新一代多普勒天氣雷達(dá)強(qiáng)度定標(biāo)研究

張巧明,雷永恒,余文會(huì)

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414000;2.湖南省氣象技術(shù)裝備中心,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

新一代天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨等大范圍降水天氣過程的氣常規(guī)設(shè)備,更是監(jiān)測(cè)短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、龍卷等中小尺度強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害天氣的最重要手段,具有不可替代的作用。由于每部雷達(dá)性能各有差異,對(duì)同一探測(cè)目標(biāo)形成的觀測(cè)結(jié)果具有一定的偏差,因此,需對(duì)單點(diǎn)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定,以提高雷達(dá)觀測(cè)一致性。2022年7月6日,中國(guó)氣象局召開雷達(dá)觀測(cè)試驗(yàn)啟動(dòng)會(huì)指出,目前我國(guó)建成了236部S/C波段業(yè)務(wù)雷達(dá),在強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析判斷中發(fā)揮著重要作用。然而,由于我國(guó)天氣雷達(dá)型號(hào)多,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,技術(shù)差異帶來的觀測(cè)誤差各異。史銳等[1]分析了長(zhǎng)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,發(fā)現(xiàn)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[2]對(duì)比分析了長(zhǎng)江中游5部S波段多普勒雷達(dá),發(fā)現(xiàn)各雷達(dá)之間存在強(qiáng)度、高度、位置上的差異。徐八林等[3,4]分析了高山雷達(dá)探測(cè)對(duì)估測(cè)降水的影響,提出改進(jìn)高山雷達(dá)低層回波探測(cè)能力的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)前我國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)反射率標(biāo)準(zhǔn)差仍然達(dá)到4.5 dB,要實(shí)現(xiàn)“全國(guó)新一代天氣雷達(dá)反射率因子標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值從4.5 dB降低到3.5 dB”的目標(biāo)仍有一定的差距。因此,開展新一代多普勒天氣雷達(dá)反射率因子誤差分析和定標(biāo)研究十分必要,以達(dá)到降低偏差、提高雷達(dá)回波強(qiáng)度整體一致性的目的。

1 資料來源與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

岳陽新一代氣雷達(dá)自2010年業(yè)務(wù)運(yùn)行以來,在防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮了巨大的作用。隨著使用年限的增加,省市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)員均反映岳陽雷達(dá)回波強(qiáng)度與周邊雷達(dá)相比明顯偏弱。2021年,岳陽雷達(dá)完成技術(shù)升級(jí)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一改造后,該問題仍然存在,故需對(duì)岳陽雷達(dá)進(jìn)行強(qiáng)度定標(biāo)。本文分析資料來源于岳陽、長(zhǎng)沙、湘潭、益陽等4部雷達(dá)基數(shù)據(jù),通過中國(guó)氣象局rose2.0反演和綜合氣象觀測(cè)管理系統(tǒng),結(jié)合強(qiáng)降水過程事例,從CAPPI、RHI對(duì)比分析雷達(dá)回波強(qiáng)度[5]。

2 雷達(dá)回波強(qiáng)度對(duì)比分析

2.1 回波強(qiáng)度結(jié)構(gòu)特征對(duì)比

2022年4月12—13日,受高空低槽和地面冷空氣的共同影響,湘中湘北地區(qū)普降大—暴雨,并伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等。根據(jù)自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)12日08時(shí)—13日08時(shí)(北京時(shí)間,下同),岳陽地區(qū)北部縣市普降大—暴雨,南部為中雨,共出現(xiàn)暴雨35站,最大降水出現(xiàn)在華容縣花蘭窖站為79.3 mm。圖1是2022年4月12日21時(shí)46—48分的岳陽、長(zhǎng)沙、湘潭、益陽4部雷達(dá)3 km CAPPI回波圖。從長(zhǎng)沙、湘潭、益陽3部雷達(dá)回波可以看出,此刻降水云圖主要位于長(zhǎng)沙西部及北部,回波強(qiáng)度在35～4 dBz,而岳陽雷達(dá)降水云圖回波不明顯,回波強(qiáng)度普遍在30 dBz以下,明顯偏弱。圖2是4月12日21時(shí)46—48分岳陽、長(zhǎng)沙雷達(dá)回波,分別從點(diǎn)A(28.78°N,113.98°E)至點(diǎn)B(28.98°N,112.13°E)做剖面,在2～4 km垂直空間內(nèi),長(zhǎng)沙雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯更強(qiáng),最大回波強(qiáng)度超過50 dBz,岳陽雷達(dá)回波普遍低于40 dBz,符合圖1中3 km CAPPI雷達(dá)回波對(duì)比情況。

