強(qiáng)對流天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度相關(guān)性對比分析

鄒書平，李 波，楊 哲，曹 水，李 皓

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；2.貴州省冰雹防控工程技術(shù)中心，貴州 貴陽 550081；3.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002；4.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

1 引言

隨著我國新一代天氣雷達(dá)觀測網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，上下游區(qū)域性雷達(dá)組網(wǎng)在強(qiáng)對流天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析判斷中發(fā)揮著重要作用[1-4]。在山區(qū)復(fù)雜地形條件下，新一代天氣雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)不僅受雷達(dá)性能參數(shù)的限制，而且也會(huì)因地物遮擋而出現(xiàn)探測盲區(qū)，造成天氣雷達(dá)探測的回波參量的失真，從而對山區(qū)局地強(qiáng)對流天氣準(zhǔn)確分析判斷產(chǎn)生一定的影響。史銳等[5]分析了長江流域2部S波段和3部C波段多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度特征，表明S波段和C波段雷達(dá)回波強(qiáng)度存在整體性的差異；肖艷嬌等[6]對比分析了長江中游5部S波段多普勒雷達(dá)，結(jié)果表明各雷達(dá)之間存在強(qiáng)度、高度、位置上的差異。徐八林等[7-8]分析了高山雷達(dá)探測對估測降水的影響，提出改進(jìn)高山雷達(dá)低層回波探測能力的方法。鄒書平等[9]對一次強(qiáng)冰雹天氣過程雙雷達(dá)回波特征參數(shù)對比分析，提出山區(qū)雷達(dá)識別冰雹云回波的技術(shù)方法。

為了減小貴州山區(qū)各天氣雷達(dá)之間對降水目標(biāo)物回波的觀測差異性，有效改進(jìn)雷達(dá)組網(wǎng)拼圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步提高山區(qū)局地強(qiáng)對流天氣過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)水平，同時(shí)為人工影響天氣作業(yè)條件的判斷提供技術(shù)支持，有必要對貴州新一代天氣雷達(dá)之間回波特征參數(shù)進(jìn)行對比分析。在此，我們選取了貴陽—遵義、貴陽—畢節(jié)雷達(dá)之間典型強(qiáng)對流冰雹云天氣過程個(gè)例，對冰雹云單體回波的反射率因子大小、等高面強(qiáng)度分布、相同掃描仰角特征數(shù)據(jù)等進(jìn)行比較，并分析其雷達(dá)回波反射率因子差異性產(chǎn)生的原因，提出了基于山區(qū)復(fù)雜地形條件下的C波段雷達(dá)組網(wǎng)觀測能力的評估方法，從而為彌補(bǔ)單部雷達(dá)相互之間的探測盲區(qū)與雷達(dá)回波產(chǎn)品的應(yīng)用提供分析判斷的依據(jù)。

2 資料分析處理技術(shù)方法

本文選用了2011年4月14日和2012年4月29日貴州中西部納雍、大方、息烽、修文、開陽等地出現(xiàn)的兩次冰雹天氣過程，選取數(shù)據(jù)來源于對流單體從生成發(fā)展到成熟階段的雷達(dá)觀測序列資料，分析資料是貴陽、遵義和畢節(jié)的新一代天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)文件。其主要技術(shù)方法是采用雙線性插值技術(shù)把極坐標(biāo)系下的體掃基數(shù)據(jù)內(nèi)插到笛卡兒坐標(biāo)系中，生成所需要的雷達(dá)數(shù)據(jù)圖形產(chǎn)品，并按照方位、距離、高度格點(diǎn)和地理信息讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，以保證不同雷達(dá)提取的雷達(dá)回波特征參數(shù)處于相同位置或同一垂直剖面上，從而得到雷達(dá)實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在雷達(dá)資料處理過程中對地物回波及其他雜波進(jìn)行識別處理，以消除非氣象回波對真實(shí)數(shù)據(jù)的干擾。表1是三部新一代天氣雷達(dá)主要性能參數(shù)表。其中，貴陽與畢節(jié)、貴陽與遵義、畢節(jié)與遵義兩兩雷達(dá)站之間的距離分別為160 km、125 km、167 km。

表1 新一代天氣雷達(dá)主要性能參數(shù)Tab.1 The CINRAD/CD of Main Performance Parameters

注：型號均為CINRAD/CD

在此選取的強(qiáng)對流天氣屬于冰雹云，通常用“單體”來描述冰雹云的雷達(dá)回波特征。冰雹云單體雷達(dá)回波具有反射率因子強(qiáng)、中心結(jié)構(gòu)密實(shí)的特點(diǎn)[10-15]。參照這樣選取的冰雹云回波單體，各天氣雷達(dá)之間對同一單體回波的同步觀測具有很好的一致性，這樣就最大限度地減少了雷達(dá)回波反射率因子提取的誤差。表2是冰雹云單體回波對比觀測取樣時(shí)段信息表。

