新一代多普勒天气雷达强度定标研究

2023-12-11张巧明雷永恒余文会

中低纬山地气象 2023年5期

张巧明,雷永恒,余文会

(1.湖南省岳阳市气象局,湖南岳阳 414000;2.湖南省气象技术装备中心,湖南长沙 410007)

0 引言

新一代天气雷达是监测台风、暴雨等大范围降水天气过程的气常规设备,更是监测短时强降水、冰雹、龙卷等中小尺度强对流灾害天气的最重要手段,具有不可替代的作用。由于每部雷达性能各有差异,对同一探测目标形成的观测结果具有一定的偏差,因此,需对单点雷达进行标定,以提高雷达观测一致性。2022年7月6日,中国气象局召开雷达观测试验启动会指出,目前我国建成了236部S/C波段业务雷达,在强对流天气实时监测和分析判断中发挥着重要作用。然而,由于我国天气雷达型号多,技术标准不统一,技术差异带来的观测误差各异。史锐等[1]分析了长江流域2部S波段和3部C波段多普勒雷达回波强度特征,发现S波段和C波段雷达回波强度存在整体性的差异;肖艳娇等[2]对比分析了长江中游5部S波段多普勒雷达,发现各雷达之间存在强度、高度、位置上的差异。徐八林等[3,4]分析了高山雷达探测对估测降水的影响,提出改进高山雷达低层回波探测能力的方法。据统计,当前我国天气雷达网反射率标准差仍然达到4.5 dB,要实现“全国新一代天气雷达反射率因子标准偏差平均值从4.5 dB降低到3.5 dB”的目标仍有一定的差距。因此,开展新一代多普勒天气雷达反射率因子误差分析和定标研究十分必要,以达到降低偏差、提高雷达回波强度整体一致性的目的。

1 资料来源与数据处理技术

岳阳新一代气雷达自2010年业务运行以来,在防灾减灾中发挥了巨大的作用。随着使用年限的增加,省市气象台预报员均反映岳阳雷达回波强度与周边雷达相比明显偏弱。2021年,岳阳雷达完成技术升级及技术标准统一改造后,该问题仍然存在,故需对岳阳雷达进行强度定标。本文分析资料来源于岳阳、长沙、湘潭、益阳等4部雷达基数据,通过中国气象局rose2.0反演和综合气象观测管理系统,结合强降水过程事例,从CAPPI、RHI对比分析雷达回波强度[5]。

2 雷达回波强度对比分析

2.1 回波强度结构特征对比

2022年4月12—13日,受高空低槽和地面冷空气的共同影响,湘中湘北地区普降大—暴雨,并伴有短时强降水、雷暴大风等。根据自动站实况数据12日08时—13日08时(北京时间,下同),岳阳地区北部县市普降大—暴雨,南部为中雨,共出现暴雨35站,最大降水出现在华容县花兰窖站为79.3 mm。图1是2022年4月12日21时46—48分的岳阳、长沙、湘潭、益阳4部雷达3 km CAPPI回波图。从长沙、湘潭、益阳3部雷达回波可以看出,此刻降水云图主要位于长沙西部及北部,回波强度在35～4 dBz,而岳阳雷达降水云图回波不明显,回波强度普遍在30 dBz以下,明显偏弱。图2是4月12日21时46—48分岳阳、长沙雷达回波,分别从点A(28.78°N,113.98°E)至点B(28.98°N,112.13°E)做剖面,在2～4 km垂直空间内,长沙雷达回波强度明显更强,最大回波强度超过50 dBz,岳阳雷达回波普遍低于40 dBz,符合图1中3 km CAPPI雷达回波对比情况。

图1 2022年4月12日21时46—48分岳阳(a)、长沙(b)、湘潭(c)、益阳(d)雷达同一时刻3 km CAPPI图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

图2 岳阳、长沙雷达剖面图Fig.2 Radar profiles of Yueyang and Changsha

2.2 雷达回波强度偏差统计对比分析

2.2.1 单站雷达对比分析采用此时段内相同经纬度、相同高度、相同时间点的同一气象目标物做剖面图,对比各雷达产品回波,得到岳阳与长沙雷达平均偏差序列图(图3)。在折线图中,每隔30 min生成1组对比数据,岳阳雷达比长沙雷达反射率回波平均平均偏差在3.8～5.8之间,平均偏弱约4 dB左右。同理,岳阳与湘潭雷达平均偏差序列图,岳阳雷达比湘潭雷达反射率回波平均偏弱约4 dB左右。岳阳与益阳雷达平均偏差序列图,岳阳雷达比益阳雷达反射率回波平均偏弱约4 dB左右。综合与3家雷达对比,岳阳雷达回波强度整体均偏弱4 dB左右。

图3 岳阳与长沙、湘潭、益阳雷达回波强度平均偏差对比Fig.3 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Yueyang and Changsha, Xiangtan, and Yiyang

2.2.2 关联站雷达对比分析为避免因目标雷达自身差异而导致的判断错误,选取任意时段,以长沙雷达为初始站,益阳、湘潭雷达为关联站,对3部雷达进行横向比较,依旧采取回波强度平均偏差作为指标参数,判断各雷达之间的均一性。结论如图4所示,长沙、湘潭、益阳3部雷达之间的最大平均偏差为3.65,远小于岳阳与长沙雷达的平均偏差。

图4 长沙与湘潭(a)、益阳(b)雷达回波强度平均偏差对比Fig.4 Comparison of average deviation of radar echo intensity between Changsha and Xiangtan(a),Changsha and Yiyang(b)

