胡 松, 劉黎平, 李 超, 張志強(qiáng)

(1.成都信息工程學(xué)院,四川成都610225;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;3.國(guó)家氣象信息中心,北京100081)

1 引言

回波強(qiáng)度是分析天氣雷達(dá)最基本、最直觀、最重要的探測(cè)方法之一,是識(shí)別判斷各種災(zāi)害天氣、分析降水類型、強(qiáng)度和移動(dòng)趨勢(shì)的有力工具[1]。新一代天氣雷達(dá)投入使用前都要經(jīng)過(guò)雷達(dá)校準(zhǔn)和標(biāo)定[2-3]。然而在實(shí)際運(yùn)行中由校準(zhǔn)和標(biāo)定等所帶來(lái)的誤差很難消除。并且實(shí)際中不同雷達(dá)在同一時(shí)間對(duì)同一降水例子進(jìn)行觀測(cè),不可能做到嚴(yán)格意義上的時(shí)間和空間同步[4]。因此,對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)的誤差分析顯得尤為重要。

中國(guó)氣象科學(xué)研究院已經(jīng)開(kāi)展三維拼圖的工作,并進(jìn)行了三維格點(diǎn)處理后的回波強(qiáng)度的誤差分析,一種是傳統(tǒng)意義上對(duì)比分析兩部雷達(dá)的PPI圖,這樣由不確定性帶來(lái)的誤差比較大,另一種處理方法是將格點(diǎn)化數(shù)據(jù)插值到同一高度層上來(lái)對(duì)比。

傳統(tǒng)意義上對(duì)雷達(dá)PPI顯示的處理方法是對(duì)基數(shù)據(jù)格點(diǎn)化插值,提出了一種新的區(qū)域雷達(dá)網(wǎng)同步觀測(cè)的對(duì)比方法,該方法通過(guò)兩部雷達(dá)在空間上經(jīng)度,緯度,海拔高度以及雷達(dá)方位和仰角等已知條件,利用球面三角函數(shù)關(guān)系,直接對(duì)兩部雷達(dá)的基數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。減小了由三維格點(diǎn)化[5]所帶來(lái)的誤差,保留了原始回波的特性。

2 資料選取和處理方法

2.1 資料選取

為了對(duì)資料分析有較好分辨性,選取廣東6部雷達(dá)2008年6月6日12～13時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)天有強(qiáng)降雨,雷達(dá)各參數(shù)如表1所示。

表1 雷達(dá)參數(shù)

2.2 處理方法

2.2.1 方法介紹

分析相鄰雷達(dá)回波強(qiáng)度誤差的思路是從一個(gè)雷達(dá)的回波點(diǎn),找到另外一部雷達(dá)最近的回波點(diǎn),或者是找到上下兩層的回波點(diǎn),然后插值,這樣就得到了一組回波強(qiáng)度值,然后從平均回波強(qiáng)度等方面進(jìn)行誤差分析。

根據(jù)雷達(dá)的經(jīng)度、緯度、海拔高度、方位和仰角,計(jì)算出每一個(gè)距離庫(kù)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔高度。再根據(jù)另一部雷達(dá)的具體位置,找出另一部雷達(dá)對(duì)應(yīng)的仰角,方位和距離庫(kù)數(shù)。實(shí)現(xiàn)從球坐標(biāo)到笛卡爾坐標(biāo)再到球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。從而找到另一部雷達(dá)的對(duì)應(yīng)位置,進(jìn)而,進(jìn)行對(duì)比差異的比較分析。具體流程如圖1所示。

2.2.2 對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)比法相關(guān)算法

設(shè)雷達(dá)A的經(jīng)度、緯度、海拔高度為(αA,βA,hA),任一方位角,仰角分別為 aA,eA根據(jù)球面三角函數(shù)關(guān)系可得到A中任意一點(diǎn)O的經(jīng)度,緯度,海拔高度(αo,βo,ho),r為距離庫(kù)數(shù),雷達(dá)B 的經(jīng)度,緯度,海拔高度為(αB,βB,hB),計(jì)算公式如下：

通過(guò)笛卡爾到球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,可以反算對(duì)應(yīng)點(diǎn)在B雷達(dá)中的位置(r,a,e),r為斜距,a為方位角,e為仰角,計(jì)算方法如下：

通過(guò)上述變換,可以找到雷達(dá) A中任意一點(diǎn)在雷達(dá)B中所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)距離庫(kù)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。一般情況下,式中的仰角e并不剛好等于B雷達(dá)的仰角,而是要找到與仰角e相鄰的上下兩層,再經(jīng)過(guò)相關(guān)插值算法,來(lái)確定最后結(jié)果。

圖1 算法流程圖

2.2.3 相關(guān)插值算法

對(duì)于仰角值介于雷達(dá)B相鄰層(9層)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,采用徑向和方位上的最近鄰居和垂直線性內(nèi)插法[6](nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linear interpolation in vertical direction,NVI)

如圖2所示,(r,a,e)是某一網(wǎng)格點(diǎn)在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置,r為斜距,a為方位角,e為仰角。e位于其上下相鄰仰角e2和e1之間。(r,a,e2)和(r,a,)分別是經(jīng)過(guò)該網(wǎng)格點(diǎn)的垂線(仰角低于20°時(shí),垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰角波束軸線的交點(diǎn),那么該網(wǎng)格點(diǎn)的分析值 fa(r,a,e)可以用這兩點(diǎn)的分析值 fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)進(jìn)行垂直線性內(nèi)插得到,即：

fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)分別等于最靠近點(diǎn)(r,a,e2)和(r,a,e1)的雷達(dá)距離庫(kù)的觀測(cè)值,獲取采用了徑向和方位上的最近鄰居法。

