威宁X波段双偏雷达与昭通C波段天气雷达回波强度对比

杨 哲，邹书平，李翠翠，曹 水，李 源

(1.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳 550081；2.贵州省冰雹防控工程技术中心，贵州 贵阳 550081;3.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

0 引言

雷达回波强度(dBz)是雷达反射率因子(Z)对数值，其值大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和密度分布，它可以用来推断回波变化规律及辨别降水类型[1]，是天气雷达所有探测数据中应用最多，也是最基本的一种数据。胡明宝等[2]对双偏振多普勒天气雷达和新一代SA天气雷达反射率因子值做了对比分析，结果表明双偏振天气雷达测量的反射率因子值比SA雷达要弱点，李毅聪[3]等比对分析了X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达产品，表明两部雷达强度中心、回波强度及分布范围存在一定的差异，X 波段雷达在60 km探测范围内雷达回波强度略强，之后随之减弱。

威宁县地处贵州西北边陲、云贵高原台地斜坡过渡带[4]，平均海拔高、气候多变[5]，是贵州省多个冰雹发展路径的起源地[6]，而威宁县又是全国最大最优质烤烟种植基地之一，冰雹对其农作物危害极其巨大，因此精准化人工防雹就显得特别重要。X波段双偏振雷达对相态粒子具有一定的探测能力，可用于人工防雹作业的精准指挥。由于地形条件、雷达探测性能的差异，X波段双偏振雷达与昭通新一代C波段天气雷达对强对流天气过程的探测回波强度有一定的差异，这会对人工防雹作业的精准指挥产生一定的影响，因此需要对威宁X波段双偏振雷达的回波强度进行必要的对比分析。

1 雷达介绍

云南昭通新一代C波段天气雷达(以下简称昭通雷达)是由安徽四创公司生产的中国气象局全国布网雷达，经过十多年的业务运行，可靠性高，有定期的周维护、月维护、年维护等各种保障措施，因此可以以昭通雷达为基准进行研究。

表1 两部雷达主要参数对比Tab.1 Comparison of the main parameters of two radars

2 数据处理方法

根据表1昭通雷达站与威宁雪山雷达站的经纬度可计算出两部雷达地面直线距离约为49.179 4 km，两部雷达的相对位置如下图所示。

图1 昭通和威宁雷达位置图Fig.1 Zhaotong and Weining Radar Position

要对两部雷达进行对比观测，首先应确保两部雷达观测区域一致，取其中间线(绿线)附近的回波可有效减小因空间不一致造成的观测误差；其次保证时间上的一致性，在实际观测中很难做到两部雷达完全同步，可认为观测时间差在2 min内算时间同步[8]。

为尽可能的减小观测误差，需对两部雷达中线区域做更深层次分析。若两部雷达以相同仰角观测其连接线的中点区域，那么因大气折射和地球曲率产生的波束高度订正值是相同的，两部雷达的波束高度差就等于其海拔高度之差，即468.3 m。在中点位置(即距威宁雷达站或昭通雷达站1/2×49.179 4 km=24.589 7 km)处，昭通雷达的波束宽度距离BC为407.7 m，威宁雷达的波束宽度距离BX为416.3 m，由于2个雷达站海拔高度差大于雷达自身波束宽度，在相同仰角下垂直方向不会有重叠区域，在保证两部雷达仰角相差不大于10°的条件下大气折射和地球曲率造成的波束高度订正值差异可忽略不计[9]，将昭通雷达抬高一个仰角可与威宁雷达有重叠区域，下面以威宁雷达4.3°仰角和昭通雷达5.3°仰角为例进行分析，其中威宁雷达海拔高度AX为2 472 m；昭通雷达海拔高度AC为2 003.7 m。

H1为威宁雷达4.3°俯仰角时24.589 7 km处(即两部雷达中点处)的波束高度；H2为昭通雷达5.3°俯仰角时24.589 7 km处的波束高度。由图2可得：