圖1 2022年4月12日21時(shí)46—48分岳陽(a)、長(zhǎng)沙(b)、湘潭(c)、益陽(d)雷達(dá)同一時(shí)刻3 km CAPPI圖Fig.1 3 km CAPPI map of radars in Yueyang(a), Changsha(b), Xiangtan(c)and Yiyang(d) at the same time at 21∶46 to at 21∶48 on April 12,2022

圖2 岳陽、長(zhǎng)沙雷達(dá)剖面圖Fig.2 Radar profiles of Yueyang and Changsha

2.2 雷達(dá)回波強(qiáng)度偏差統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析

2.2.1 單站雷達(dá)對(duì)比分析 采用此時(shí)段內(nèi)相同經(jīng)緯度、相同高度、相同時(shí)間點(diǎn)的同一氣象目標(biāo)物做剖面圖,對(duì)比各雷達(dá)產(chǎn)品回波,得到岳陽與長(zhǎng)沙雷達(dá)平均偏差序列圖(圖3)。在折線圖中,每隔30 min生成1組對(duì)比數(shù)據(jù),岳陽雷達(dá)比長(zhǎng)沙雷達(dá)反射率回波平均平均偏差在3.8～5.8之間,平均偏弱約4 dB左右。同理,岳陽與湘潭雷達(dá)平均偏差序列圖,岳陽雷達(dá)比湘潭雷達(dá)反射率回波平均偏弱約4 dB左右。岳陽與益陽雷達(dá)平均偏差序列圖,岳陽雷達(dá)比益陽雷達(dá)反射率回波平均偏弱約4 dB左右。綜合與3家雷達(dá)對(duì)比,岳陽雷達(dá)回波強(qiáng)度整體均偏弱4 dB左右。

圖3 岳陽與長(zhǎng)沙、湘潭、益陽雷達(dá)回波強(qiáng)度平均偏差對(duì)比Fig.3 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Yueyang and Changsha, Xiangtan, and Yiyang

2.2.2 關(guān)聯(lián)站雷達(dá)對(duì)比分析 為避免因目標(biāo)雷達(dá)自身差異而導(dǎo)致的判斷錯(cuò)誤,選取任意時(shí)段,以長(zhǎng)沙雷達(dá)為初始站,益陽、湘潭雷達(dá)為關(guān)聯(lián)站,對(duì)3部雷達(dá)進(jìn)行橫向比較,依舊采取回波強(qiáng)度平均偏差作為指標(biāo)參數(shù),判斷各雷達(dá)之間的均一性。結(jié)論如圖4所示,長(zhǎng)沙、湘潭、益陽3部雷達(dá)之間的最大平均偏差為3.65,遠(yuǎn)小于岳陽與長(zhǎng)沙雷達(dá)的平均偏差。

圖4 長(zhǎng)沙與湘潭(a)、益陽(b)雷達(dá)回波強(qiáng)度平均偏差對(duì)比Fig.4 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Changsha and Xiangtan(a),Changsha and Yiyang(b)

2.3 回波強(qiáng)度誤差原因分析

2.3.1 雷達(dá)參數(shù)對(duì)比 目前,湖南省氣象系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行雷達(dá)數(shù)量達(dá)到11部,其中本文所涉及的4部雷達(dá)均為S波段多普勒天氣雷達(dá), 岳陽為SB型號(hào)單偏振天氣雷達(dá),生產(chǎn)廠商為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所;長(zhǎng)沙、湘潭、益陽均為SA型號(hào)單偏振天氣雷達(dá),生產(chǎn)廠商為北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司,其中長(zhǎng)沙為雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(SAD),具體參數(shù)如表1所示。各主要參數(shù)均符合中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《S波段多普勒天氣雷達(dá)》(國(guó)標(biāo)QX/T 464-2018)要求,因此本文認(rèn)為雷達(dá)參數(shù)差異對(duì)雷達(dá)回波沒有影響。

表1 雷達(dá)站點(diǎn)信息表Tab.1 Message of the radar stations

2.3.2 雷達(dá)氣象方程 根據(jù)雷達(dá)氣象方程[6]:

(1)

式中,Pr為雷達(dá)接收到的功率,Pt為雷達(dá)脈沖發(fā)射功率,r為目標(biāo)物距離,G為天線增益,σ為目標(biāo)后向散射截面,λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