2.3 回波强度误差原因分析

2.3.1 雷达参数对比目前,湖南省气象系统业务运行雷达数量达到11部,其中本文所涉及的4部雷达均为S波段多普勒天气雷达, 岳阳为SB型号单偏振天气雷达,生产厂商为中国电子科技集团公司第十四研究所;长沙、湘潭、益阳均为SA型号单偏振天气雷达,生产厂商为北京敏视达雷达有限公司,其中长沙为双偏振多普勒天气雷达(SAD),具体参数如表1所示。各主要参数均符合中华人民共和国气象行业标准《S波段多普勒天气雷达》(国标QX/T 464-2018)要求,因此本文认为雷达参数差异对雷达回波没有影响。

表1 雷达站点信息表Tab.1 Message of the radar stations

2.3.2 雷达气象方程根据雷达气象方程[6]:

(1)

式中,Pr为雷达接收到的功率,Pt为雷达脉冲发射功率,r为目标物距离,G为天线增益,σ为目标后向散射截面,λ为雷达波长。

根据雷达气象方程和雷达常数理论,反射率因子Z值的大小,反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度,常用来表示气象目标的强度。理论上,当雷达参数均处于准确状态时,雷达反射率因子Z只取决于气象目标本身,而与雷达参数与距离无关,所以不同参数的雷达所测得的Z值可进行相互比较[7]。但在对同样目标物用不同雷达测量时,出现了Z值偏小的情况,因此,在气象目标本身不变的情况下,雷达参数因子成为了决定Z值大小的变量。

将雷达常数设为C,代入雷达气象方程:

(2)

结合式(1)和式(2),在雷达其他参数不变且气象目标物恒定的情况下,不同的雷达反射率因子Z与其相应雷达天线增益G成反比。G值越大,Z值越小。据此判断,岳阳雷达反射率强度偏弱主要是由于天线增益变化引起的,故需对天线增益进行重新定标。

3 定标

3.1 定标环境

岳阳新一代天气雷达位于市郊风雨山山顶,海拔158.3 m,由于地处洞庭湖区,近距离高处相对较难寻找,根据《中国气象局综合观测司关于印发天气雷达定标业务规范(试行)的通知》(气测函〔2016〕80号)要求,选取离雷达站直线距离4.7 km的一幢27层高楼楼顶,发射中心最大值位置和天线接收端中心基本水平,海拔高度相差12 m,符合规范对于距离和高度差的要求。选取S波段喇叭一个架设于楼顶,设置频率为2.765 GHz,信号源设置幅度25 dBm,电缆损耗1.5 dBm,实际喇叭口输入功率23.5 dBm,水平极化,满足环境测试条件,见图5。

图5 发射喇叭架设实景(水平极化)及天线罩内现场增益测试Fig.5 Real scene of horn installation (horizontal polarization) and on-site gain test inside the radome

由于信号源输出功率大,发射喇叭采用20 dB增益的大口径,测试接收机最前端输出约-30 dBm左右,动态范围满足天线测试条件[8]。

3.2 测试过程

设置发射喇叭处信号源频率为2.765 GHz,输出幅度为25 dBm,水平极化喇叭放置如图5所示,尽可能保证喇叭中心位于水平位置。将接收机前端输出通过高频电缆接至频谱仪端,首先将天线俯仰调至0°(RDASOT软件天线控制,以下同),天线方位选取PPI模式,方位速率为0.1 °·s-1,找出方位最大值[9]。并将天线方位角度置于最大值位置,实际方位最大值在92.64°。天线俯仰从-0.5°扫描至10°,采用CUT模式,俯仰速率设置为0.1 °·s-1,找出俯仰最大值,实际最大值位置在-0.04°[10]。重复第一和第二个步骤,直至雷达天线找到空间能接收到方位和俯仰位置的最大信号处。

3.3 测试结果

将测试电缆一端接至低噪声放大器前端测量出SB雷达天线至TR管处(接收机前端,低噪声放大器输入端)接收的最大信号[11],记录G1=-30.19 dBm,采用标准喇叭位于天线罩位置找出信号最大的位置,测量出标准喇叭口接收的最大信号G2=-57.82 dBm(测试数值见图6)。

图6 雷达接收机前端处测量信号值(a)和标准喇叭信号测量值(b)Fig.6 Measurement signal(a) and standard horn signal measurements(b) at the front end of the radar receiver

实际天线增益为G=G1-G2+G喇叭+L接收损耗。标准喇叭增益G喇叭为15.3 dBm,接收支路损耗L接收损耗为1.2 dBm[12]。标定后天线增益:

G=-30.19-(-57.82)+15.3+1.2=44.13 dB。

3.4 效果检验

在岳阳雷达天线出厂测试报告中,天线增益为45.47 dB,该天线从2009年出厂至今,已连续运行了13 a,日常维护均按照正常业务流程开展,属于在正常物理性变化范围内,天线反射面平整性、机械性能均有变化[13]。按照最新测量数据天线增益G=44.13 dB对雷达参数进行更改,更改后再与其他雷达回波进行对比。结果如下:

通过图7～图9中岳阳与长沙、湘潭、益阳雷达2022年6月12—13日回波强度相关性对比,形成各雷达站回波强度差异对比(表2)。如表2 所示,岳阳雷达在标定后与周边雷达差异缩降幅度达到2.35～3.55,从4 dB下降到约在0-1.5 dB范围以内,达到中国气象局“质量提升年”行动要求的“到2022年底全国新一代天气雷达反射率因子标准偏差平均值从4.5 dB降低到3.5 dB”的目标。