胡 松, 劉黎平, 李 超, 張志強

(1.成都信息工程學院,四川成都610225;2.中國氣象科學研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室,北京100081;3.國家氣象信息中心,北京100081)

1 引言

回波強度是分析天氣雷達最基本、最直觀、最重要的探測方法之一,是識別判斷各種災(zāi)害天氣、分析降水類型、強度和移動趨勢的有力工具[1]。新一代天氣雷達投入使用前都要經(jīng)過雷達校準和標定[2-3]。然而在實際運行中由校準和標定等所帶來的誤差很難消除。并且實際中不同雷達在同一時間對同一降水例子進行觀測,不可能做到嚴格意義上的時間和空間同步[4]。因此,對雷達基數(shù)據(jù)的誤差分析顯得尤為重要。

中國氣象科學研究院已經(jīng)開展三維拼圖的工作,并進行了三維格點處理后的回波強度的誤差分析,一種是傳統(tǒng)意義上對比分析兩部雷達的PPI圖,這樣由不確定性帶來的誤差比較大,另一種處理方法是將格點化數(shù)據(jù)插值到同一高度層上來對比。

傳統(tǒng)意義上對雷達PPI顯示的處理方法是對基數(shù)據(jù)格點化插值,提出了一種新的區(qū)域雷達網(wǎng)同步觀測的對比方法,該方法通過兩部雷達在空間上經(jīng)度,緯度,海拔高度以及雷達方位和仰角等已知條件,利用球面三角函數(shù)關(guān)系,直接對兩部雷達的基數(shù)據(jù)進行分析。減小了由三維格點化[5]所帶來的誤差,保留了原始回波的特性。

2 資料選取和處理方法

2.1 資料選取

為了對資料分析有較好分辨性,選取廣東6部雷達2008年6月6日12～13時數(shù)據(jù)。當天有強降雨,雷達各參數(shù)如表1所示。

表1 雷達參數(shù)

2.2 處理方法

2.2.1 方法介紹

分析相鄰雷達回波強度誤差的思路是從一個雷達的回波點,找到另外一部雷達最近的回波點,或者是找到上下兩層的回波點,然后插值,這樣就得到了一組回波強度值,然后從平均回波強度等方面進行誤差分析。

根據(jù)雷達的經(jīng)度、緯度、海拔高度、方位和仰角,計算出每一個距離庫上對應(yīng)點的經(jīng)度、緯度、海拔高度。再根據(jù)另一部雷達的具體位置,找出另一部雷達對應(yīng)的仰角,方位和距離庫數(shù)。實現(xiàn)從球坐標到笛卡爾坐標再到球坐標的轉(zhuǎn)換。從而找到另一部雷達的對應(yīng)位置,進而,進行對比差異的比較分析。具體流程如圖1所示。

2.2.2 對應(yīng)點對比法相關(guān)算法

設(shè)雷達A的經(jīng)度、緯度、海拔高度為(αA,βA,hA),任一方位角,仰角分別為 aA,eA根據(jù)球面三角函數(shù)關(guān)系可得到A中任意一點O的經(jīng)度,緯度,海拔高度(αo,βo,ho),r為距離庫數(shù),雷達B 的經(jīng)度,緯度,海拔高度為(αB,βB,hB),計算公式如下：

通過笛卡爾到球坐標的轉(zhuǎn)換,可以反算對應(yīng)點在B雷達中的位置(r,a,e),r為斜距,a為方位角,e為仰角,計算方法如下：

通過上述變換,可以找到雷達 A中任意一點在雷達B中所對應(yīng)的每一個距離庫中的對應(yīng)點。一般情況下,式中的仰角e并不剛好等于B雷達的仰角,而是要找到與仰角e相鄰的上下兩層,再經(jīng)過相關(guān)插值算法,來確定最后結(jié)果。

圖1 算法流程圖

2.2.3 相關(guān)插值算法

對于仰角值介于雷達B相鄰層(9層)間的數(shù)據(jù)進行插值,采用徑向和方位上的最近鄰居和垂直線性內(nèi)插法[6](nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linear interpolation in vertical direction,NVI)

如圖2所示,(r,a,e)是某一網(wǎng)格點在雷達球坐標系中的位置,r為斜距,a為方位角,e為仰角。e位于其上下相鄰仰角e2和e1之間。(r,a,e2)和(r,a,)分別是經(jīng)過該網(wǎng)格點的垂線(仰角低于20°時,垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰角波束軸線的交點,那么該網(wǎng)格點的分析值 fa(r,a,e)可以用這兩點的分析值 fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)進行垂直線性內(nèi)插得到,即：

fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)分別等于最靠近點(r,a,e2)和(r,a,e1)的雷達距離庫的觀測值,獲取采用了徑向和方位上的最近鄰居法。

