新一代多普勒天氣雷達強度定標研究

張巧明,雷永恒,余文會

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414000;2.湖南省氣象技術裝備中心,湖南 長沙 410007)

0 引言

新一代天氣雷達是監測臺風、暴雨等大范圍降水天氣過程的氣常規設備,更是監測短時強降水、冰雹、龍卷等中小尺度強對流災害天氣的最重要手段,具有不可替代的作用。由于每部雷達性能各有差異,對同一探測目標形成的觀測結果具有一定的偏差,因此,需對單點雷達進行標定,以提高雷達觀測一致性。2022年7月6日,中國氣象局召開雷達觀測試驗啟動會指出,目前我國建成了236部S/C波段業務雷達,在強對流天氣實時監測和分析判斷中發揮著重要作用。然而,由于我國天氣雷達型號多,技術標準不統一,技術差異帶來的觀測誤差各異。史銳等[1]分析了長江流域2部S波段和3部C波段多普勒雷達回波強度特征,發現S波段和C波段雷達回波強度存在整體性的差異;肖艷嬌等[2]對比分析了長江中游5部S波段多普勒雷達,發現各雷達之間存在強度、高度、位置上的差異。徐八林等[3,4]分析了高山雷達探測對估測降水的影響,提出改進高山雷達低層回波探測能力的方法。據統計,當前我國天氣雷達網反射率標準差仍然達到4.5 dB,要實現“全國新一代天氣雷達反射率因子標準偏差平均值從4.5 dB降低到3.5 dB”的目標仍有一定的差距。因此,開展新一代多普勒天氣雷達反射率因子誤差分析和定標研究十分必要,以達到降低偏差、提高雷達回波強度整體一致性的目的。

1 資料來源與數據處理技術

岳陽新一代氣雷達自2010年業務運行以來,在防災減災中發揮了巨大的作用。隨著使用年限的增加,省市氣象臺預報員均反映岳陽雷達回波強度與周邊雷達相比明顯偏弱。2021年,岳陽雷達完成技術升級及技術標準統一改造后,該問題仍然存在,故需對岳陽雷達進行強度定標。本文分析資料來源于岳陽、長沙、湘潭、益陽等4部雷達基數據,通過中國氣象局rose2.0反演和綜合氣象觀測管理系統,結合強降水過程事例,從CAPPI、RHI對比分析雷達回波強度[5]。

2 雷達回波強度對比分析

2.1 回波強度結構特征對比

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

圖1 2022年4月12日21時46—48分岳陽(a)、長沙(b)、湘潭(c)、益陽(d)雷達同一時刻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、長沙雷達剖面圖Fig.2 Radar profiles of Yueyang and Changsha

2.2 雷達回波強度偏差統計對比分析

2.2.1 單站雷達對比分析 采用此時段內相同經緯度、相同高度、相同時間點的同一氣象目標物做剖面圖,對比各雷達產品回波,得到岳陽與長沙雷達平均偏差序列圖(圖3)。在折線圖中,每隔30 min生成1組對比數據,岳陽雷達比長沙雷達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,岳陽與湘潭雷達平均偏差序列圖,岳陽雷達比湘潭雷達反射率回波平均偏弱約4 dB左右。岳陽與益陽雷達平均偏差序列圖,岳陽雷達比益陽雷達反射率回波平均偏弱約4 dB左右。綜合與3家雷達對比,岳陽雷達回波強度整體均偏弱4 dB左右。

圖3 岳陽與長沙、湘潭、益陽雷達回波強度平均偏差對比Fig.3 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Yueyang and Changsha, Xiangtan, and Yiyang

2.2.2 關聯站雷達對比分析 為避免因目標雷達自身差異而導致的判斷錯誤,選取任意時段,以長沙雷達為初始站,益陽、湘潭雷達為關聯站,對3部雷達進行橫向比較,依舊采取回波強度平均偏差作為指標參數,判斷各雷達之間的均一性。結論如圖4所示,長沙、湘潭、益陽3部雷達之間的最大平均偏差為3.65,遠小于岳陽與長沙雷達的平均偏差。

圖4 長沙與湘潭(a)、益陽(b)雷達回波強度平均偏差對比Fig.4 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Changsha and Xiangtan(a),Changsha and Yiyang(b)

2.3 回波強度誤差原因分析

2.3.1 雷達參數對比 目前,湖南省氣象系統業務運行雷達數量達到11部,其中本文所涉及的4部雷達均為S波段多普勒天氣雷達, 岳陽為SB型號單偏振天氣雷達,生產廠商為中國電子科技集團公司第十四研究所;長沙、湘潭、益陽均為SA型號單偏振天氣雷達,生產廠商為北京敏視達雷達有限公司,其中長沙為雙偏振多普勒天氣雷達(SAD),具體參數如表1所示。各主要參數均符合中華人民共和國氣象行業標準《S波段多普勒天氣雷達》(國標QX/T 464-2018)要求,因此本文認為雷達參數差異對雷達回波沒有影響。

表1 雷達站點信息表Tab.1 Message of the radar stations

2.3.2 雷達氣象方程 根據雷達氣象方程[6]:

(1)