表2 冰雹云單體回波對比觀測取樣時(shí)段信息表Tab.2 The Radar Echo Information for Sampling Time Period of Hail Cloud Cell Contrast Observation

需要指出的是，由于受雷達(dá)波長、電磁波衰減、波束寬度、掃描速度以及降水粒子漲落等因素的影響，不同雷達(dá)要在同一時(shí)間對同一個(gè)降水粒子進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上觀測同步是不可能的。我們結(jié)合新一代天氣雷達(dá)觀測業(yè)務(wù)特點(diǎn)，為了盡可能地減小在時(shí)間上和位置上的不同步，采取以貴陽雷達(dá)觀測時(shí)間和位置為基準(zhǔn)，一是兩部雷達(dá)對比觀測的體掃時(shí)間差小于3 min，以減小雷達(dá)之間同步觀測的時(shí)間差；二是采取地理信息格點(diǎn)疊加方法，確定回波最大強(qiáng)度、方位和距離，以減小位置的偏移量。

3 回波強(qiáng)度相關(guān)性對比分析

3.1 回波強(qiáng)中心最大反射率因子

dBz=10 lg(Z/Z0)

Z0=1 mm6/mm3

這樣用dBz表示回波強(qiáng)度，它只取決于氣象目標(biāo)物本身，與天氣雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)距離無關(guān)[16]。

在概率論中，相關(guān)關(guān)系是指當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)相互聯(lián)系的變量取一定的數(shù)值時(shí)，與之相對應(yīng)的另一變量的值雖然不確定，但它仍按某種規(guī)律在一定的范圍內(nèi)變化。變量間的這種相互關(guān)系，稱為具有不確定性的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)是研究變量之間線性相關(guān)程度的量，用r表示，計(jì)算公式如下：

在此，以2011年4月14日(編號20110414)和2012年4月29日(編號20120429)兩次強(qiáng)對流冰雹天氣過程為例，分析最大反射率因子時(shí)序變化特征。圖1和圖2分別是貴陽與畢節(jié)、貴陽與遵義雷達(dá)之間雷達(dá)回波最大強(qiáng)度dBz值隨時(shí)間序列變化圖。

圖1 2011年4月14日17時(shí)38分—20時(shí)31分回波最大強(qiáng)度時(shí)序變化情況(20110414)Fig.1 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2011.4.14 17∶38—20∶31)

圖2 2012年4月29日17時(shí)03分—20時(shí)30分回波最大強(qiáng)度時(shí)序變化情況(20120429)Fig.2 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2012.4.29 17∶03—20∶30)

表3是兩部對比雷達(dá)之間回波強(qiáng)度差的最小值、最大值、平均值、相關(guān)系數(shù)以及取樣距離范圍的數(shù)據(jù)表。貴陽與畢節(jié)雷達(dá)之間的回波強(qiáng)度平均相差5.4 dBz；貴陽與遵義雷達(dá)之間雷達(dá)回波強(qiáng)度平均相差0.9 dBz。

表3 回波強(qiáng)度差的最小值、最大值、平均值和相關(guān)系數(shù)Tab.3 The Radar Echo Strength Difference of Minimum Value, Maximum Value, Average Value and Correlation Coefficient

通過回波強(qiáng)度時(shí)序變化和相關(guān)性分析表明，各雷達(dá)之間的回波強(qiáng)度具有很好的一致性波動(dòng)變化特征，且雷達(dá)回波強(qiáng)度存在正相關(guān)，相關(guān)程度顯著。

3.2 相同掃描仰角層最大反射率因子

新一代天氣雷達(dá)采用VCP21體掃模式，即大約每6 min一次的9層(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)立體掃描，組成PPI基數(shù)據(jù)。表4是貴陽和畢節(jié)(編號20110414，等距離98.8 km)、貴陽和遵義(編號20120429，等距離97.5 km)立體掃描模式下相同掃描仰角所對應(yīng)的最大反射率因子和對應(yīng)回波高度數(shù)據(jù)表。其中，回波高度通過測高公式求得(見4.2)。

圖3、圖4分別是編號20110414和20120429，在同一掃描仰角下的兩部雷達(dá)觀測回波強(qiáng)度PPI圖。從圖示同樣反映出同一掃描仰角的兩部雷達(dá)之間回波強(qiáng)度區(qū)域相似程度，以及覆蓋范圍大小的差異性。

表4 相同掃描仰角下所對應(yīng)的最大反射率因子表Tab.4 The Radar of Maximum Reflectivity Factor Corresponding to the Same Scan Elevation Angle

