謝曉林,胡 迪,鄭 偉,彭 濤,景號(hào)然

(1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心,四川 成都 610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610072;3.四川省氣象臺(tái),四川 成都 610072)

0 引言

成都CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)自2022年2月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái),性能穩(wěn)定,雷達(dá)數(shù)據(jù)在短臨預(yù)報(bào)、人工影響天氣等方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)中國(guó)氣象局要求,成都雷達(dá)先后完成了出廠測(cè)試、安裝后測(cè)試和業(yè)務(wù)準(zhǔn)入測(cè)試,3次測(cè)試結(jié)果都完全滿足測(cè)試大綱的性能指標(biāo)要求。

雷達(dá)調(diào)試完成后,雷達(dá)性能在短時(shí)間內(nèi)的變化很小,上述3次測(cè)試都僅依靠24～48 h的考機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)判斷雷達(dá)的正常與否,如要評(píng)估分析雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,應(yīng)采用長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)來(lái)分析[1-3]。成都雷達(dá)作為四川省首批雙偏振新一代天氣雷達(dá),研究其數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,特別是雙偏振參量(差分反射率Zdr、差分相移Φdp、差分相移率Kdp、相關(guān)系數(shù)CC等)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,是保證成都新一代天氣雷達(dá)完成雙偏振升級(jí)后充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)和效益的重要環(huán)節(jié)[4-6]。

標(biāo)準(zhǔn)差分析法是一種有效的雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法。李思騰等[7]利用標(biāo)準(zhǔn)差分析了X波段雙偏振天氣雷達(dá)在一次降水個(gè)例過(guò)程中的偏振參量標(biāo)準(zhǔn)差分布情況,通過(guò)徑向數(shù)據(jù)與前后3個(gè)距離庫(kù)的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,得到X波段天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法。X波段天氣雷達(dá)距離庫(kù)多為75 m,3個(gè)距離庫(kù)為225 m,然而新一代天氣雷達(dá)距離庫(kù)長(zhǎng)多為250～300 m,如采用該方法計(jì)算徑向數(shù)據(jù)前后3個(gè)距離庫(kù)長(zhǎng)之間的標(biāo)準(zhǔn)差,空間尺度增大到750 m以上,當(dāng)天氣過(guò)程變化較大時(shí),實(shí)際回波的正常變化也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差變大。針對(duì)該問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種適用于S波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估方法,最大限度地降低了空間尺度帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)差增量。通過(guò)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間序列天氣雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù),得到成都CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量結(jié)果,以期能對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)在天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣中的應(yīng)用和利用雷達(dá)數(shù)據(jù)開(kāi)展定量估測(cè)降水、雨滴譜反演和粒子相態(tài)識(shí)別等方面的研究工作提供參考依據(jù)。

1 雷達(dá)與數(shù)據(jù)

成都雷達(dá)站建于成都市東南側(cè)的龍泉山脈上,此處地勢(shì)高于成都平原海拔,雷達(dá)能覆蓋整個(gè)成都市區(qū),并能觀測(cè)到主要天氣過(guò)程來(lái)向方向的回波。成都市地形復(fù)雜,北屬龍門山脈,西屬邛崍山脈,與阿壩州相連,東南側(cè)有龍泉山脈,與內(nèi)江市接壤,南靠樂(lè)山市,西南側(cè)與雅安市交接。龍泉山脈由東北向西南傾斜,龍門山脈和邛崍山由東北繞向西南,分別縱貫成都市的東西兩側(cè)。

本文統(tǒng)計(jì)分析了2022年2—10月成都CINRAD/SAD型雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,利用適用于S波段天氣雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)差分析法對(duì)所有降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行定量評(píng)估,得到了成都雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估結(jié)果。

2 標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估方法

統(tǒng)計(jì)天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差,可以了解雷達(dá)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況。在雷達(dá)參數(shù)性能一切正常的情況下,基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該符合一定的理論分布,允許氣象回波數(shù)據(jù)存在理論標(biāo)準(zhǔn)差,正常的基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分布應(yīng)該大部分小于或等于標(biāo)準(zhǔn)差理論值。所以計(jì)算雷達(dá)參量標(biāo)準(zhǔn)差的理論值是標(biāo)準(zhǔn)差分析法評(píng)估天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的第一步。