圖2 垂直和水平線性內(nèi)插示意圖

3 對比分析

選取廣州、深圳、陽江SA雷達在2008年6月6日12時至13時10個時段的數(shù)據(jù),這3部雷達位置較近,從純粹的多普勒雷達理論和國外的經(jīng)驗考慮,兩站之間的距離在60～80km比較適合[6],為了更好地分析兩部覆蓋區(qū)域的回波強度,去掉回波較弱(＜15dBz)的點和兩個回波差值較大(＞10dBz)的點,進行統(tǒng)計分析。取得12時17分1.5°仰角的PPI實際觀測,如圖3所示。

圖3 PPI示意圖及對應(yīng)回波強度示意圖

兩部雷達探測半徑都為230km,從圖中可以看出兩個雷達在覆蓋區(qū)域上基本一致,為進一步定量分析,對12時06分一個體掃內(nèi)(9層)的所有回波值,兩部雷達的覆蓋區(qū)域進行對比附散點圖如圖4所示。

圖4 兩部雷達12時06分的散點圖(所有有回波的點)

圖5 兩部雷達12時06分的散點圖(去掉無效值弱回波)

圖4是9層所有有回波值的點的對比圖,圖5是去掉無效值弱回波的對比圖。從圖5中可以看出廣州雷達的回波強度值都在15dBz以上,深圳雷達回波強度只有很少一部分在15dBz以下,基本是線性分布在對角線上,也進一步說明了此方法的有效性。

同上分析,分別給出廣州陽江的PPI圖和散點圖。

圖6 12時6分PPI對比圖

圖7 廣州陽江12時06分散點圖(所有有回波的點)

圖8 廣州陽江12時06分散點圖(強回波,差值較小的點)

定量分析了以廣州雷達為標準的與其他5部相鄰雷達在12～14時20個時刻(6min一次體掃)的取值差值,再取平均,再對多個時刻平均如圖9和圖10所示。

圖9 2008年6月6日12～13時廣州與其他雷達在所選區(qū)域差值的平均值

圖10 2008年6月6日13～14時廣州與其他雷達在所選區(qū)域差值的平均值

根據(jù)圖9和圖10可分析出以廣州雷達為標準的回波強度略強于其他覆蓋區(qū)域其他站的回波強度。此外還可以分析出各個雷達與廣州雷達在不同時刻覆蓋區(qū)域回波的變化趨勢如圖11和圖12所示。

圖11 廣州雷達與其他各雷達12～13時折線圖

圖12 廣州雷達與其他各雷達13～14時折線圖

從圖11～12可以看出,雖然廣州雷達與各部雷達在2個時段內(nèi)的變化步調(diào)趨勢并不相同,但從總體看,可以看出廣州-梅州基本在2.5～5dBz內(nèi)變動,差值幅度最大,廣州-深圳雷達基本在0.5～2dBz內(nèi)變動,差值幅度最小,與其余各雷達差值介于這兩者之間。

4 結(jié)束語

新一代天氣雷達具有較高的探測精度和較好的穩(wěn)定性。忽略雷達校準標定等因素影響,從定性和定量角度,分析了對應(yīng)點對比法在計算相同覆蓋區(qū)域上雷達回波強度的差異情況,結(jié)論如下：

(1)該方法能相對準確地找到覆蓋區(qū)域的對應(yīng)點,可以看出兩個雷達覆蓋區(qū)域的位置基本一致。

(2)在不考慮地物遮擋和衰減等因素前提下,不同時刻,回波強度之差平均值基本保持在5dBz左右,同時標準差的變化趨勢基本保持一致。

(3)直接對雷達基數(shù)據(jù)處理分析,基本保持了雷達原始回波的特性。

[1]史銳,程明虎,催哲虎,等.長江流域多普勒雷達回波資料對比分析[J].氣象,2004,30(11)：27-31.

[2]潘新民,王全周.回波強度測量的誤差因素分析及解決方法[J].氣象與環(huán)境科學,2009,11(4).

[3]舒童,趙明.CTL-713C天氣雷達回波強度標定誤差因素淺析[J].氣象科技,2008,36(5).

[4]肖艷姣,劉黎平,楊洪平,等.區(qū)域雷達網(wǎng)同步觀測對比分析[J].氣象學報,2007,12(6).

[5]肖艷姣,劉黎平.新一代天氣雷達網(wǎng)資料的三維格點化及拼圖方法研究[J].氣象學報,2006,64(5)：647-657.

[6]劉黎平,張沛源.雙多普勒雷達風場反演誤差和資料的質(zhì)量控制[J].應(yīng)用氣象學報,2003,14(1)：2.