許長義，卜清軍，徐靈芝，莊 庭

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

天津新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/SA)定標(biāo)對比分析

許長義，卜清軍，徐靈芝，莊 庭

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

回波強(qiáng)度定標(biāo)是保障 CINRAD/SA回波強(qiáng)度測量精度的關(guān)鍵技術(shù)，將直接影響雷達(dá)定量估測降水產(chǎn)品的可靠性。應(yīng)用天津 CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)定標(biāo)前后的反射率強(qiáng)度資料，對天津雷達(dá)反射率強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：定標(biāo)后天津雷達(dá)基本反射率因子強(qiáng)度有所增強(qiáng)，尤其是高仰角反射率增強(qiáng)更加明顯；對于積層混合降水回波，定標(biāo)后天津多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子強(qiáng)度有所提高。

CINRAD/SA雷達(dá) 定標(biāo) 回波強(qiáng)度 對比分析

0 引 言

天津新一代多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD/SA，以下簡稱天津雷達(dá))坐落于濱海新區(qū)，是中國氣象局首批在沿海地區(qū)布設(shè)的 14部多普勒天氣雷達(dá)之一，也是華北地區(qū)建設(shè)的第 1部天氣雷達(dá)，至今已使用超過13年，為天津及華北地區(qū)天氣預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。然而，隨著設(shè)備老化以及觀測環(huán)境的變化，天津雷達(dá)回波強(qiáng)度偏弱 3.5,dB，對短時臨近預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)產(chǎn)生了一定影響。我國新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，在雷達(dá)維護(hù)定標(biāo)方面，已積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。[1-4]

2015年8月21～25日，北京敏視達(dá)公司對影響天津雷達(dá)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的故障部件更換、維修、調(diào)試，對雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天伺系統(tǒng)或系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的定標(biāo)，定標(biāo)后的天津雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)及性能是否得到提升，則需要通過詳細(xì)的對比分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 資料與方法

1.1 資料

此次對比分析選取河北滄州 CINRAD/SA多普勒雷達(dá)(以下簡稱滄州雷達(dá))作為參照，原因主要有三方面：①兩部雷達(dá)型號相同；②滄州距天津雷達(dá)110,km，是距離濱海新區(qū)最近的一部雷達(dá)；③由于滄州雷達(dá)位于天津雷達(dá)西南方向，有效填補(bǔ)了天津雷達(dá)消隱而造成的遮擋問題。

為比較天津雷達(dá)在定標(biāo)前后的差異特征，這里選取定標(biāo)前2015年8月19日的短時強(qiáng)降水過程，定標(biāo)后分別選取2015年8月28日的冰雹過程以及8月31日～9月 1日的暴雨兩次對流性質(zhì)不同的過程進(jìn)行對比分析，通過對以上3次典型的夏季強(qiáng)對流過程進(jìn)行分析，可增加結(jié)果的可信度。為保證數(shù)據(jù)的合理性，對比分析均采用濾波后的基數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。

1.2 方法

多普勒天氣雷達(dá)是在固定仰角上掃描 360,°進(jìn)行采樣的，[5]即在某一仰角，雷達(dá)天線繞垂直軸進(jìn)行360,°掃描，所采集到的是圓錐面上的資料。在每個仰角上，以雷達(dá)為中心，沿著雷達(dá)波束向外，徑向距離增加的同時距地面高度也在增加。因此在進(jìn)行天津雷達(dá)與滄州雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度對比時應(yīng)注意到，盡量選取距兩部雷達(dá)相同距離且相同(或接近相同)高度的點(diǎn)進(jìn)行對比。具體方法：連接天津和滄州兩部雷達(dá)，過連線中點(diǎn)且垂直于連線，在兩部雷達(dá)探測范圍內(nèi)即是所要求的等距離等高度線。

受雷達(dá)自身參數(shù)、雷達(dá)波的衰減以及雷達(dá)入射方向不同的制約，加之天津和滄州兩部雷達(dá)的海拔高度不同(天津雷達(dá)海拔高度為 69.8,m，滄州雷達(dá)海拔高度為 111.9,m)，難以實(shí)現(xiàn)兩部雷達(dá)產(chǎn)品的精確對比，但是，通過等距、等高、等時次的多個體掃反射率因子的對比，能夠定性分析天津雷達(dá)在定標(biāo)前后的差異，且具有一定的科學(xué)依據(jù)。

2 8月19日(定標(biāo)前)短時強(qiáng)降水過程對比分析

2015年8月19日07～09時，濱海新區(qū)南部出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，其中大港濱海水廠小時雨強(qiáng)達(dá)33.3,mm，塘沽臨港小時雨強(qiáng)達(dá)29.5,mm，以下主要對該時段內(nèi)的基本反射率和組合反射率進(jìn)行對比分析。

2.1 基本反射率對比(見圖1)

圖1 天津和滄州雷達(dá)基本反射率因子Fig.1 Basic reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou

選取白色直線(或無限接近)上相同經(jīng)緯度、相同高度上(或高度基本一致)的像素點(diǎn)，天津 0.5,°仰角的反射率因子為37.5,dBz，滄州0.5,°仰角的反射率因子為 47.5,dBz；天津 1.5,°仰角的反射率因子為47.5,dBz，滄州 1.5,°仰角的反射率因子為 52.5,dBz；天津 2.4,°仰角的反射率因子為 57.5,dBz，滄州 2.4,°的反射率因子為62.5,dBz；天津3.4,°仰角的反射率因子為 57.5,dBz，滄州 3.4,°仰角的反射率因子為62.5,dBz。由強(qiáng)降水時段內(nèi)同時次、同仰角、同距離、同高度的雷達(dá)基本反射率因子對比結(jié)果可見，天津雷達(dá) 0.5,°仰角反射率因子比滄州偏弱 10,dBz，1.5,°、2.4,°及3.4,°仰角反射率因子比滄州偏弱5,dBz。

2.2 組合反射率對比(見圖2)

圖2 天津和滄州雷達(dá)組合反射率因子Fig.2 Combined reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou

由強(qiáng)降水時段內(nèi)同時次、同距離雷達(dá)組合反射率因子對比結(jié)果可見，8月19日08：18天津雷達(dá)強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到 57.5,dBz，此時滄州雷達(dá)相同位置回波強(qiáng)度為 62.5,dBz；08：48天津雷達(dá)強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到52.5,dBz，此時滄州雷達(dá)相同位置回波強(qiáng)度為57.5,dBz，天津雷達(dá)組合反射率因子比滄州偏弱5,dBz。

通過上述對比可以看出，天津雷達(dá)定標(biāo)前無論是基本反射率因子還是組合反射率因子，其強(qiáng)回波中心強(qiáng)度較滄州雷達(dá)偏弱5～10,dBz左右。

3 8月28日(定標(biāo)后)冰雹過程對比分析

2015年 8月 28日午后，濱海新區(qū)多地出現(xiàn)冰雹，部分區(qū)域自動站出現(xiàn)小時雨強(qiáng)超過 30,mm的短時強(qiáng)降水。這次過程強(qiáng)回波首先在天津?yàn)I海新區(qū)東部沿海生成，隨后沿海強(qiáng)回波與濱海新區(qū)中部強(qiáng)回波合并增強(qiáng)，導(dǎo)致濱海新區(qū)強(qiáng)對流天氣。但由于初生強(qiáng)回波位于天津雷達(dá)站東南方向10,km處，對應(yīng)到滄州雷達(dá)相應(yīng)仰角時強(qiáng)回波高度和距離不同，失去可比性，因此選取該過程發(fā)展后期幾個體掃進(jìn)行比較。

3.1 基本反射率對比(見圖3)

圖3 天津和滄州雷達(dá)基本反射率因子Fig.3 Basic reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou

同樣方法選取白色直線(或無限接近)上相同經(jīng)緯度、相同高度上(或高度基本一致)的像素點(diǎn)，天津0.5,°仰角的反射率因子為52.5,dBz，滄州0.5,°仰角的反射率因子為57.5,dBz；天津1.5,°仰角的反射率因子為 52.5,dBz，滄州 1.5,°仰角的反射率因子為52.5,dBz；天津 2.4,°仰角的反射率因子為 57.5,dBz，滄州 2.4,°仰角的反射率因子為 47.5,dBz；天津 3.4,°仰角的反射率因子為57.5,dBz，滄州3.4,°仰角的反射率因子為 47.5,dBz。由同時次、同仰角、同距離、同高度的雷達(dá)基本反射率因子對比結(jié)果可見，天津雷達(dá)0.5,°仰角反射率因子比滄州偏弱 5,dBz，1.5,°仰角反射率因子與滄州基本持平，2.4,°及3.4,°仰角反射率因子比滄州偏強(qiáng)10,dBz。

3.2 組合反射率對比(見圖4)

圖4 天津和滄州雷達(dá)組合反射率因子Fig.4 Combined reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou

組合反射率的對比結(jié)果表明，28日 14：30天津雷達(dá)強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到52.5,dBz，此時滄州雷達(dá)相同位置回波強(qiáng)度為 57.5,dBz；15：00天津雷達(dá)強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到 57.5,dBz，此時滄州雷達(dá)相同位置回波強(qiáng)度為62.5,dBz，強(qiáng)回波中心強(qiáng)度比滄州雷達(dá)偏弱5,dBz。

通過對比8月28日冰雹過程的反射率因子可以看出，對于積云降水回波，天津雷達(dá)定標(biāo)后 2.4,°及3.4,°仰角反射率因子比滄州偏強(qiáng) 10,dBz，1.5,°仰角基本反射率與滄州雷達(dá)基本持平，0.5,°仰角和組合反射率因子強(qiáng)度比滄州偏弱5,dBz左右，與定標(biāo)前相比基本反射率因子強(qiáng)度有所提升。