圖2 垂直和水平線性內(nèi)插示意圖

3 對(duì)比分析

選取廣州、深圳、陽(yáng)江SA雷達(dá)在2008年6月6日12時(shí)至13時(shí)10個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù),這3部雷達(dá)位置較近,從純粹的多普勒雷達(dá)理論和國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)考慮,兩站之間的距離在60～80km比較適合[6],為了更好地分析兩部覆蓋區(qū)域的回波強(qiáng)度,去掉回波較弱(＜15dBz)的點(diǎn)和兩個(gè)回波差值較大(＞10dBz)的點(diǎn),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。取得12時(shí)17分1.5°仰角的PPI實(shí)際觀測(cè),如圖3所示。

圖3 PPI示意圖及對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度示意圖

兩部雷達(dá)探測(cè)半徑都為230km,從圖中可以看出兩個(gè)雷達(dá)在覆蓋區(qū)域上基本一致,為進(jìn)一步定量分析,對(duì)12時(shí)06分一個(gè)體掃內(nèi)(9層)的所有回波值,兩部雷達(dá)的覆蓋區(qū)域進(jìn)行對(duì)比附散點(diǎn)圖如圖4所示。

圖4 兩部雷達(dá)12時(shí)06分的散點(diǎn)圖(所有有回波的點(diǎn))

圖5 兩部雷達(dá)12時(shí)06分的散點(diǎn)圖(去掉無(wú)效值弱回波)

圖4是9層所有有回波值的點(diǎn)的對(duì)比圖,圖5是去掉無(wú)效值弱回波的對(duì)比圖。從圖5中可以看出廣州雷達(dá)的回波強(qiáng)度值都在15dBz以上,深圳雷達(dá)回波強(qiáng)度只有很少一部分在15dBz以下,基本是線性分布在對(duì)角線上,也進(jìn)一步說(shuō)明了此方法的有效性。

同上分析,分別給出廣州陽(yáng)江的PPI圖和散點(diǎn)圖。

圖6 12時(shí)6分PPI對(duì)比圖

圖7 廣州陽(yáng)江12時(shí)06分散點(diǎn)圖(所有有回波的點(diǎn))

圖8 廣州陽(yáng)江12時(shí)06分散點(diǎn)圖(強(qiáng)回波,差值較小的點(diǎn))

定量分析了以廣州雷達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的與其他5部相鄰雷達(dá)在12～14時(shí)20個(gè)時(shí)刻(6min一次體掃)的取值差值,再取平均,再對(duì)多個(gè)時(shí)刻平均如圖9和圖10所示。

圖9 2008年6月6日12～13時(shí)廣州與其他雷達(dá)在所選區(qū)域差值的平均值

圖10 2008年6月6日13～14時(shí)廣州與其他雷達(dá)在所選區(qū)域差值的平均值

根據(jù)圖9和圖10可分析出以廣州雷達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的回波強(qiáng)度略強(qiáng)于其他覆蓋區(qū)域其他站的回波強(qiáng)度。此外還可以分析出各個(gè)雷達(dá)與廣州雷達(dá)在不同時(shí)刻覆蓋區(qū)域回波的變化趨勢(shì)如圖11和圖12所示。

圖11 廣州雷達(dá)與其他各雷達(dá)12～13時(shí)折線圖

圖12 廣州雷達(dá)與其他各雷達(dá)13～14時(shí)折線圖

從圖11～12可以看出,雖然廣州雷達(dá)與各部雷達(dá)在2個(gè)時(shí)段內(nèi)的變化步調(diào)趨勢(shì)并不相同,但從總體看,可以看出廣州-梅州基本在2.5～5dBz內(nèi)變動(dòng),差值幅度最大,廣州-深圳雷達(dá)基本在0.5～2dBz內(nèi)變動(dòng),差值幅度最小,與其余各雷達(dá)差值介于這兩者之間。

4 結(jié)束語(yǔ)

新一代天氣雷達(dá)具有較高的探測(cè)精度和較好的穩(wěn)定性。忽略雷達(dá)校準(zhǔn)標(biāo)定等因素影響,從定性和定量角度,分析了對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)比法在計(jì)算相同覆蓋區(qū)域上雷達(dá)回波強(qiáng)度的差異情況,結(jié)論如下：

(1)該方法能相對(duì)準(zhǔn)確地找到覆蓋區(qū)域的對(duì)應(yīng)點(diǎn),可以看出兩個(gè)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的位置基本一致。

(2)在不考慮地物遮擋和衰減等因素前提下,不同時(shí)刻,回波強(qiáng)度之差平均值基本保持在5dBz左右,同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)基本保持一致。

(3)直接對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理分析,基本保持了雷達(dá)原始回波的特性。

[1]史銳,程明虎,催哲虎,等.長(zhǎng)江流域多普勒雷達(dá)回波資料對(duì)比分析[J].氣象,2004,30(11)：27-31.

[2]潘新民,王全周.回波強(qiáng)度測(cè)量的誤差因素分析及解決方法[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2009,11(4).

[3]舒童,趙明.CTL-713C天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度標(biāo)定誤差因素淺析[J].氣象科技,2008,36(5).

[4]肖艷姣,劉黎平,楊洪平,等.區(qū)域雷達(dá)網(wǎng)同步觀測(cè)對(duì)比分析[J].氣象學(xué)報(bào),2007,12(6).

[5]肖艷姣,劉黎平.新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)資料的三維格點(diǎn)化及拼圖方法研究[J].氣象學(xué)報(bào),2006,64(5)：647-657.

[6]劉黎平,張沛源.雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演誤差和資料的質(zhì)量控制[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2003,14(1)：2.