圖1 成都CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)位置

得到標(biāo)準(zhǔn)差理論值后,再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差算法計(jì)算雷達(dá)基數(shù)據(jù)的水平極化反射率因子Zh、差分反射率Zdr、差分相移Φdp和相關(guān)系數(shù)CC實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)差,與理論公式得到的標(biāo)準(zhǔn)差相比較,統(tǒng)計(jì)4種物理量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差超差情況,以反映雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。文章算法僅適用于天氣雷達(dá)物理量參數(shù),暫不統(tǒng)計(jì)徑向速度V和速度譜寬W的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。另外,由于偏振參量差分相移率Kdp是由Φdp直接計(jì)算得到,Kdp的數(shù)據(jù)質(zhì)量可參考Φdp的評(píng)估結(jié)果。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差理論值計(jì)算

利用標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)天氣雷達(dá)的Zh、Zdr、Φdp和CC物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評(píng)估,是分析雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效方法。GUIFU ZHANG[8]給出了計(jì)算Zh、Zdr、Φdp和CC標(biāo)準(zhǔn)差理論值的公式,認(rèn)為當(dāng)雷達(dá)硬件參數(shù)正常時(shí),氣象目標(biāo)觀測(cè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)符合一定理論分布,可以通過(guò)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分布來(lái)定量判斷雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量是否正常。Zh、Zdr、CC和Φdp的標(biāo)準(zhǔn)差理論值公式如下:

(1)

式中,SDZh、SDZdr、SDCC和SDΦdp分別表示Zh、Zdr、CC和Φdp標(biāo)準(zhǔn)差理論值,Mi表示獨(dú)立樣本數(shù),其計(jì)算公式如下:

(2)

可見(jiàn),整理得到的Zh、Zdr、CC和Φdp標(biāo)準(zhǔn)差理論值僅與σv和CC有關(guān),其余參數(shù)在雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)中皆為固定值。σv(單位:m·s-1)表示大氣湍流速度,PRF(單位:Hz)表示脈沖重復(fù)頻率,成都雷達(dá)1～2層仰角的PRF為322 Hz。λ(單位:cm)表示雷達(dá)波長(zhǎng),如成都雷達(dá)波長(zhǎng)為10.42 cm。M(單位:個(gè))表示雷達(dá)脈沖采樣個(gè)數(shù),成都雷達(dá)脈沖采樣個(gè)數(shù)M為32個(gè)。

文章數(shù)據(jù)質(zhì)量定量評(píng)估方法主要針對(duì)有天氣過(guò)程的數(shù)據(jù),降水回波的CC一般在0.9～0.99之間,假定大氣湍流速度σv在0.5～10 m·s-1之間,即可得到標(biāo)準(zhǔn)差理論值的上限,計(jì)算得成都雷達(dá)0.5°仰角Zh、Zdr、CC和Φdp標(biāo)準(zhǔn)差理論值上限[9-10],詳見(jiàn)表1。

表1 成都SAD雷達(dá)Zh、Zdr、Φdp和CC標(biāo)準(zhǔn)差理論值

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)際值

原始的標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)際值計(jì)算方法通過(guò)徑向數(shù)據(jù)與前后3個(gè)距離庫(kù)的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,在計(jì)算S波段天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí),空間尺度達(dá)到了750 m以上,當(dāng)天氣過(guò)程變化較大時(shí),實(shí)際回波的正常變化也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差變大。針對(duì)該問(wèn)題,本文根據(jù)S波段雙偏振新一代天氣雷達(dá)距離庫(kù)長(zhǎng)的實(shí)際情況,改良了標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法,采用計(jì)算徑向數(shù)據(jù)周圍1個(gè)距離庫(kù)范圍內(nèi)的8個(gè)數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)差,這樣可以最大限度地保持參與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,減小由于實(shí)際天氣變化而帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)差增量,示意見(jiàn)圖2。

圖2 改良的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法示意圖

根據(jù)上述條件,得到標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式如下:

(3)

3 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法改良效果

文章通過(guò)對(duì)比改良前后標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法對(duì)正常回波數(shù)據(jù)和異?；夭〝?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,驗(yàn)證改良后算法對(duì)S波段天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的合理性。

2022年9月7日20時(shí)31分成都天氣雷達(dá)站觀測(cè)到一次降水過(guò)程,以此基數(shù)據(jù)作為正常回波數(shù)據(jù),圖3a給出了改良前后算法計(jì)算得到的Zdr標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比分布圖,圖中虛線表示SDZdr標(biāo)準(zhǔn)值的位置。可見(jiàn),對(duì)于正?；夭〝?shù)據(jù)而言,標(biāo)準(zhǔn)差算法改良前后得到的分布結(jié)果趨勢(shì)相近,改良后算法計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差稍大一些,標(biāo)準(zhǔn)差算法改良前后得到的分布結(jié)果低于SDZdr標(biāo)準(zhǔn)值的占比分別為82.84%和81.38%。

圖3 算法改良前后計(jì)算正常(a)、異常(b)回波數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖

