相邻新一代天气雷达回波强度误差分析

2011-06-29刘黎平张志强

成都信息工程大学学报 2011年6期

胡松, 刘黎平, 李超, 张志强

(1.成都信息工程学院,四川成都610225;2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;3.国家气象信息中心,北京100081)

1 引言

回波强度是分析天气雷达最基本、最直观、最重要的探测方法之一,是识别判断各种灾害天气、分析降水类型、强度和移动趋势的有力工具[1]。新一代天气雷达投入使用前都要经过雷达校准和标定[2-3]。然而在实际运行中由校准和标定等所带来的误差很难消除。并且实际中不同雷达在同一时间对同一降水例子进行观测,不可能做到严格意义上的时间和空间同步[4]。因此,对雷达基数据的误差分析显得尤为重要。

中国气象科学研究院已经开展三维拼图的工作,并进行了三维格点处理后的回波强度的误差分析,一种是传统意义上对比分析两部雷达的PPI图,这样由不确定性带来的误差比较大,另一种处理方法是将格点化数据插值到同一高度层上来对比。

传统意义上对雷达PPI显示的处理方法是对基数据格点化插值,提出了一种新的区域雷达网同步观测的对比方法,该方法通过两部雷达在空间上经度,纬度,海拔高度以及雷达方位和仰角等已知条件,利用球面三角函数关系,直接对两部雷达的基数据进行分析。减小了由三维格点化[5]所带来的误差,保留了原始回波的特性。

2 资料选取和处理方法

2.1 资料选取

为了对资料分析有较好分辨性,选取广东6部雷达2008年6月6日12～13时数据。当天有强降雨,雷达各参数如表1所示。

表1 雷达参数

2.2 处理方法

2.2.1 方法介绍

分析相邻雷达回波强度误差的思路是从一个雷达的回波点,找到另外一部雷达最近的回波点,或者是找到上下两层的回波点,然后插值,这样就得到了一组回波强度值,然后从平均回波强度等方面进行误差分析。

根据雷达的经度、纬度、海拔高度、方位和仰角,计算出每一个距离库上对应点的经度、纬度、海拔高度。再根据另一部雷达的具体位置,找出另一部雷达对应的仰角,方位和距离库数。实现从球坐标到笛卡尔坐标再到球坐标的转换。从而找到另一部雷达的对应位置,进而,进行对比差异的比较分析。具体流程如图1所示。

2.2.2 对应点对比法相关算法

设雷达A的经度、纬度、海拔高度为(αA,βA,hA),任一方位角,仰角分别为 aA,eA根据球面三角函数关系可得到A中任意一点O的经度,纬度,海拔高度(αo,βo,ho),r为距离库数,雷达B 的经度,纬度,海拔高度为(αB,βB,hB),计算公式如下：

通过笛卡尔到球坐标的转换,可以反算对应点在B雷达中的位置(r,a,e),r为斜距,a为方位角,e为仰角,计算方法如下：

通过上述变换,可以找到雷达 A中任意一点在雷达B中所对应的每一个距离库中的对应点。一般情况下,式中的仰角e并不刚好等于B雷达的仰角,而是要找到与仰角e相邻的上下两层,再经过相关插值算法,来确定最后结果。

图1 算法流程图

2.2.3 相关插值算法

对于仰角值介于雷达B相邻层(9层)间的数据进行插值,采用径向和方位上的最近邻居和垂直线性内插法[6](nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linear interpolation in vertical direction,NVI)

如图2所示,(r,a,e)是某一网格点在雷达球坐标系中的位置,r为斜距,a为方位角,e为仰角。e位于其上下相邻仰角e2和e1之间。(r,a,e2)和(r,a,)分别是经过该网格点的垂线(仰角低于20°时,垂直方向可用仰角方向近似)与其上下仰角波束轴线的交点,那么该网格点的分析值 fa(r,a,e)可以用这两点的分析值 fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)进行垂直线性内插得到,即：

fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)分别等于最靠近点(r,a,e2)和(r,a,e1)的雷达距离库的观测值,获取采用了径向和方位上的最近邻居法。

图2 垂直和水平线性内插示意图

3 对比分析

选取广州、深圳、阳江SA雷达在2008年6月6日12时至13时10个时段的数据,这3部雷达位置较近,从纯粹的多普勒雷达理论和国外的经验考虑,两站之间的距离在60～80km比较适合[6],为了更好地分析两部覆盖区域的回波强度,去掉回波较弱(＜15dBz)的点和两个回波差值较大(＞10dBz)的点,进行统计分析。取得12时17分1.5°仰角的PPI实际观测,如图3所示。