巴中CINRAD/SAD雙偏振天氣雷達數據質量評估

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據中心,巴中 610072;3.四川省氣象臺,巴中 610072)

0 引言

巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達自2022-01-01正式投入業務運行以來性能穩定,雷達數據在短臨預報、人工影響天氣等方面發揮了重要作用。巴中雷達作為四川省首部雙偏振新一代天氣雷達,研究雷達數據質量情況是確保巴中新一代天氣雷達能夠充分發揮雙偏振雷達優勢和效益的重要環節[1-2]。

文章通過地物回波變化、同頻電磁干擾和基數據標準差分布3個維度分析了巴中雷達的數據質量[3-4]。李思騰等[5]利用標準差分析了X波段雙偏振天氣雷達在一次降水個例過程中的偏振參量標準差分布情況,該方法通過徑向數據與前后3個距離庫的值進行標準差計算,得到了X波段天氣雷達標準差的計算方法。X波段天氣雷達距離庫多為75 m,3個距離庫為225 m,然而新一代天氣雷達距離庫多為250～300 m,如采用標準差方法計算徑向數據前后3個距離庫長之間的標準差,空間尺度增大到了750 m以上,當天氣過程變化較大時,實際回波的正常變化也會導致標準差變大。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數據質量的標準差算法,并計算得到了巴中CINRDA/SAD新一代天氣雷達的標準差數據質量結果。

通過對3個維度的統計分析,文章得到了巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達數據質量評估結果,通過對數據質量的正確評估,期望對雷達數據在天氣預報、人工影響天氣中的應用和提高雷達數據對定量估測降水的準確性等方面的研究工作提供依據。

1 雷達與數據

巴中雷達站建于巴中經濟開發區時新辦事處東華山山頂,此處海拔較高,雷達能覆蓋整個巴中市區,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,東鄰達州,南接南充,西抵廣元,北接陜西漢中,屬典型的盆周山區,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。

文章統計分析了2022年1—12月巴中CINRAD/SAD型雷達基數據的數據質量,通過統計雷達地物回波、同頻電磁干擾和標準差分布結果,得到了巴中雷達數據質量的評估結果。

2 數據質量評估方法

2.1 地物回波統計

地物回波是影響天氣雷達數據質量的因素之一,主要是指雷達發射的電磁波主瓣或者旁瓣信號被建筑物、山體、樹木等固定目標物反射后,在雷達終端顯示出的強信號帶,這些回波信號的徑向速度一般很小,所以很容易被雷達信號處理器通過速度凹口算法濾除。由于地物回波具有穩定性高的特點,通過分析雷達地物回波(G)的均值和標準差變化,可以在一定程度上反映出雷達的數據質量。地物回波的均值和標準差計算公式如式(1)所示:

(1)

2.2 同頻電磁干擾

四川省已建的12部新一代天氣雷達中有7部S波段新一代天氣雷達,其中6部雷達的中心頻點為2880 MHz,雷達兩兩之間的距離小于200 km,雷達與雷達之間存在嚴重的同頻電磁干擾,巴中雷達也存在該問題,通過統計雷達在2022年同頻電磁干擾的出現頻次,可以得到巴中雷達受同頻電磁波干擾的嚴重程度。

2.3 標準差分析

通過統計天氣雷達基數據中物理量參數的標準差,可以反映雷達數據的波動情況,在雷達參數性能正常的情況下,基數據標準差應該符合一定的理論分布。

通過數學公式計算得到標準差的理論值后,對比標準差實際值和理論值的差異,可以分析出雷達基數據的水平極化反射率因子、差分反射率、差分相移和相關系數的數據質量。由于差分相移率是由差分相移直接計算得到,所以差分相移率的數據質量可參考差分相移的評估結果。

2.3.1 標準差理論值計算

根據計算反射率因子(Zh)、差分反射率(Zdr)、差分相移(φdp)和相關系數(Cc)標準差理論值的公式(式2),認為當雷達性能參數正常時,雷達基數據的標準差應符合一定理論分布,可以通過雷達數據的標準差分布來衡量數據質量。

(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標準差理論值;Mi表示獨立樣本量,其計算公式如式(3)所示:

(3)