2022年5月5日08時(shí)33分成都雷達(dá)回波出現(xiàn)嚴(yán)重干擾,以此基數(shù)據(jù)作為異常回波數(shù)據(jù),圖3b給出了標(biāo)準(zhǔn)差算法改良前后計(jì)算得到的Zdr標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比分布圖。可見(jiàn),改良前后得到的結(jié)果趨勢(shì)差異明顯,原算法得到的標(biāo)準(zhǔn)差分布在小值區(qū)域,低于SDZdr標(biāo)準(zhǔn)值的占比為97.24%,并未反映出數(shù)據(jù)異常情況;改良后的標(biāo)準(zhǔn)差算法得到了較大的結(jié)果,低于SDZdr標(biāo)準(zhǔn)值的占比僅為10.66%,反映出了異常回波較差的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 評(píng)估結(jié)果

4.1 Zh評(píng)估結(jié)果

根據(jù)本文改進(jìn)后的天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)差算法,統(tǒng)計(jì)分析2022年2—10月成都CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,圖4a給出了成都雷達(dá)反射率因子Zh標(biāo)準(zhǔn)差分布結(jié)果,統(tǒng)計(jì)樣本量超過(guò)80萬(wàn)。另外,根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)差理論值結(jié)果,成都雷達(dá)的SDZh標(biāo)準(zhǔn)值為1.89 dBz,如圖4a中虛線所示?？梢?jiàn),成都雷達(dá)Zh標(biāo)準(zhǔn)差低于SDZh標(biāo)準(zhǔn)值上限的比例不大,僅為43.67%,反映出Zh的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,Zh數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)。

圖4 成都雷達(dá)Zh(a)、Zdr(b)、Φdp(c)、CC(d)標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

4.2 Zdr標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估

根據(jù)表1得到的結(jié)果,成都差分反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差SDZdr上限為1.46,圖4b給出了成都雷達(dá)Zdr標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,成都雷達(dá)Zdr標(biāo)準(zhǔn)差總體都小于1.46 dB,圖中虛線表示SDZdr的位置,Zdr標(biāo)準(zhǔn)差低于SDZdr上限的比例為84.09%,可以認(rèn)為Zdr數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較小。

4.3 Φdp標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估

根據(jù)表1得到的結(jié)果,成都雷達(dá)差分相移標(biāo)準(zhǔn)差SDΦdp上限為3.14°,圖4c給出了成都雷達(dá)Φdp標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,成都雷達(dá)的Φdp標(biāo)準(zhǔn)差總體都大于3.14°,圖中虛線表示SDΦdp的位置,Φdp標(biāo)準(zhǔn)差低于SDΦdp上限的比例為34.54%,Φdp數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大。

較低的比例反映出Φdp數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較差,因此需要定期對(duì)Φdp數(shù)據(jù)進(jìn)行定量校準(zhǔn)。利用Φdp數(shù)據(jù)參與進(jìn)行雷達(dá)定量降水估測(cè)(QPE)時(shí),Φdp數(shù)據(jù)自己的波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致估測(cè)結(jié)果的偏差變大[11]。

4.4 CC標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估

成都雷達(dá)相關(guān)系數(shù)CC的標(biāo)準(zhǔn)差SDCC上限為0.07,圖4d給出了成都雷達(dá)CC標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,CC標(biāo)準(zhǔn)差總體都小于0.07,圖中虛線表示SDCC的位置,低于SDCC上限的比例為87.10%,CC數(shù)據(jù)的波動(dòng)性很小,標(biāo)準(zhǔn)差為0的占比也較高。

5 結(jié)論與討論

文章針對(duì)S波段雙偏振天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)了一種改良的標(biāo)準(zhǔn)差分析方法,用以評(píng)估雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量。該算法在保障計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下,減少了算法的空間隨機(jī)性,也能反映出異常回波數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,通過(guò)評(píng)估2022年2—10月成都雷達(dá)基數(shù)據(jù)Zh、Zdr、CC和Φdp的數(shù)據(jù)質(zhì)量,得到了如下結(jié)果:

(1)改良的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法在計(jì)算正常雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí),能得到與原始方法相同趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)差分布結(jié)果,而在計(jì)算異常雷達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),能得到較大的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。

(2)成都雷達(dá)Zh存在較大波動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)差低于SDZh標(biāo)準(zhǔn)值的比例僅43.67%。

(3)成都雷達(dá)Zdr和CC數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,標(biāo)準(zhǔn)差低于SDZdr和SDCC標(biāo)準(zhǔn)值的比例分別為84.09%和87.10%,Φdp的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,標(biāo)準(zhǔn)差低于SDΦdp上限的比例僅34.54%。