图2 威宁、昭通雷达中点处俯仰示意图Fig.2 Pitch Diagram at Midpoint Of Weining And Zhaotong Radar

H1=24.589 7 km×tan(4.3°)=1 848.9 m

H2=24.589 7 km×tan(5.3°)=2 281.1 m

威宁雷达波束所在高度：

HX=AX+H1=4 320.5 m

昭通雷达波束所在高度：

情况 6 设d(v)=8,则f3(v)≤⎣」=4,且ch(v)=8-4=4。由权转移规则知8-点转给3-点,3-面权值,当8-点作为三角形的外邻点时也转给三角形权值。

HC=AC+H2=4 241.5 m

两部雷达在垂直方向的重叠区域长度：

L1=HC+BC-HX=371.6 m

两部雷达在此处的总波束宽度的长度：

L2=HX+BX-HC=452.4 m

两部雷达在此处的重叠区域占总波束宽度的82.1%。利用此方法计算对应仰角有重叠区的占比，并进行统计如2。

表2 各组仰角重叠占比统计Tab.2 Elevation overlap statistics for each group

重叠区域占比达到60%以上可认为近似满足空间一致性要求，由上表可知了部雷达有1、2、3、4、5、7、8、9共8组仰角组合符合标准。

3 威宁雷达与昭通雷达回波强度对比

对比2018年5月发生在贵州省威宁县及周边地区出现的3次强对流天气过程，分析数据资料选用2018年5月17日17时05分、5月17日17时28分、5月19日18时57分威宁雷达体扫数据和对应时间的2018年5月17日17时07分、5月17日17时30分、5月19日18时58分昭通雷达体扫基数据，体扫数据时间差均在2 min以内，并选用昭通雷达1.5°仰角和威宁雷达0.5°仰角组合，再分别选取3个位于两部雷达中点线上的回波强度进行对比分析，这样确保观测到的目标回波为同时间等距离回波[10]。

将3次过程中昭通雷达和威宁雷达在8组对应仰角上的回波强度值进行提取，并统计得出如表3中数据。

表3 不同距离处两部雷达回波强度对比Tab.3 Comparison of Echo Intensity of Two Radar at Different Distances

由表3中3个不同距离回波强度的对比可以看出：威宁雷达的回波强度整体上较昭通雷达大，而且回波位置越远差值越大。

图3 不同距离处两部雷达回波差值对比曲线Fig.3 Contrast Curve Of Echo Difference Between Two Radars at Different Distances

为更加直观反映出两部雷达在不同距离处回波强度的差值变化，取24.7 km、24.9 km、29.2 km回波位置的8组回波强度差值的绝对值并绘制于图3中，图中横坐标1～8分别代表昭通雷达与威宁雷达的1.5/0.5、2.4/1.45、3.4/2.4、4.3/3.35、5.3/4.3、7.5/6.2、8.69/7.5、10/8.7 8组仰角组合，再利用统计学方法计算出两部雷达在3个不同距离处反射率因子差值平均误差和均方差。

表4 不同距离处回波差值分析Tab.4 Analysis of Echo Difference at Different Distances

由图3、表4可知：两部雷达同一位置处回波强度差值的离散度跟距离有一定的正比关系，即距离越远偏差离散度越大；回波距离较近时两部雷达回波强度差值整体较小，且其偏差集中度较高。

4 原因分析

造成两部雷达测值偏差的原因是多方面的，空间上昭通雷达海拔较威宁雷达低，尽管采用表2中仰角组合在中点位置处其观测高度也比威宁雷达观测高度低；时间上两部雷达的观测时间有一定偏差；另外，两部雷达向中点位置传播的电磁波路径不一样衰减也会不一样[11]；不同型号雷达的定标方法和地物杂波抑制等数据处理流程的差异等都会造成测值偏差。

5 总结

通过对两部雷达在同一降水过程回波强度的对比，表明两部雷达反射率因子测量值存在一定的误差，且威宁雷达反射率因子整体较昭通雷达稍偏大；在对不同距离处回波强度的对比，发现目标回波距离雷达越近反射率因子误差值越小，反之越大。这是因为除了雷达自身系统误差、采样空间差异、不同路径衰减差外，两部雷达的距离订正、强度定标也有一定的偏差。两部雷达对近距离回波强度观测值一致性较好，表明威宁雷达近距离反射率因子值可靠，不过由于可用个例的数量不足还无法给出具体参考的距离数值。