后，作者介绍了瑞士阿尔卑斯山雷达数据的业务应用，包括定量降水估算、降水预报、雷暴跟踪、冰雹监测和冰雹预报、水文气象分类等。同时，作者也详细列举了14项山区雷达网络的设计要求，并总结了三类在山区使用雷达所特有的挑战：规划和安装，维护和运行，地形的反射和屏蔽。
针对这些挑战，作者指出：
(1) 对复杂地形上的雷达网络总体设计须在早期阶段考虑，包括数据流和处理阶段的设计、产品生成的空间和时间分辨率设计。
(2) 选址方面，作者介绍了四种类型，其各有利弊，结合使用可能会获得最佳效果。
(3) 在安装、验收测试和防雷保护方面，最好先在工厂进行详细的测试，包括现场验收测试、运行测试和最后测试。雷电防护是暴露在山地的雷达需要仔细考虑的另一个方面，在装配避雷针时，也要避免对雷达测量的干扰。
最后，作者也对无线电频率和偏振测量、扫描复杂地貌上的大气层、接收机过仰角设计、脉冲长度、校准、监测和控制、可用性和时效性、数据处理和产品生成、多源数据集成、不确定性和端到端处理链的建模与传播、以及特殊需求和定制应用方面都进行了详细介绍。
研究总结
本文重点聚焦实用雷达和实际应用，如预报和雷暴、暴雨、冰雹、山洪和泥石流的自动预警，概述了雷达在山区环境中运行和使用所面临的挑战和问题，并展示了如何在业务环境中解决这些问题。作者介绍了一些特定的解决方案实例、一些主要性能指标、近期创新项目的成果以及新的研究前沿。所提出的解决方案和实际应用表明，尽管山区条件恶劣，局限性很大，但气象雷达在山区仍具有巨大的潜力和实用价值。
Germann, U.; Boscacci, M.; Clementi, L.; Gabella, M.; Hering, A.; Sartori, M.; Sideris, I.V.; Calpini, B. Weather Radar in Complex Orography. Remote Sens. 2022, 14, 503. DOI: 10.3390/rs14030503
主编：Prasad S. Thenkabail, USGS Western Geographic Science Center (WGSC), USA
期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准到遥感在地球科学、环境生态、城市建筑等各方面的广泛应用。
- 2022 Impact Factor: 5.0
- 2022 CiteScore: 7.9
- Time to First Decision: 23 Days
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