根據(jù)雷達(dá)氣象方程和雷達(dá)常數(shù)理論,反射率因子Z值的大小,反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降水粒子的尺度和數(shù)密度,常用來表示氣象目標(biāo)的強(qiáng)度。理論上,當(dāng)雷達(dá)參數(shù)均處于準(zhǔn)確狀態(tài)時(shí),雷達(dá)反射率因子Z只取決于氣象目標(biāo)本身,而與雷達(dá)參數(shù)與距離無關(guān),所以不同參數(shù)的雷達(dá)所測(cè)得的Z值可進(jìn)行相互比較[7]。但在對(duì)同樣目標(biāo)物用不同雷達(dá)測(cè)量時(shí),出現(xiàn)了Z值偏小的情況,因此,在氣象目標(biāo)本身不變的情況下,雷達(dá)參數(shù)因子成為了決定Z值大小的變量。

將雷達(dá)常數(shù)設(shè)為C,代入雷達(dá)氣象方程:

(2)

結(jié)合式(1)和式(2),在雷達(dá)其他參數(shù)不變且氣象目標(biāo)物恒定的情況下,不同的雷達(dá)反射率因子Z與其相應(yīng)雷達(dá)天線增益G成反比。G值越大,Z值越小。據(jù)此判斷,岳陽雷達(dá)反射率強(qiáng)度偏弱主要是由于天線增益變化引起的,故需對(duì)天線增益進(jìn)行重新定標(biāo)。

3 定標(biāo)

3.1 定標(biāo)環(huán)境

岳陽新一代天氣雷達(dá)位于市郊風(fēng)雨山山頂,海拔158.3 m,由于地處洞庭湖區(qū),近距離高處相對(duì)較難尋找,根據(jù)《中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司關(guān)于印發(fā)天氣雷達(dá)定標(biāo)業(yè)務(wù)規(guī)范(試行)的通知》(氣測(cè)函〔2016〕80號(hào))要求,選取離雷達(dá)站直線距離4.7 km的一幢27層高樓樓頂,發(fā)射中心最大值位置和天線接收端中心基本水平,海拔高度相差12 m,符合規(guī)范對(duì)于距離和高度差的要求。選取S波段喇叭一個(gè)架設(shè)于樓頂,設(shè)置頻率為2.765 GHz,信號(hào)源設(shè)置幅度25 dBm,電纜損耗1.5 dBm,實(shí)際喇叭口輸入功率23.5 dBm,水平極化,滿足環(huán)境測(cè)試條件,見圖5。

圖5 發(fā)射喇叭架設(shè)實(shí)景(水平極化)及天線罩內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)增益測(cè)試Fig.5 Real scene of horn installation (horizontal polarization) and on-site gain test inside the radome

由于信號(hào)源輸出功率大,發(fā)射喇叭采用20 dB增益的大口徑,測(cè)試接收機(jī)最前端輸出約-30 dBm左右,動(dòng)態(tài)范圍滿足天線測(cè)試條件[8]。

3.2 測(cè)試過程

設(shè)置發(fā)射喇叭處信號(hào)源頻率為2.765 GHz,輸出幅度為25 dBm,水平極化喇叭放置如圖5所示,盡可能保證喇叭中心位于水平位置。將接收機(jī)前端輸出通過高頻電纜接至頻譜儀端,首先將天線俯仰調(diào)至0°(RDASOT軟件天線控制,以下同),天線方位選取PPI模式,方位速率為0.1 °·s-1,找出方位最大值[9]。并將天線方位角度置于最大值位置,實(shí)際方位最大值在92.64°。天線俯仰從-0.5°掃描至10°,采用CUT模式,俯仰速率設(shè)置為0.1 °·s-1,找出俯仰最大值,實(shí)際最大值位置在-0.04°[10]。重復(fù)第一和第二個(gè)步驟,直至雷達(dá)天線找到空間能接收到方位和俯仰位置的最大信號(hào)處。

3.3 測(cè)試結(jié)果

將測(cè)試電纜一端接至低噪聲放大器前端測(cè)量出SB雷達(dá)天線至TR管處(接收機(jī)前端,低噪聲放大器輸入端)接收的最大信號(hào)[11],記錄G1=-30.19 dBm,采用標(biāo)準(zhǔn)喇叭位于天線罩位置找出信號(hào)最大的位置,測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)喇叭口接收的最大信號(hào)G2=-57.82 dBm(測(cè)試數(shù)值見圖6)。

