吳少峰，趙琴，胡偉峰，劉霞

（1．廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2．廣州市防雷設(shè)施檢測所，廣東廣州 511430；3．河源市氣象局，廣東河源 517000）

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臨近雷達(dá)回波強(qiáng)度的誤差分析及調(diào)整方法

吳少峰1，趙琴2，胡偉峰3，劉霞1

（1．廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2．廣州市防雷設(shè)施檢測所，廣東廣州 511430；3．河源市氣象局，廣東河源 517000）

摘 要：分析了不同雷達(dá)對同一目標(biāo)物的探測存在誤差的原因，并提供了一種臨近雷達(dá)回波強(qiáng)度誤差分析及調(diào)整的方法，利用臨近雷達(dá)共同觀測區(qū)域中的一塊獨立回波，統(tǒng)計分析其基本反射率平均強(qiáng)度值，通過多組數(shù)據(jù)的對比，得出2部雷達(dá)對同一目標(biāo)物探測強(qiáng)度的差異，并據(jù)此對適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使二者對同一回波的探測趨于一致。以廣州、韶關(guān)2部雷達(dá)為例，通過調(diào)整前后的數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)品對比，驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：大氣探測與儀器；CINRAD雷達(dá)；臨近雷達(dá)回波；誤差分析

吳少峰，趙琴，胡偉峰，等．臨近雷達(dá)回波強(qiáng)度的誤差分析及調(diào)整方法［J］．廣東氣象，2016，38（3）：67 -68．

強(qiáng)度定標(biāo)是雷達(dá)觀測的基礎(chǔ)，能提高觀測的準(zhǔn)確性和產(chǎn)品的可用性，尤其在雷達(dá)區(qū)域拼圖方面起著重要的作用［1 -3］。李建勇等［4］詳細(xì)解釋了新一代多普勒天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)的原理及具體步驟，并通過實例驗證了調(diào)整適配參數(shù)對雷達(dá)回波產(chǎn)品強(qiáng)度的影響。北京敏視達(dá)公司在對廣東8部多普勒雷達(dá)做統(tǒng)一強(qiáng)度定標(biāo)時將一個月的反射率數(shù)據(jù)做累計分析，做出某一仰角的月平均反射率數(shù)據(jù)拼圖，比較相鄰雷達(dá)交界處回波強(qiáng)度的差異。本研究主要分析了雷達(dá)探測存在差異的客觀原因，并提供了一種臨近雷達(dá)回波強(qiáng)度誤差分析及調(diào)整的方法，利用臨近雷達(dá)共同觀測區(qū)域中的一塊獨立回波，統(tǒng)計分析其基本反射率平均強(qiáng)度值，通過多組數(shù)據(jù)的對比，得出兩部雷達(dá)對同一個目標(biāo)物探測強(qiáng)度的差異，并據(jù)此對適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使兩者對同一個回波的探測趨于一致。從廣州、韶關(guān)兩部雷達(dá)的調(diào)整實例來看，調(diào)整后2部雷達(dá)觀測同一個回波的強(qiáng)度、形狀、輪廓等方面都更為接近，希望該方法對全省雷達(dá)拼圖和預(yù)報效果能起到一定的改善作用。

1　誤差原因分析

每年的汛期前巡檢和年終維護(hù)都要求對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和標(biāo)定［5 -7］，但由于一些客觀的原因，不同雷達(dá)即使在做好自我標(biāo)定后對同一個回波的探測依然會存在偏差［8 -8］，導(dǎo)致偏差的原因主要有以下幾個方面：

1）系統(tǒng)性誤差。利用機(jī)外儀表校準(zhǔn)機(jī)內(nèi)標(biāo)定系統(tǒng)時，儀表精度約為0．2 dB，射頻連接誤差約為0．1 dB。雷達(dá)內(nèi)置信號源輸出幅度會有一定波動，接收機(jī)源部件增益隨時間及環(huán)境溫度變化而變化。所以，為減少這些誤差影響，應(yīng)盡量在短時間內(nèi)一次性完成整個標(biāo)定過程。

2）天線增益偏差。當(dāng)前系統(tǒng)標(biāo)稱天線增益是在天線出廠前測試的，現(xiàn)場安裝后可能會產(chǎn)生一定的變化，或隨時間、環(huán)境等影響，天線增益有一定變化。

3）發(fā)射功率影響。發(fā)射功率自動測量不夠精確，也可能會導(dǎo)致回波強(qiáng)度計算誤差；發(fā)射功率過低會導(dǎo)致遠(yuǎn)距離弱回波檢測能力不足。

2　回波差異對比分析

基于上述原因，當(dāng)不同雷達(dá)對回波的探測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時，會影響全省雷達(dá)拼圖和預(yù)報效果。解決這個問題的關(guān)鍵是要找出不同雷達(dá)間探測強(qiáng)度的差異，再通過調(diào)整適配參數(shù)，使兩者對同一回波的探測趨于一致。為此，本研究選取了相鄰2部雷達(dá)同1個時次、共同觀測區(qū)域中垂線附近的一塊獨立回波，通過計算同一仰角基本反射率平均強(qiáng)度值，獲得2部雷達(dá)對同一目標(biāo)物探測強(qiáng)度的差異。

