星载雷达观测台风降水结构的三维虚拟仿真实验平台建设＊

吴迪，楚志刚

（1.南京信息工程大学大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心，江苏南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京 210044）

相对于地基雷达，星载雷达的降水观测具有2 个明显优势：①覆盖范围更广，尤其在地基雷达无法架设的海洋、高原、沙漠等地区；②观测的云降水三维结构更完整，星载雷达不存在地基雷达的波束下盲区和正上方盲区，更有利于分析云降水的完整三维结构。第一部星载测雨雷达是1997年美国和日本联合发射的TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星搭载的PR（Precipitation Radar）雷达，工作在Ku 波段，覆盖范围为38°S—38°N[1]。2014 年GPM（Global Precipitation Measurement）卫星接替了TRMM，上面搭载了观测能力更强的DPR（Dual-frequency Precipitation Radar）雷达，工作在Ku 和Ka 波段，覆盖范围为68°S—68°N[2]。中国的风云三号气象卫星的星载测雨雷达也在研制中，即将投入业务运行[3]。

星载测雨雷达是未来大气探测和雷达气象的发展方向之一，也是大气科学本科生教学的一个重要知识点。大气探测和雷达气象教学实习中，地基雷达的教学资源比较丰富，中国拥有200 多部地基雷达[4]，实测数据足以满足各种教学需求，也研发了各种地基雷达相关的虚拟仿真资源[5-6]。但是，星载测雨雷达数量少，目前稳定在轨运行的仅GPM/DPR 一部，对同一地点的观测每天仅1～2 次。星载雷达的可用数据非常少，且时间间隔长，限制了实践教学效果。为此，本文采用虚拟仿真技术，针对星载雷达观测海上台风降水事件，结合雷达气象原理，设计了一套三维虚拟仿真实验平台，直观展示不同台风个例、不同雷达参数对星载雷达观测结果的影响，结合考评练，丰富了星载雷达相关教学和仿真资源。

虚拟仿真实验项目建设要体现虚实结合、相互补充、能实不虚。学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的。结合此原则进行三维虚拟仿真系统设计。

1 三维虚拟仿真实验平台的架构

1.1 三维虚拟仿真实验平台的基础数据

基础数据的仿真是三维虚拟仿真实验平台的关键技术。海上台风的直接观测数据较少，无法直接获得三维基础数据。而目前数值天气模式已具备了台风大气环境场的仿真能力[7]，为此本系统采用了数值天气模式仿真加星载雷达回波仿真2 个技术，来实现高分辨率海上台风基础的构建。

1.1.1 台风过程的数值模拟

选择3 个典型台风个例，即超强台风灿鸿（2015年）、超强台风利奇马（2019 年）、热带风暴浪卡（2020年）。台风接近陆地或登陆后，地基雷达网可以观测，但海上台风地基雷达无法探测，此时星载雷达的观测优势便展现出来。为此，个例选择台风在海面上时段，在24 h 台风警戒线附近，3 个个例仿真时间和区域如表1 所示。

表1 仿真基础数据信息表

仿真基础数据用天气数值模式生成，首先选择NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析数据作为初始背景大气场，之后用LAPS（Local Analysis and Prediction System）[8]同化风云二号、风云三号卫星观测后等形成接近真实的三维大气背景场，最后用LAPS 三维大气背景场启动WRF（Weather Research and Forecast Model）数值天气模式，生成15 min 间隔、水平1 km 分辨率、垂直125 m 分辨率的海上台风仿真基础数据，以NetCDF 格式保存。

1.1.2 星载雷达观测回波的虚拟仿真

在WRF 仿真数据的基础上，对应实践教学中的各知识点，进一步仿真不同雷达工作参数对台风观测的影响。星载雷达主要工作参数有幅宽、水平垂直分辨率、工作波段。幅宽与飞行高度、扫描角度有关，计算量小，故设计在仿真显示系统中动态计算。水平垂直分辨率与波束宽度、脉冲宽度有关，提前预设1 km、2 km、3 km、4 km、5 km 共5 个水平分辨率，125 m、250 m、500 m 共3 个垂直分辨率，采用线性插值方法从WRF 仿真数据中提取。工作波段的仿真是关键技术，不同波段对应不同的衰减，对回波仿真影响较大。为了获取不同波段的衰减特性，在Gamma 雨滴谱分布的假设下，采用TMatrix 散射模型[9]，分别计算C 波段、X 波段、Ku 波段、Ka 波段的衰减系数，建立衰减系数与反射率因子的经验关系，如图1 所示。在WRF 仿真数据上，沿观测路径应用不同波段的衰减关系，生成每一波段的星载雷达观测回波的仿真基础数据。

图1 散射模型计算的衰减系数与雷达反射率因子的关系

1.2 三维虚拟仿真实验平台的结构与功能

基于海上台风的雷达仿真基础数据集，采用WebGL（Web Graphics Library）技术开发了星载雷达观测台风降水结构的三维虚拟仿真实验平台。WebGL是一种三维绘图协议，允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，提供硬件三维加速渲染。

三维虚拟仿真实验平台由实验管理模块和三维仿真模块组成，如图2 所示。实验管理模块包括学生登录、教师管理、实验目的介绍、操作说明、基础知识学习、实验考核及成绩发布功能。三维仿真模块包括个例选择、波段选择、分辨率选择、三维面绘制、三维显示设置、二维剖面绘制、二维显示设置和时间动画显示功能，如图3 所示。个例选择可任意切换3 个海上台风仿真基础数据，分析降水结构的异同；波段选择可任意切换S 波段（无衰减）、Ku 波段、Ka 波段，让学生了解不同波段的衰减对星载雷达观测台风的影响；分辨率选择可任意切换水平垂直分辨率，让学生了解分辨率对星载雷达回波精细度的影响；三维面绘制可同时绘制3 个等值面，不同等值面设置不同的颜色和透明度，使学生可以同时观察到降水内外的结构，如图4 所示；三维显示设置可设置3 个等值面的阈值、颜色和透明度；二维剖面绘制用于绘制水平、沿经向、沿纬向3 个剖面；二维显示设置用于控制3 个剖面的位置；时间动画显示用于生成三维和二维的时间动画，动画时间可调。