可見,整理得到的Zh、Zdr、Cc和φdp標準差理論值僅與σv和Cc有關,其余參數在雷達觀測數據中皆為常數,Prf表示脈沖重復頻率(單位:Hz)。巴中雷達1～2層仰角的Prf為322 Hz;λ表示雷達波長(單位:cm),如巴中雷達波長為10.42 cm;M表示雷達脈沖采樣量(單位:個),巴中雷達脈沖采樣量為32個。標準差計算的雷達基數據主要針對有天氣過程的數據,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,即可得到標準差理論值的上限,算得巴中雷達0.5°仰角Zh、Zdr、Cc和φdp標準差理論值上限,詳見表1[6-7]。

表1 巴中雷達反射率因子、差分反射率、差分相移和相關系數的標準差理論值

2.3.2 標準差實際值

文章根據S波段雙偏振新一代天氣雷達距離庫長的實際情況,改良了標準差的計算方法,計算徑向數據周圍1個距離庫范圍內的8個數據得到標準差,從而最大限度的保持參與標準差計算的數據之間的相關性(圖1)。

圖1 改良的標準差計算方法示意圖

根據上述條件,得到標準差的計算公式如式(4)所示:

(4)

3 數據質量評估結果

3.1 地物回波統計結果

圖2給出了2022年1—12月巴中雷達地物回波強度均值和標準差變化,可見,巴中雷達地物回波均值的月變化不大,波動很小,主要在65.8 dBt左右,地物回波標準差的波動也很小,基本小于1 dBt。這說明巴中雷達的強度定標很準確,且雷達的伺服系統也無較大誤差,原因是當雷達俯仰角度出現控制精度不達標時,同樣會導致雷達地物回波強度均值發生較大變化[8-17]。

圖2 2022年1—12月巴中雷達地物回波強度均值和標準差變化

3.2 同頻電磁干擾統計結果

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

圖3 2022年1—12月巴中雷達基數據出現同頻電磁干擾頻次變化

3.3 單偏振參量統計結果

根據改進后的天氣雷達標準差算法,統計分析2022年1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達基數據的數據質量,圖4給出了巴中雷達反射率因子標準差分布結果,統計樣本量超過200萬。根據表1巴中雷達的反射率因子標準差理論值為1.89 dBZ,如圖4虛線所示?？梢?巴中雷達反射率因子標準差低于反射率因子標準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據質量較差,反射率因子數據存在較大波動。

圖4 巴中雷達反射率因子標準差分布

3.4 雙偏振參量標準差統計結果

根據表1得到的結果,巴中差分反射率因子標準差理論值、差分相移標準差理論值和相關系數標準差理論值的上限值分別為1.46,3.14和0.07。圖5 (a)給出了巴中雷達差分反射率標準差的分布情況,巴中雷達差分反射率標準差總體都小于其理論值,差分反射率標準差低于其理論值上限的比例為85.11%,可以認為差分反射率數據的波動性較小。圖5(b)給出了巴中雷達差分相移標準差的分布情況,巴中雷達的差分相移標準差總體都大于其理論值,差分相移標準差低于其理論值上限的比例為30.89%,差分相移數據的波動性較大。圖5(c)給出了巴中雷達相關系數標準差的分布情況,相關系數標準差總體都小于其理論值,低于相關系數標準差理論值上限的比例為90.21%,相關系數數據的波動性很小,標準差為0的占比也較高。

圖5 巴中雷達差分反射率、差分相移和相關系數標準差分布

4 結束語

文章通過統計2022年1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天氣雷達基數據地物回波強度的均值和標準差變化情況、同頻電磁干擾回波頻次和反射率因子、差分反射率、相關系數和差分相移的標準差分布,得到了巴中雷達基數據的數據質量,結果如下:

1)巴中雷達數據質量穩定性較高,地物回波強度的均值和標準差變化較小,均值在65.8 dBt左右變化,標準差小于1 dBt。

2)巴中雷達存在較多同頻電磁干擾的情況,2022年全年出現頻次最少為5月的450次,最多為9月的1441次,9月同頻干擾數據占當月基數據的18.1%。

3)巴中雷達反射率因子存在較大波動,標準差低于標準差理論值的比例僅41.61%。差分反射率和相關系數數據質量較好,標準差低于差分反射率標準差理論值和相關系數標準差理論值的比例分別為85.11%和90.21%,差分相移的數據波動較大,標準差低于其理論值上限的比例僅30.89%。