4 8月31日(定標(biāo)后)暴雨過程對比分析

2015年8月31日～9月1日天津全市大部均出現(xiàn)暴雨，這次降水持續(xù)時間長，降水性質(zhì)以積層混合性降水為主，國家基本站中僅大港出現(xiàn)雨強(qiáng)超過20,mm·h-1的短時強(qiáng)降水，分別出現(xiàn)在 31日 11時和9月1日03～04時，這里重點(diǎn)對比這兩個時段內(nèi)反射率因子的特征。

通過對比8月31日～9月1日暴雨過程的反射率因子可以看出，對于積層混合性降水回波，天津雷達(dá) 1.5,°仰角和組合反射率與滄州雷達(dá)強(qiáng)度基本持平，天津雷達(dá)0.5,°、2.4,°和3.4,°仰角比滄州雷達(dá)偏強(qiáng)10～15,dBz。與定標(biāo)前相比，其基本反射率因子和組合反射率因子強(qiáng)度均有很大提升(見表1、2)。

表1 定標(biāo)前后天津與滄州雷達(dá)基本反射率因子對比表Tab.1 Contrast of basic reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou before and after calibration

表2 定標(biāo)前后天津與滄州雷達(dá)組合反射率因子對比表Tab.2 Contrast of combined reflectivity factors shown on radars in Tianjin and Cangzhou before and after calibration

5 結(jié)論與討論

利用定標(biāo)前后天津雷達(dá)反射率資料，結(jié)合滄州雷達(dá)資料進(jìn)行對比分析，得到的初步結(jié)論如下：①定標(biāo)后天津多普勒天氣雷達(dá)基本反射率因子強(qiáng)度有所增強(qiáng)，尤其是高仰角反射率增強(qiáng)更加明顯；②對于積層混合降水回波，定標(biāo)后天津多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子強(qiáng)度有所提高；③多普勒天氣雷達(dá)上探測到的弱窄帶回波對強(qiáng)對流天氣的短臨預(yù)報具有重要的指示意義，定標(biāo)后雷達(dá)對窄帶回波的探測是否產(chǎn)生影響仍需要更多個例進(jìn)行驗(yàn)證。

以上對兩部雷達(dá)對比分析時忽略了天津雷達(dá)與滄州雷達(dá)的自身高度差(相差約 40,m)，該高度差是否造成定標(biāo)后8月28日0.5,°仰角反射率因子偏弱及定標(biāo)后兩次過程 1.5,°仰角反射率因子均與滄州持平仍需進(jìn)一步討論研究；其次，由于雷達(dá)探測的云和降水回波結(jié)構(gòu)及雷達(dá)估測降水量受諸多因素影響，不同雷達(dá)由于定標(biāo)參數(shù)以及雷達(dá)入射方向不同，探測相同對流云的結(jié)果也可能有所不同，因而在對比不同雷達(dá)結(jié)果時仍需謹(jǐn)慎。最后，本文選取了 3次對流天氣進(jìn)行對比分析，更多雷達(dá)定標(biāo)前后對不同性質(zhì)降水天氣所產(chǎn)生的影響仍有待進(jìn)行更深入的研究。■

［1］ 潘新民，柴秀梅，黃躍青，等. CINRAD/SA&SB回波強(qiáng)度定標(biāo)故障的診斷分析和解決方法[J]. 氣象，2010，36(12)：122-127.

［2］ 潘新民，柴秀梅，崔柄儉，等. CINRAD/SB雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)調(diào)校方法[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2010，21(6)：739-746.

［3］ 柴秀梅，黃曉，黃興玉. 新一代天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度自動標(biāo)校技術(shù)[J]. 氣象科技，2007，35(3)：418-422.

［4］ 陳德生，謝君，曲楠，等. 新一代多普勒天氣雷達(dá)參數(shù)測量和性能標(biāo)定[J]. 河南氣象，2006(4)：88-89.

［5］ 俞小鼎，姚秀萍，熊延南，等. 多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M]. 北京：氣象出版社，2006：47.

Comparative Analysis of Tianjin CINRAD/SA Radar Echo Intensity Calibration

XU Changyi，BU Qingjun，XU Lingzhi，ZHUANG Ting
(Binhai New Area Meteorological Office of Tianjin，Tianjin 300457，China)

CINRAD echo intensity calibration is the key technology to improve the reliability of observational data，which can lead to large measurement error．Based on the reflectivity data before and after calibration of Tianjin CINRAD/SA radar，this paper contrasts reflectivity data．It shows that the intensity of Tianjin radar reflectivity was increased after calibration，especially at 2.4 ° and 3.4 °．The CR was also increased for stratiform mixed precipitation echo.

CINRAD/SA radar；echo intensity calibration；echo intensity；comparative analysis

P457

A

1006-8945(2016)07-0066-04

天津市氣象局科研項(xiàng)目(201610ybxm07)。

2016-06-06