圖6 雷達(dá)接收機(jī)前端處測(cè)量信號(hào)值(a)和標(biāo)準(zhǔn)喇叭信號(hào)測(cè)量值(b)Fig.6 Measurement signal(a) and standard horn signal measurements(b) at the front end of the radar receiver

實(shí)際天線增益為G=G1-G2+G喇叭+L接收損耗。標(biāo)準(zhǔn)喇叭增益G喇叭為15.3 dBm,接收支路損耗L接收損耗為1.2 dBm[12]。標(biāo)定后天線增益:

G=-30.19-(-57.82)+15.3+1.2=44.13 dB。

3.4 效果檢驗(yàn)

在岳陽雷達(dá)天線出廠測(cè)試報(bào)告中,天線增益為45.47 dB,該天線從2009年出廠至今,已連續(xù)運(yùn)行了13 a,日常維護(hù)均按照正常業(yè)務(wù)流程開展,屬于在正常物理性變化范圍內(nèi),天線反射面平整性、機(jī)械性能均有變化[13]。按照最新測(cè)量數(shù)據(jù)天線增益G=44.13 dB對(duì)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行更改,更改后再與其他雷達(dá)回波進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如下:

通過圖7～圖9中岳陽與長(zhǎng)沙、湘潭、益陽雷達(dá)2022年6月12—13日回波強(qiáng)度相關(guān)性對(duì)比,形成各雷達(dá)站回波強(qiáng)度差異對(duì)比(表2)。如表2 所示,岳陽雷達(dá)在標(biāo)定后與周邊雷達(dá)差異縮降幅度達(dá)到2.35～3.55,從4 dB下降到約在0-1.5 dB范圍以內(nèi),達(dá)到中國(guó)氣象局“質(zhì)量提升年”行動(dòng)要求的“到2022年底全國(guó)新一代天氣雷達(dá)反射率因子標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值從4.5 dB降低到3.5 dB”的目標(biāo)。

表2 岳陽與各雷達(dá)站回波強(qiáng)度差異對(duì)比表Tab.2 Difference between Yueyang and various radar stations)

圖7 2022年6月12日定標(biāo)后岳陽—長(zhǎng)沙雷達(dá)回波對(duì)比Fig.7 Comparison of radar echoes from Yueyang to Changsha after calibration on June 12,2022

圖8 2022年6月12日定標(biāo)后岳陽—湘潭雷達(dá)回波對(duì)比Fig.8 Comparison of radar echoes from Yueyang to Xiangtan after calibration on June 12,2022

圖9 2022年6月12日定標(biāo)后岳陽—益陽雷達(dá)回波對(duì)比Fig.9 Comparison of radar echoes from Yueyang to Yiyang after calibration on June 12,2022

4 結(jié)論及分析

(1)天線增益參數(shù)并不是影響雷達(dá)回波強(qiáng)度的唯一因子,需結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行綜合判斷。由于岳陽雷達(dá)在2020年剛完成技術(shù)升級(jí)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一改造工作,對(duì)發(fā)射、接收系統(tǒng)進(jìn)行整體換新,本文認(rèn)為發(fā)射接收系統(tǒng)的衰減損耗直接采用了新測(cè)定的參數(shù)值,故不再對(duì)收發(fā)支路損耗進(jìn)行測(cè)量,從而排除了其他因子影響。

(2)天氣雷達(dá)天線在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后,天線增益等參數(shù)會(huì)產(chǎn)生變化,需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)測(cè)量,岳陽雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行10 a來,天線增益從45.47 dB降到44.13 dB,對(duì)回波強(qiáng)度干擾達(dá)4 dB,嚴(yán)重影響雷達(dá)觀測(cè)準(zhǔn)確性。

(3)通過定標(biāo),找到了岳陽雷達(dá)回波強(qiáng)度因子偏弱的原因并修正了相關(guān)參數(shù),達(dá)到了預(yù)期目的,對(duì)目前在運(yùn)行的業(yè)務(wù)雷達(dá)定標(biāo)工作具有一定的指導(dǎo)意義。但是該結(jié)論只能代表岳陽雷達(dá)與周邊雷達(dá)強(qiáng)度一致性誤差達(dá)到了業(yè)務(wù)允許范圍內(nèi),在正式雷達(dá)定標(biāo)業(yè)務(wù)中,具體以哪部雷達(dá)為“標(biāo)準(zhǔn)”,尚無定論。