威寧X波段雙偏雷達與昭通C波段天氣雷達回波強度對比

楊 哲，鄒書平，李翠翠，曹 水，李 源

(1.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550081；2.貴州省冰雹防控工程技術(shù)中心，貴州 貴陽 550081;3.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

雷達回波強度(dBz)是雷達反射率因子(Z)對數(shù)值，其值大小反映了氣象目標內(nèi)部降水粒子的尺度和密度分布，它可以用來推斷回波變化規(guī)律及辨別降水類型[1]，是天氣雷達所有探測數(shù)據(jù)中應(yīng)用最多，也是最基本的一種數(shù)據(jù)。胡明寶等[2]對雙偏振多普勒天氣雷達和新一代SA天氣雷達反射率因子值做了對比分析，結(jié)果表明雙偏振天氣雷達測量的反射率因子值比SA雷達要弱點，李毅聰[3]等比對分析了X波段移動雷達與S波段新一代天氣雷達產(chǎn)品，表明兩部雷達強度中心、回波強度及分布范圍存在一定的差異，X 波段雷達在60 km探測范圍內(nèi)雷達回波強度略強，之后隨之減弱。

威寧縣地處貴州西北邊陲、云貴高原臺地斜坡過渡帶[4]，平均海拔高、氣候多變[5]，是貴州省多個冰雹發(fā)展路徑的起源地[6]，而威寧縣又是全國最大最優(yōu)質(zhì)烤煙種植基地之一，冰雹對其農(nóng)作物危害極其巨大，因此精準化人工防雹就顯得特別重要。X波段雙偏振雷達對相態(tài)粒子具有一定的探測能力，可用于人工防雹作業(yè)的精準指揮。由于地形條件、雷達探測性能的差異，X波段雙偏振雷達與昭通新一代C波段天氣雷達對強對流天氣過程的探測回波強度有一定的差異，這會對人工防雹作業(yè)的精準指揮產(chǎn)生一定的影響，因此需要對威寧X波段雙偏振雷達的回波強度進行必要的對比分析。

1 雷達介紹

云南昭通新一代C波段天氣雷達(以下簡稱昭通雷達)是由安徽四創(chuàng)公司生產(chǎn)的中國氣象局全國布網(wǎng)雷達，經(jīng)過十多年的業(yè)務(wù)運行，可靠性高，有定期的周維護、月維護、年維護等各種保障措施，因此可以以昭通雷達為基準進行研究。

表1 兩部雷達主要參數(shù)對比Tab.1 Comparison of the main parameters of two radars

2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)表1昭通雷達站與威寧雪山雷達站的經(jīng)緯度可計算出兩部雷達地面直線距離約為49.179 4 km，兩部雷達的相對位置如下圖所示。

圖1 昭通和威寧雷達位置圖Fig.1 Zhaotong and Weining Radar Position

要對兩部雷達進行對比觀測，首先應(yīng)確保兩部雷達觀測區(qū)域一致，取其中間線(綠線)附近的回波可有效減小因空間不一致造成的觀測誤差；其次保證時間上的一致性，在實際觀測中很難做到兩部雷達完全同步，可認為觀測時間差在2 min內(nèi)算時間同步[8]。

為盡可能的減小觀測誤差，需對兩部雷達中線區(qū)域做更深層次分析。若兩部雷達以相同仰角觀測其連接線的中點區(qū)域，那么因大氣折射和地球曲率產(chǎn)生的波束高度訂正值是相同的，兩部雷達的波束高度差就等于其海拔高度之差，即468.3 m。在中點位置(即距威寧雷達站或昭通雷達站1/2×49.179 4 km=24.589 7 km)處，昭通雷達的波束寬度距離BC為407.7 m，威寧雷達的波束寬度距離BX為416.3 m，由于2個雷達站海拔高度差大于雷達自身波束寬度，在相同仰角下垂直方向不會有重疊區(qū)域，在保證兩部雷達仰角相差不大于10°的條件下大氣折射和地球曲率造成的波束高度訂正值差異可忽略不計[9]，將昭通雷達抬高一個仰角可與威寧雷達有重疊區(qū)域，下面以威寧雷達4.3°仰角和昭通雷達5.3°仰角為例進行分析，其中威寧雷達海拔高度AX為2 472 m；昭通雷達海拔高度AC為2 003.7 m。

H1為威寧雷達4.3°俯仰角時24.589 7 km處(即兩部雷達中點處)的波束高度；H2為昭通雷達5.3°俯仰角時24.589 7 km處的波束高度。由圖2可得：