圖3 2011年4月14日雷達(dá)回波強(qiáng)度對比PPI(仰角 1.5°)(a：貴陽,19時(shí)40分 b：畢節(jié),19時(shí)39分)Fig.3 The Radar Echo of Strength Comparison in PPI (Elevation 1.5°)(a:Guiyang, 2011.4.14 19∶40 b:Bijie,2011.4.14 19∶39)

圖4 2012年4月29日 雷達(dá)回波強(qiáng)度對比PPI(仰角 1.5°)(a：貴陽,18時(shí)02分 b：遵義,18時(shí)01分)Fig.4 The Radar Echo of Strength Comparison in PPI (Elevation 1.5°)(a: Guiyang, 2012.4.29 18∶02 b: Zunyi,2012.4.29 18∶01)

3.3 等高面最大反射率因子

等高面反射率因子(CAPPI)是同一等高度平面反射率因子數(shù)據(jù)圖形產(chǎn)品，它可以直觀地對比兩部雷達(dá)在同一高度平面上的回波分布狀況。我們選取以兩部雷達(dá)觀測到的目標(biāo)物等距離的3 km和6 km等高面反射率因子(CAPPI)數(shù)據(jù)圖形產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。

表5是3 km和6 km CAPPI最大反射率因子數(shù)據(jù)表。其中，貴陽和畢節(jié)雷達(dá)之間最大反射率因子相差3 dBz，而貴陽和遵義雷達(dá)之間則相差7 dBz。

表5 3 km和6 km CAPPI最大反射率因子Tab.5 The Radar Maximum reflectivity factor of 3 km and 6 km CAPPI

圖5、圖6分別是貴陽和畢節(jié)(編號20110414，等距離98.8 km)、貴陽和遵義(編號20120429，等距離97.5 km)天氣雷達(dá)觀測3 km和6 km CAPPI圖。從圖示反映出兩部雷達(dá)之間回波強(qiáng)度區(qū)域相似程度和覆蓋范圍大小的差異性。

圖5 編號20110414，等距離98.5 km，3 km和6 km CAPPI(a：貴陽-19時(shí)40分 b：畢節(jié)-19時(shí)39分)Fig.5 The Radar of 3 km and 6 km CAPPI (No. 20110414, Equidistant 98.5 km, a: Guiyang -19∶40 b: Bijie -19∶39)

圖6 編號20120429，等距離97.3 km，3 km和6 km CAPPI(a：貴陽-18時(shí)02分 b：遵義-18時(shí)01分)Fig.6 The Radar of 3 km and 6 km CAPPI(No.20120429, Equidistant 98.5 km,a: Guiyang-18∶02 b:Zunyi-18∶01)

4 原因分析

從上面分析來看，在這三部雷達(dá)之間的反射率因子或多或少存在一定的差異性。特別是貴陽與畢節(jié)之間的回波強(qiáng)度相差比較大，相差最大的時(shí)段是18時(shí)07分—18時(shí)59分，且畢節(jié)雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯高于貴陽雷達(dá)回波強(qiáng)度，最大相差10.0 dBz，平均相差5.4 dBz。這樣的探測結(jié)果對強(qiáng)對流天氣的性質(zhì)和程度的判斷將產(chǎn)生顯著的影響。在此，重點(diǎn)分析產(chǎn)生這種差異性的原因。

4.1 雷達(dá)波衰減對反射率因子的影響

新一代天氣雷達(dá)的參數(shù)都經(jīng)過了仔細(xì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定,以確保雷達(dá)對降水目標(biāo)的準(zhǔn)確測量。通常情況下，雷達(dá)與目標(biāo)物之間的云和降水所造成的衰減，主要是由這些粒子對雷達(dá)回波的吸收和散射造成的，與雷達(dá)波長和探測距離有關(guān)[17]。雷達(dá)波長越短、探測距離越遠(yuǎn)，不同降水粒子對雷達(dá)波的衰減程度就越明顯[18]。對于5.5 cm波長的雷達(dá)波，在穿過徑向尺度為100 km，當(dāng)雨強(qiáng)為20 mm/h的降水時(shí)，雷達(dá)回波強(qiáng)度可衰減3～7 dBz；當(dāng)冰雹直徑達(dá)到10 mm時(shí)，雷達(dá)回波強(qiáng)度可衰減5～9 dBz。由于衰減，雷達(dá)所顯示的降水回波將小于實(shí)際的降水區(qū)，尤其是在降水區(qū)遠(yuǎn)離雷達(dá)的一側(cè)，使得回波范圍縮小，形狀發(fā)生失真，回波中心強(qiáng)度減弱。從圖3可以看出雷達(dá)回波面積明顯縮小的情況；從圖4則可以看出遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)回波缺口所導(dǎo)致范圍縮小的情況。