式中,Pr為雷達接收到的功率,Pt為雷達脈沖發射功率,r為目標物距離,G為天線增益,σ為目標后向散射截面,λ為雷達波長。

根據雷達氣象方程和雷達常數理論,反射率因子Z值的大小,反映了氣象目標內部降水粒子的尺度和數密度,常用來表示氣象目標的強度。理論上,當雷達參數均處于準確狀態時,雷達反射率因子Z只取決于氣象目標本身,而與雷達參數與距離無關,所以不同參數的雷達所測得的Z值可進行相互比較[7]。但在對同樣目標物用不同雷達測量時,出現了Z值偏小的情況,因此,在氣象目標本身不變的情況下,雷達參數因子成為了決定Z值大小的變量。

將雷達常數設為C,代入雷達氣象方程:

(2)

結合式(1)和式(2),在雷達其他參數不變且氣象目標物恒定的情況下,不同的雷達反射率因子Z與其相應雷達天線增益G成反比。G值越大,Z值越小。據此判斷,岳陽雷達反射率強度偏弱主要是由于天線增益變化引起的,故需對天線增益進行重新定標。

3 定標

3.1 定標環境

岳陽新一代天氣雷達位于市郊風雨山山頂,海拔158.3 m,由于地處洞庭湖區,近距離高處相對較難尋找,根據《中國氣象局綜合觀測司關于印發天氣雷達定標業務規范(試行)的通知》(氣測函〔2016〕80號)要求,選取離雷達站直線距離4.7 km的一幢27層高樓樓頂,發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,符合規范對于距離和高度差的要求。選取S波段喇叭一個架設于樓頂,設置頻率為2.765 GHz,信號源設置幅度25 dBm,電纜損耗1.5 dBm,實際喇叭口輸入功率23.5 dBm,水平極化,滿足環境測試條件,見圖5。

圖5 發射喇叭架設實景(水平極化)及天線罩內現場增益測試Fig.5 Real scene of horn installation (horizontal polarization) and on-site gain test inside the radome

由于信號源輸出功率大,發射喇叭采用20 dB增益的大口徑,測試接收機最前端輸出約-30 dBm左右,動態范圍滿足天線測試條件[8]。

3.2 測試過程

設置發射喇叭處信號源頻率為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。將接收機前端輸出通過高頻電纜接至頻譜儀端,首先將天線俯仰調至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,俯仰速率設置為0.1 °·s-1,找出俯仰最大值,實際最大值位置在-0.04°[10]。重復第一和第二個步驟,直至雷達天線找到空間能接收到方位和俯仰位置的最大信號處。

3.3 測試結果

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

圖6 雷達接收機前端處測量信號值(a)和標準喇叭信號測量值(b)Fig.6 Measurement signal(a) and standard horn signal measurements(b) at the front end of the radar receiver

實際天線增益為G=G1-G2+G喇叭+L接收損耗。標準喇叭增益G喇叭為15.3 dBm,接收支路損耗L接收損耗為1.2 dBm[12]。標定后天線增益:

G=-30.19-(-57.82)+15.3+1.2=44.13 dB。

3.4 效果檢驗

在岳陽雷達天線出廠測試報告中,天線增益為45.47 dB,該天線從2009年出廠至今,已連續運行了13 a,日常維護均按照正常業務流程開展,屬于在正常物理性變化范圍內,天線反射面平整性、機械性能均有變化[13]。按照最新測量數據天線增益G=44.13 dB對雷達參數進行更改,更改后再與其他雷達回波進行對比。結果如下:

通過圖7～圖9中岳陽與長沙、湘潭、益陽雷達2022年6月12—13日回波強度相關性對比,形成各雷達站回波強度差異對比(表2)。如表2 所示,岳陽雷達在標定后與周邊雷達差異縮降幅度達到2.35～3.55,從4 dB下降到約在0-1.5 dB范圍以內,達到中國氣象局“質量提升年”行動要求的“到2022年底全國新一代天氣雷達反射率因子標準偏差平均值從4.5 dB降低到3.5 dB”的目標。

表2 岳陽與各雷達站回波強度差異對比表Tab.2 Difference between Yueyang and various radar stations)

圖7 2022年6月12日定標后岳陽—長沙雷達回波對比Fig.7 Comparison of radar echoes from Yueyang to Changsha after calibration on June 12,2022

圖8 2022年6月12日定標后岳陽—湘潭雷達回波對比Fig.8 Comparison of radar echoes from Yueyang to Xiangtan after calibration on June 12,2022

圖9 2022年6月12日定標后岳陽—益陽雷達回波對比Fig.9 Comparison of radar echoes from Yueyang to Yiyang after calibration on June 12,2022

4 結論及分析

(1)天線增益參數并不是影響雷達回波強度的唯一因子,需結合其他參數進行綜合判斷。由于岳陽雷達在2020年剛完成技術升級及技術標準統一改造工作,對發射、接收系統進行整體換新,本文認為發射接收系統的衰減損耗直接采用了新測定的參數值,故不再對收發支路損耗進行測量,從而排除了其他因子影響。

(2)天氣雷達天線在長時間的運行后,天線增益等參數會產生變化,需要及時對其進行定標。經現場定標測量,岳陽雷達業務運行10 a來,天線增益從45.47 dB降到44.13 dB,對回波強度干擾達4 dB,嚴重影響雷達觀測準確性。

(3)通過定標,找到了岳陽雷達回波強度因子偏弱的原因并修正了相關參數,達到了預期目的,對目前在運行的業務雷達定標工作具有一定的指導意義。但是該結論只能代表岳陽雷達與周邊雷達強度一致性誤差達到了業務允許范圍內,在正式雷達定標業務中,具體以哪部雷達為“標準”,尚無定論。