臨近雷達(dá)回波強(qiáng)度的誤差分析及調(diào)整方法

吳少峰，趙琴，胡偉峰，劉霞

（1．廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；2．廣州市防雷設(shè)施檢測(cè)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(tái)，廣東廣州 511430；2．廣州市防雷設(shè)施檢測(cè)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(duì)同一目標(biāo)物的探測(cè)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(cè)區(qū)域中的一塊獨(dú)立回波，統(tǒng)計(jì)分析其基本反射率平均強(qiáng)度值，通過(guò)多組數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出2部雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)物探測(cè)強(qiáng)度的差異，并據(jù)此對(duì)適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使二者對(duì)同一回波的探測(cè)趨于一致。以廣州、韶關(guān)2部雷達(dá)為例，通過(guò)調(diào)整前后的數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)品對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：大氣探測(cè)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(cè)的基礎(chǔ)，能提高觀測(cè)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(guò)實(shí)例驗(yàn)證了調(diào)整適配參數(shù)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)品強(qiáng)度的影響。北京敏視達(dá)公司在對(duì)廣東8部多普勒雷達(dá)做統(tǒng)一強(qiáng)度定標(biāo)時(shí)將一個(gè)月的反射率數(shù)據(jù)做累計(jì)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(cè)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(cè)區(qū)域中的一塊獨(dú)立回波，統(tǒng)計(jì)分析其基本反射率平均強(qiáng)度值，通過(guò)多組數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出兩部雷達(dá)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)物探測(cè)強(qiáng)度的差異，并據(jù)此對(duì)適配參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使兩者對(duì)同一個(gè)回波的探測(cè)趨于一致。從廣州、韶關(guān)兩部雷達(dá)的調(diào)整實(shí)例來(lái)看，調(diào)整后2部雷達(dá)觀測(cè)同一個(gè)回波的強(qiáng)度、形狀、輪廓等方面都更為接近，希望該方法對(duì)全省雷達(dá)拼圖和預(yù)報(bào)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(duì)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(duì)同一個(gè)回波的探測(cè)依然會(huì)存在偏差［8 -8］，導(dǎo)致偏差的原因主要有以下幾個(gè)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(shí)，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(hào)源輸出幅度會(huì)有一定波動(dòng)，接收機(jī)源部件增益隨時(shí)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(shí)間內(nèi)一次性完成整個(gè)標(biāo)定過(guò)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(cè)試的，現(xiàn)場(chǎng)安裝后可能會(huì)產(chǎn)生一定的變化，或隨時(shí)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(dòng)測(cè)量不夠精確，也可能會(huì)導(dǎo)致回波強(qiáng)度計(jì)算誤差；發(fā)射功率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)距離弱回波檢測(cè)能力不足。

2　回波差異對(duì)比分析

基于上述原因，當(dāng)不同雷達(dá)對(duì)回波的探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時(shí)，會(huì)影響全省雷達(dá)拼圖和預(yù)報(bào)效果。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是要找出不同雷達(dá)間探測(cè)強(qiáng)度的差異，再通過(guò)調(diào)整適配參數(shù)，使兩者對(duì)同一回波的探測(cè)趨于一致。為此，本研究選取了相鄰2部雷達(dá)同1個(gè)時(shí)次、共同觀測(cè)區(qū)域中垂線附近的一塊獨(dú)立回波，通過(guò)計(jì)算同一仰角基本反射率平均強(qiáng)度值，獲得2部雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)物探測(cè)強(qiáng)度的差異。

在選定共同觀測(cè)區(qū)域中的獨(dú)立回波時(shí)有3個(gè)原則：第1，必須選擇同一個(gè)觀測(cè)時(shí)次的回波，只有同一個(gè)時(shí)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(cè)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(dú)立成塊，便于基本發(fā)射率強(qiáng)度值的提取和統(tǒng)計(jì)，免于受周圍其它回波的干擾。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，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(cè)到的回波信息太少。同時(shí)，剔除了15 dBz以下的強(qiáng)度值，因?yàn)?5 dBz以下基本不會(huì)形成降雨，如果納入考慮則會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果。最后，必須采用多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以減少個(gè)例差異所帶來(lái)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(jì)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(cè)半徑為230 km，2站存在較大的共同探測(cè)區(qū)域，一般在2站的垂直平分線附近選取共同探測(cè)回波。2014年6月4日05：42：00（世界時(shí)），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(dú)立回波（圖1），以18號(hào)產(chǎn)品基本反射率1．5°仰角圖來(lái)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(guò)讀取基數(shù)據(jù)，獲取該仰角每個(gè)距離庫(kù)的基本反射率值，進(jìn)行算術(shù)平均。經(jīng)計(jì)算，廣州雷達(dá)探測(cè)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(duì)10組個(gè)例數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)差值求平均，計(jì)算出廣州、韶關(guān)2部雷達(dá)對(duì)同一塊回波的基本反射率探測(cè)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(duì)比（單位：dBz）

3　調(diào)整方法

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)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(yùn)行測(cè)試平臺(tái)Rdasot．exe，設(shè)置信號(hào)類型CW，射頻源選擇頻綜，測(cè)量CW信號(hào)到4位開(kāi)關(guān)4A22/ J3的功率P1（P1對(duì)應(yīng)適配參數(shù)中Adaptation/ Receivation2/ R34項(xiàng)）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(cè)試路徑的4個(gè)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(yùn)行Rdasc．exe，查看性能參數(shù)中CW期望值與實(shí)測(cè)值之差ΔCW，ΔCW應(yīng)小于1 dB，否則可通過(guò)等量調(diào)整Adap/ R234項(xiàng)使之接近，調(diào)整R234項(xiàng)后RFD和KD的期望值和實(shí)測(cè)值也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，可通過(guò)R46和R47項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整［10 -11］。

廣州雷達(dá)據(jù)此方法對(duì)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(duì)比

4　檢驗(yàn)

對(duì)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(cè)區(qū)域的獨(dú)立回波反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)如表2所示。同時(shí)，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(duì)同一回波的探測(cè)，無(wú)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(jì)　dBz

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

因經(jīng)緯度、海拔高度、探測(cè)方向、回波衰減差異等多種原因，不同雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)物的觀測(cè)很難做到嚴(yán)格意義上的同步。為使相鄰雷達(dá)對(duì)共同觀測(cè)區(qū)域的回波探測(cè)盡可能地一致，建議臺(tái)站先利用太陽(yáng)法對(duì)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(duì)相鄰2部雷達(dá)共同觀測(cè)區(qū)域中獨(dú)立回波的基本反射率強(qiáng)度平均值進(jìn)行對(duì)比分析找出差異，通過(guò)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(gè)例可以看出，該方法能起到一定的改進(jìn)作用。

同時(shí)，筆者還嘗試過(guò)采用等高平面位置顯示圖CAPPI來(lái)做對(duì)比，以減少海拔差異帶來(lái)的影響，但因?yàn)镃APPI產(chǎn)品是通過(guò)插值方式生成的，有更大的不可靠性，從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，不如基本反射率的效果好。

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中圖分類號(hào)：P41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

收稿日期：2015 -07 -18

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

作者簡(jiǎn)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