在選定共同觀測區(qū)域中的獨立回波時有3個原則：第1，必須選擇同一個觀測時次的回波，只有同一個時次的數(shù)據(jù)才具有可比性；第2，盡量在2部雷達(dá)的垂直平分線附近選取回波，避免選擇特別靠近或遠(yuǎn)離某一部雷達(dá)的回波，將探測距離差異造成衰減方面的影響降到最低；第3，所選回波最好是獨立成塊，便于基本發(fā)射率強(qiáng)度值的提取和統(tǒng)計，免于受周圍其它回波的干擾。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，該方法只選取了1．5°的基本反射率產(chǎn)品，0．5°產(chǎn)品受地物雜波干擾比較嚴(yán)重，2．4°及以上產(chǎn)品仰角太高，探測到的回波信息太少。同時，剔除了15 dBz以下的強(qiáng)度值，因為15 dBz以下基本不會形成降雨，如果納入考慮則會影響統(tǒng)計結(jié)果。最后，必須采用多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以減少個例差異所帶來的誤差，本研究采用了10組數(shù)據(jù)。以廣州、韶關(guān)2部雷達(dá)為例，詳細(xì)介紹回波強(qiáng)度的統(tǒng)計分析方法。廣州雷達(dá)站經(jīng)緯度為（113°21′18″E，23°0′14″N），韶關(guān)雷達(dá)站經(jīng)緯度為（113°33′57″E，24°47′27″N），2站直線距離200．071 km。CINRAD/ SA雷達(dá)的有效探測半徑為230 km，2站存在較大的共同探測區(qū)域，一般在2站的垂直平分線附近選取共同探測回波。2014年6月4日05：42：00（世界時），廣州雷達(dá)和韶關(guān)雷達(dá)的垂直平分線附近生成一塊獨立回波（圖1），以18號產(chǎn)品基本反射率1．5°仰角圖來分析，該回波位于廣州雷達(dá)方位AZ：33．3°～53．8°，距離Rng：128．1～175．8 km；韶關(guān)雷達(dá)方位AZ：125．1°～144．5°，距離Rng：102．0 ～135．8 km。通過讀取基數(shù)據(jù)，獲取該仰角每個距離庫的基本反射率值，進(jìn)行算術(shù)平均。經(jīng)計算，廣州雷達(dá)探測該回波的基本反射率平均強(qiáng)度為18．386 7 dBz，韶關(guān)雷達(dá)為22．625 88 dBz，廣州比韶關(guān)偏弱約3．24 dBz。據(jù)此方法對10組個例數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對差值求平均，計算出廣州、韶關(guān)2部雷達(dá)對同一塊回波的基本反射率探測強(qiáng)度相差約3．5 dBz。

圖1 廣州（a）、韶關(guān)（b）雷達(dá)調(diào)整前回波對比（單位：dBz）

3　調(diào)整方法

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。影響強(qiáng)度定標(biāo)的適配參數(shù)主要是功率和路徑損耗。在關(guān)閉發(fā)射機(jī)高壓的前提下，運行測試平臺Rdasot．exe，設(shè)置信號類型CW，射頻源選擇頻綜，測量CW信號到4位開關(guān)4A22/ J3的功率P1（P1對應(yīng)適配參數(shù)中Adaptation/ Receivation2/ R34項）和CW到接收機(jī)保護(hù)器2A3/ J3的功率P2。P1到P2之間的衰減值分配到測試路徑的4個適配數(shù)據(jù)中，其關(guān)系為：P2= P1+ R58+ R63+ R66+ R68（其中，R58、R63、R66、R68為負(fù)數(shù)）。定標(biāo)前先刪除D：＼Calibration＼Rdacalib．Dat文件，運行Rdasc．exe，查看性能參數(shù)中CW期望值與實測值之差ΔCW，ΔCW應(yīng)小于1 dB，否則可通過等量調(diào)整Adap/ R234項使之接近，調(diào)整R234項后RFD和KD的期望值和實測值也會相應(yīng)地發(fā)生變化，可通過R46和R47項進(jìn)行調(diào)整［10 -11］。

廣州雷達(dá)據(jù)此方法對適配參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整前后參數(shù)如表1所示：

表1 廣州雷達(dá)調(diào)整前后適配參數(shù)對比

4　檢驗

對廣州雷達(dá)適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，重新選取10組共同觀測區(qū)域的獨立回波反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，二者的差異減少為0．4 dBz左右，具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。同時，從調(diào)整后的1．5°基本反射率產(chǎn)品（圖2）也可以看出，2部雷達(dá)對同一回波的探測，無論是基本反射率強(qiáng)度，還是形狀、輪廓都更為接近。

表2 調(diào)整后的強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計　dBz

圖2 廣州（a）、韶關(guān)（b）雷達(dá)調(diào)整后回波對比（單位：dBz）

因經(jīng)緯度、海拔高度、探測方向、回波衰減差異等多種原因，不同雷達(dá)對同一目標(biāo)物的觀測很難做到嚴(yán)格意義上的同步。為使相鄰雷達(dá)對共同觀測區(qū)域的回波探測盡可能地一致，建議臺站先利用太陽法對各自雷達(dá)進(jìn)行自我標(biāo)定，在標(biāo)定后如存在偏差較大的情況，再考慮采用對相鄰2部雷達(dá)共同觀測區(qū)域中獨立回波的基本反射率強(qiáng)度平均值進(jìn)行對比分析找出差異，通過修改性能參數(shù)的方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。從廣州與韶關(guān)雷達(dá)的個例可以看出，該方法能起到一定的改進(jìn)作用。

同時，筆者還嘗試過采用等高平面位置顯示圖CAPPI來做對比，以減少海拔差異帶來的影響，但因為CAPPI產(chǎn)品是通過插值方式生成的，有更大的不可靠性，從對比結(jié)果來看，不如基本反射率的效果好。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：P41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．018

收稿日期：2015 -07 -18

基金項目：廣州市氣象局科研項目《基于臨近原則的天氣雷達(dá)強(qiáng)度定標(biāo)方法研究》（項目編號：201404）

作者簡介：吳少峰（1883年生），男，工程師，主要從事雷達(dá)技術(shù)保障和應(yīng)用工作。E - mail：xfwu31＠163．com