巴中CINRAD/SAD雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

黎 亮,謝曉林,胡 迪,劉 銳,羅宇昂,李 翔

(1.巴中市氣象局,巴中 636001;2.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心,巴中 610072;3.四川省氣象臺,巴中 610072)

0 引言

巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)自2022-01-01正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來性能穩(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。巴中雷達(dá)作為四川省首部雙偏振新一代天氣雷達(dá),研究雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況是確保巴中新一代天氣雷達(dá)能夠充分發(fā)揮雙偏振雷達(dá)優(yōu)勢和效益的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

文章通過地物回波變化、同頻電磁干擾和基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分布3個維度分析了巴中雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量[3-4]。李思騰等[5]利用標(biāo)準(zhǔn)差分析了X波段雙偏振天氣雷達(dá)在一次降水個例過程中的偏振參量標(biāo)準(zhǔn)差分布情況,該方法通過徑向數(shù)據(jù)與前后3個距離庫的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,得到了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)距離庫多為75 m,3個距離庫為225 m,然而新一代天氣雷達(dá)距離庫多為250～300 m,如采用標(biāo)準(zhǔn)差方法計(jì)算徑向數(shù)據(jù)前后3個距離庫長之間的標(biāo)準(zhǔn)差,空間尺度增大到了750 m以上,當(dāng)天氣過程變化較大時,實(shí)際回波的正常變化也會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差變大。針對該問題,文章改良了算法,得到了一種適用于S波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差算法,并計(jì)算得到了巴中CINRDA/SAD新一代天氣雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)質(zhì)量結(jié)果。

通過對3個維度的統(tǒng)計(jì)分析,文章得到了巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果,通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量的正確評估,期望對雷達(dá)數(shù)據(jù)在天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣中的應(yīng)用和提高雷達(dá)數(shù)據(jù)對定量估測降水的準(zhǔn)確性等方面的研究工作提供依據(jù)。

1 雷達(dá)與數(shù)據(jù)

巴中雷達(dá)站建于巴中經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)時新辦事處東華山山頂,此處海拔較高,雷達(dá)能覆蓋整個巴中市區(qū),并能觀測到主要天氣過程來向的回波。巴中市位于四川盆地東北部,地處大巴山系米倉山南麓,中國秦嶺-淮河分界線南,東鄰達(dá)州,南接南充,西抵廣元,北接陜西漢中,屬典型的盆周山區(qū),地勢北高南低,由北向南傾斜,北部為深切割中山,中部為中切割低山,南部為丘陵,沿河兩岸及臺狀山頂有平壩。

文章統(tǒng)計(jì)分析了2022年1—12月巴中CINRAD/SAD型雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,通過統(tǒng)計(jì)雷達(dá)地物回波、同頻電磁干擾和標(biāo)準(zhǔn)差分布結(jié)果,得到了巴中雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法

2.1 地物回波統(tǒng)計(jì)

地物回波是影響天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素之一,主要是指雷達(dá)發(fā)射的電磁波主瓣或者旁瓣信號被建筑物、山體、樹木等固定目標(biāo)物反射后,在雷達(dá)終端顯示出的強(qiáng)信號帶,這些回波信號的徑向速度一般很小,所以很容易被雷達(dá)信號處理器通過速度凹口算法濾除。由于地物回波具有穩(wěn)定性高的特點(diǎn),通過分析雷達(dá)地物回波(G)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化,可以在一定程度上反映出雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。地物回波的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

2.2 同頻電磁干擾

四川省已建的12部新一代天氣雷達(dá)中有7部S波段新一代天氣雷達(dá),其中6部雷達(dá)的中心頻點(diǎn)為2880 MHz,雷達(dá)兩兩之間的距離小于200 km,雷達(dá)與雷達(dá)之間存在嚴(yán)重的同頻電磁干擾,巴中雷達(dá)也存在該問題,通過統(tǒng)計(jì)雷達(dá)在2022年同頻電磁干擾的出現(xiàn)頻次,可以得到巴中雷達(dá)受同頻電磁波干擾的嚴(yán)重程度。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差分析

通過統(tǒng)計(jì)天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)中物理量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,可以反映雷達(dá)數(shù)據(jù)的波動情況,在雷達(dá)參數(shù)性能正常的情況下,基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該符合一定的理論分布。

通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)差的理論值后,對比標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)際值和理論值的差異,可以分析出雷達(dá)基數(shù)據(jù)的水平極化反射率因子、差分反射率、差分相移和相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于差分相移率是由差分相移直接計(jì)算得到,所以差分相移率的數(shù)據(jù)質(zhì)量可參考差分相移的評估結(jié)果。

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差理論值計(jì)算

根據(jù)計(jì)算反射率因子(Zh)、差分反射率(Zdr)、差分相移(φdp)和相關(guān)系數(shù)(Cc)標(biāo)準(zhǔn)差理論值的公式(式2),認(rèn)為當(dāng)雷達(dá)性能參數(shù)正常時,雷達(dá)基數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)符合一定理論分布,可以通過雷達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分布來衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)

式中,σv表示大氣湍流速度;Szh,Szdr,Scc和Sφ,dp分別表示Zh,Zdr,Cc和φdp標(biāo)準(zhǔn)差理論值;Mi表示獨(dú)立樣本量,其計(jì)算公式如式(3)所示:

(3)