图2 三维虚拟仿真实验平台的结构与功能

图3 三维虚拟仿真系统主界面

图4 星载雷达观测台风降水的三维显示

2 三维虚拟仿真实验平台建设的内容

该虚拟仿真实验教学平台可用于雷达气象教学实习实践，涵盖的知识点包括星载雷达扫描方式、星载雷达的观测特点、降水对电磁波的衰减、雷达分辨率等，通过台风仿真基础数据的三维显示、雷达参数的动态调节，加深学生对知识点的理解，提高学生的应用能力。该虚拟仿真实验教学平台包括3 个操作模块供学生学习。

2.1 系统介绍

通过主界面，学生可以快速查看实验简介、实验目的、操作说明。通过此模块让学生学习以下内容：①了解星载测雨雷达的（自上而下）观测方式和观测参数；②了解星载测雨雷达对台风降水的观测优势（完整三维结构、可观测海上台风）；③掌握衰减对星载测雨雷达观测的影响；④对比星载雷达与地基雷达的观测特点；⑤了解该实验教学系统的操作方法。

2.2 基础知识

基础知识部分是虚拟仿真实验系统的核心内容，包括3 个部分。

2.2.1 星载测雨的观测方式与重要参数

通过台风降水回波的三维显示，经过旋转、缩放和动画等操作分析后，让学生了解星载雷达自上而下观测的特点和优势，对比地基雷达观测特点，可直观理解星载雷达观测无盲区，观测台风降水的三维结构更完整；衰减路径短，可以适当采用短波长观测。通过调整卫星高度和扫描角范围，调节观测幅宽，结合台风降水空间尺度，了解幅宽对台风降水观测的影响，同时可以分析高度对雷达灵敏度、分辨率的影响。

2.2.2 不同分辨率对观测结果的影响

结合《雷达气象学》第五章内容[10]，让学生更好掌握不同分辨率对观测结果的影响。通过调节水平和垂直分辨率，对比不同分辨率下回波的变化，如图5所示。高分辨率时台风雨带的细节更丰富，小尺度对流降水更明显；低分辨率时细节消失，同时由于空间平均作用，小尺度降水范围变小。说明低分辨率对大范围弱降水影响不大，但对小尺度对流强降水的影响则不容忽视。

图5 三维虚拟仿真系统高低水平分辨率的对比

2.2.3 衰减对观测结果的影响

工作波段或工作频率是雷达的最重要参数，受星载雷达观测条件限制，通常采用高频率短波长，此时降水对电磁波的衰减则成了一个重要的考虑因素。结合《雷达气象学》第二章内容[10]，通过三维虚拟仿真系统，调整不同波长，对比分析图像的差异，学习和讨论衰减对星载雷达观测台风的影响，如图6 所示。由于S 波段（典型波长～10 cm）的衰减可以忽略，故图6（a）是无衰减的台风降水。切换到Ku 波段（典型波长～2 cm）后，如图6（b）所示，由于衰减的作用，降水回波明显减弱，强降水区减弱尤为明显，减弱幅度与自上而下沿观测路径的降水分布有关。切换到Ka 波段（典型波长～0.8 cm）后，如图6（c）所示，回波衰减更为严重。该功能使学生直观地了解到衰减对降水的影响，以及衰减订正对星载雷达的重要性。

图6 三维虚拟仿真系统的1 km 高度二维水平剖面图对比

2.3 实验考核

三维虚拟仿真系统实现了学练考评功能。为了及时并全面地考察学生的学习效果，该系统设置了考核题目，包含基础理论知识和操作相关知识。学生在考核完成后会自动生成电子实验报告，记录学生的学习和考核全过程，便于学生查缺补漏，深化对基础知识的理解。

3 三维虚拟仿真实验平台的特色

利用虚拟仿真技术，模拟不同雷达参数和观测角度情况下台风三维降水结构。学生可调节星载测雨雷达的波长频率、卫星高度、观测角、观测范围、时间步长、水平分辨率、垂直分辨率等参数，生成相应的三维回波。具有三维等值面、三维地形、二维任意切面、三维动画、动画导出、转换、缩放、多图层叠加等教学演示功能。不仅可以激发学生的学习兴趣，让学生拥有逼真、沉浸式的学习体验，提升知识的实践水平，培养学生主动分析和解决问题的能力，更有助于学生理解星载测雨雷达的观测特点和能力、内外雨带的台风结构特征，掌握各雷达参数对观测的影响，灵活地应用雷达气象方程，为雷达气象学的实验教学提供有效补充。

4 结语

星载测雨雷达观测台风降水结构的三维虚拟仿真实验平台建设，以海上台风为对象，通过虚拟仿真星载测雨雷达观测，使学生能清晰地了解台风的云降水结构及星载测雨雷达的观测特点与优势。充分发挥了虚拟仿真实验教学独特的、不可替代的作用，切实提高了教学能力，拓展了实践领域，丰富了教学内容。但限于三维格点数据量大、网页三维显示技术性能瓶颈的限制，仿真结果流畅度不够，在线加载数据较慢，期待计算机显示和网络技术的发展和突破。