圖2 威寧、昭通雷達中點處俯仰示意圖Fig.2 Pitch Diagram at Midpoint Of Weining And Zhaotong Radar

H1=24.589 7 km×tan(4.3°)=1 848.9 m

H2=24.589 7 km×tan(5.3°)=2 281.1 m

威寧雷達波束所在高度：

HX=AX+H1=4 320.5 m

昭通雷達波束所在高度：

情況 6 設(shè)d(v)=8,則f3(v)≤?」=4,且ch(v)=8-4=4。由權(quán)轉(zhuǎn)移規(guī)則知8-點轉(zhuǎn)給3-點,3-面權(quán)值,當8-點作為三角形的外鄰點時也轉(zhuǎn)給三角形權(quán)值。

HC=AC+H2=4 241.5 m

兩部雷達在垂直方向的重疊區(qū)域長度：

L1=HC+BC-HX=371.6 m

兩部雷達在此處的總波束寬度的長度：

L2=HX+BX-HC=452.4 m

兩部雷達在此處的重疊區(qū)域占總波束寬度的82.1%。利用此方法計算對應(yīng)仰角有重疊區(qū)的占比，并進行統(tǒng)計如2。

表2 各組仰角重疊占比統(tǒng)計Tab.2 Elevation overlap statistics for each group

重疊區(qū)域占比達到60%以上可認為近似滿足空間一致性要求，由上表可知了部雷達有1、2、3、4、5、7、8、9共8組仰角組合符合標準。

3 威寧雷達與昭通雷達回波強度對比

對比2018年5月發(fā)生在貴州省威寧縣及周邊地區(qū)出現(xiàn)的3次強對流天氣過程，分析數(shù)據(jù)資料選用2018年5月17日17時05分、5月17日17時28分、5月19日18時57分威寧雷達體掃數(shù)據(jù)和對應(yīng)時間的2018年5月17日17時07分、5月17日17時30分、5月19日18時58分昭通雷達體掃基數(shù)據(jù)，體掃數(shù)據(jù)時間差均在2 min以內(nèi)，并選用昭通雷達1.5°仰角和威寧雷達0.5°仰角組合，再分別選取3個位于兩部雷達中點線上的回波強度進行對比分析，這樣確保觀測到的目標回波為同時間等距離回波[10]。

將3次過程中昭通雷達和威寧雷達在8組對應(yīng)仰角上的回波強度值進行提取，并統(tǒng)計得出如表3中數(shù)據(jù)。

表3 不同距離處兩部雷達回波強度對比Tab.3 Comparison of Echo Intensity of Two Radar at Different Distances

由表3中3個不同距離回波強度的對比可以看出：威寧雷達的回波強度整體上較昭通雷達大，而且回波位置越遠差值越大。

圖3 不同距離處兩部雷達回波差值對比曲線Fig.3 Contrast Curve Of Echo Difference Between Two Radars at Different Distances

為更加直觀反映出兩部雷達在不同距離處回波強度的差值變化，取24.7 km、24.9 km、29.2 km回波位置的8組回波強度差值的絕對值并繪制于圖3中，圖中橫坐標1～8分別代表昭通雷達與威寧雷達的1.5/0.5、2.4/1.45、3.4/2.4、4.3/3.35、5.3/4.3、7.5/6.2、8.69/7.5、10/8.7 8組仰角組合，再利用統(tǒng)計學(xué)方法計算出兩部雷達在3個不同距離處反射率因子差值平均誤差和均方差。

表4 不同距離處回波差值分析Tab.4 Analysis of Echo Difference at Different Distances

由圖3、表4可知：兩部雷達同一位置處回波強度差值的離散度跟距離有一定的正比關(guān)系，即距離越遠偏差離散度越大；回波距離較近時兩部雷達回波強度差值整體較小，且其偏差集中度較高。

4 原因分析

造成兩部雷達測值偏差的原因是多方面的，空間上昭通雷達海拔較威寧雷達低，盡管采用表2中仰角組合在中點位置處其觀測高度也比威寧雷達觀測高度低；時間上兩部雷達的觀測時間有一定偏差；另外，兩部雷達向中點位置傳播的電磁波路徑不一樣衰減也會不一樣[11]；不同型號雷達的定標方法和地物雜波抑制等數(shù)據(jù)處理流程的差異等都會造成測值偏差。

5 總結(jié)

通過對兩部雷達在同一降水過程回波強度的對比，表明兩部雷達反射率因子測量值存在一定的誤差，且威寧雷達反射率因子整體較昭通雷達稍偏大；在對不同距離處回波強度的對比，發(fā)現(xiàn)目標回波距離雷達越近反射率因子誤差值越小，反之越大。這是因為除了雷達自身系統(tǒng)誤差、采樣空間差異、不同路徑衰減差外，兩部雷達的距離訂正、強度定標也有一定的偏差。兩部雷達對近距離回波強度觀測值一致性較好，表明威寧雷達近距離反射率因子值可靠，不過由于可用個例的數(shù)量不足還無法給出具體參考的距離數(shù)值。