4.2 掃描波束指向?qū)Ψ瓷渎室蜃拥挠绊?/h3>

雷達(dá)波束寬度越小，角度的分辨率越高，探測精度也越高。波束中心高度與仰角和距離有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣的情況下，雷達(dá)回波高度計(jì)算公式如下：

H=h+Rsinа+R2/17 000

式中，h為天線高度(單位：km)，а 為仰角(單位：°)，R是斜距(單位：km)，H是波束中心軸線在斜距R離地面的高度(單位：km)。

從表4計(jì)算出數(shù)據(jù)結(jié)果綜合分析來看，在相同掃描仰角和等距離情況下，不同雷達(dá)之間所對應(yīng)雷達(dá)回波高度相差200～400 m。因此，對于兩部雷達(dá)之間強(qiáng)度差異的產(chǎn)生與垂直空間指向的不一致存在一定相關(guān)性。在雷達(dá)低仰角掃描情況下，對于單部雷達(dá)而言回波強(qiáng)度變化呈一定的線性關(guān)系，變化幅度小。通常低仰角產(chǎn)生的差異是由地物遮擋所引起的，而高仰角產(chǎn)生的差異則是空間指向不一致所導(dǎo)致的。因此，當(dāng)一部雷達(dá)距離目標(biāo)物較近，而另一部雷達(dá)距離目標(biāo)物較遠(yuǎn)時(shí)，這種差異性將尤為明顯。

4.3 雷達(dá)設(shè)備參數(shù)對反射率因子的影響

雷達(dá)接收回波的強(qiáng)度，除取決定于目標(biāo)物云和降水的散射特性、探測距離、大氣介質(zhì)等因素外，還與雷達(dá)波長、發(fā)射功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率、波束寬度、天線增益、接收信號靈敏度等雷達(dá)設(shè)備參數(shù)有關(guān)。雷達(dá)設(shè)備參數(shù)的變化主要影響雷達(dá)最大探測距離和雷達(dá)回波的強(qiáng)弱。通過對貴陽和畢節(jié)雷達(dá)觀測性能參數(shù)比較，貴陽和畢節(jié)兩部雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率分別為1 μs和4 μs。當(dāng)脈沖頻率增大時(shí)，回波接收功率隨著增大，使一些弱的降水目標(biāo)容易發(fā)現(xiàn)[19]。既然雷達(dá)能夠觀測到弱的降水回波，必然就會(huì)導(dǎo)致回波面積范圍增大，回波強(qiáng)度增強(qiáng)，探測距離增大。從這一點(diǎn)也能夠解釋為什么畢節(jié)雷達(dá)觀測的回波面積大于貴陽雷達(dá)的原因。但不能肯定發(fā)射功率、天線增益、接收信號靈敏度等雷達(dá)設(shè)備參數(shù)對回波強(qiáng)弱的影響，需要具體對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

5 結(jié)論

通過雷達(dá)回波反射率因子dBz時(shí)序變化、PPI和CAPPI區(qū)域面積分布等特征對比分析，結(jié)果表明：貴陽雷達(dá)觀測的回波強(qiáng)度總體低于畢節(jié)、遵義雷達(dá)觀測的數(shù)據(jù)結(jié)果；對比的兩部雷達(dá)之間回波強(qiáng)度具有一致性波動(dòng)變化特征，區(qū)域分布形態(tài)結(jié)構(gòu)基本一致，但對應(yīng)的最大反射率因子、區(qū)域分布存在一定的差異，特別是在較低和較高的掃描仰角所對應(yīng)強(qiáng)度差值最為明顯。當(dāng)兩部雷達(dá)之間的回波強(qiáng)度超過正常衰減時(shí)，必須考慮探測結(jié)果對天氣性質(zhì)和程度的判斷。

從數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析來看，兩部雷達(dá)之間回波強(qiáng)度差異主要是由云和降水對雷達(dá)波的衰減所產(chǎn)生的。但不排除各部雷達(dá)(即使是同一型號) 之間也會(huì)存在系統(tǒng)測量誤差，從而引起對同一降水目標(biāo)物的探測的回波強(qiáng)度不同的原因。綜合分析認(rèn)為，兩部雷達(dá)之間回波強(qiáng)度差異不僅受雷達(dá)自身性能參數(shù)如波長、波束、頻率的影響，而且與降水形態(tài)對雷達(dá)波的衰減有很大的相關(guān)性，也與探測仰角、掃描距離、地形遮擋等存在一定的關(guān)系。因此，各地應(yīng)考慮各天氣雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的差異性對強(qiáng)對流天氣變化趨勢預(yù)測結(jié)果所產(chǎn)生的干擾作用。