可見,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)觀測數(shù)據(jù)中皆為常數(shù),Prf表示脈沖重復(fù)頻率(單位:Hz)。巴中雷達(dá)1～2層仰角的Prf為322 Hz;λ表示雷達(dá)波長(單位:cm),如巴中雷達(dá)波長為10.42 cm;M表示雷達(dá)脈沖采樣量(單位:個),巴中雷達(dá)脈沖采樣量為32個。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的雷達(dá)基數(shù)據(jù)主要針對有天氣過程的數(shù)據(jù),降水回波的Cc一般為0.90～0.99,假定大氣湍流速度σv在0.5～10.0 m/s,即可得到標(biāo)準(zhǔn)差理論值的上限,算得巴中雷達(dá)0.5°仰角Zh、Zdr、Cc和φdp標(biāo)準(zhǔn)差理論值上限,詳見表1[6-7]。

表1 巴中雷達(dá)反射率因子、差分反射率、差分相移和相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差理論值

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)際值

文章根據(jù)S波段雙偏振新一代天氣雷達(dá)距離庫長的實(shí)際情況,改良了標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法,計(jì)算徑向數(shù)據(jù)周圍1個距離庫范圍內(nèi)的8個數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)差,從而最大限度的保持參與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性(圖1)。

圖1 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)算公式如式(4)所示:

(4)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果

3.1 地物回波統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2給出了2022年1—12月巴中雷達(dá)地物回波強(qiáng)度均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化,可見,巴中雷達(dá)地物回波均值的月變化不大,波動很小,主要在65.8 dBt左右,地物回波標(biāo)準(zhǔn)差的波動也很小,基本小于1 dBt。這說明巴中雷達(dá)的強(qiáng)度定標(biāo)很準(zhǔn)確,且雷達(dá)的伺服系統(tǒng)也無較大誤差,原因是當(dāng)雷達(dá)俯仰角度出現(xiàn)控制精度不達(dá)標(biāo)時,同樣會導(dǎo)致雷達(dá)地物回波強(qiáng)度均值發(fā)生較大變化[8-17]。

圖2 2022年1—12月巴中雷達(dá)地物回波強(qiáng)度均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化

3.2 同頻電磁干擾統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3給出了2022年1—12月巴中雷達(dá)基數(shù)據(jù)出現(xiàn)同頻電磁干擾頻次變化趨勢,可見,巴中雷達(dá)2022年全年每個月均出現(xiàn)同頻電磁干擾回波,5月出現(xiàn)頻次最少,為450次,9月出現(xiàn)頻次最多,為1441次,在當(dāng)月基數(shù)據(jù)量的占比為18.1%。同頻電磁干擾的月變化趨勢無規(guī)律可循,原因是大部分同頻電磁干擾是來自于四川省其他5部具有相同頻點(diǎn)的S波段新一代天氣雷達(dá),當(dāng)其他5部雷達(dá)信號恰巧被巴中雷達(dá)天線接收時,就會出現(xiàn)同頻干擾,但是天氣雷達(dá)在做VCP21體掃時,兩個天氣雷達(dá)天線相對的概率不高,所以每月出現(xiàn)的同頻電磁干擾會有較大變化。

圖3 2022年1—12月巴中雷達(dá)基數(shù)據(jù)出現(xiàn)同頻電磁干擾頻次變化

3.3 單偏振參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)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1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,圖4給出了巴中雷達(dá)反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差分布結(jié)果,統(tǒng)計(jì)樣本量超過200萬。根據(jù)表1巴中雷達(dá)的反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差理論值為1.89 dBZ,如圖4虛線所示。可見,巴中雷達(dá)反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差低于反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差理論值上限的比例不大,僅為41.61%,反映出反射率因子的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,反射率因子數(shù)據(jù)存在較大波動。

圖4 巴中雷達(dá)反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差分布

3.4 雙偏振參量標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表1得到的結(jié)果,巴中差分反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差理論值、差分相移標(biāo)準(zhǔn)差理論值和相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差理論值的上限值分別為1.46,3.14和0.07。圖5 (a)給出了巴中雷達(dá)差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,巴中雷達(dá)差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差總體都小于其理論值,差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差低于其理論值上限的比例為85.11%,可以認(rèn)為差分反射率數(shù)據(jù)的波動性較小。圖5(b)給出了巴中雷達(dá)差分相移標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,巴中雷達(dá)的差分相移標(biāo)準(zhǔn)差總體都大于其理論值,差分相移標(biāo)準(zhǔn)差低于其理論值上限的比例為30.89%,差分相移數(shù)據(jù)的波動性較大。圖5(c)給出了巴中雷達(dá)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況,相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差總體都小于其理論值,低于相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差理論值上限的比例為90.21%,相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)的波動性很小,標(biāo)準(zhǔn)差為0的占比也較高。

圖5 巴中雷達(dá)差分反射率、差分相移和相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分布

4 結(jié)束語

文章通過統(tǒng)計(jì)2022年1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)地物回波強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化情況、同頻電磁干擾回波頻次和反射率因子、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移的標(biāo)準(zhǔn)差分布,得到了巴中雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,結(jié)果如下:

1)巴中雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定性較高,地物回波強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化較小,均值在65.8 dBt左右變化,標(biāo)準(zhǔn)差小于1 dBt。

2)巴中雷達(dá)存在較多同頻電磁干擾的情況,2022年全年出現(xiàn)頻次最少為5月的450次,最多為9月的1441次,9月同頻干擾數(shù)據(jù)占當(dāng)月基數(shù)據(jù)的18.1%。

3)巴中雷達(dá)反射率因子存在較大波動,標(biāo)準(zhǔn)差低于標(biāo)準(zhǔn)差理論值的比例僅41.61%。差分反射率和相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,標(biāo)準(zhǔn)差低于差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差理論值和相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差理論值的比例分別為85.11%和90.21%,差分相移的數(shù)據(jù)波動較大,標(biāo)準(zhǔn)差低于其理論值上限的比例僅30.89%。