巴中CINRAD/SAD双偏振天气雷达数据质量评估

黎 亮,谢晓林,胡 迪,刘 锐,罗宇昂,李 翔

(1.巴中市气象局,巴中 636001;2.四川省气象探测数据中心,巴中 610072;3.四川省气象台,巴中 610072)

0 引言

巴中CINRAD/SAD新一代天气雷达自2022-01-01正式投入业务运行以来性能稳定,雷达数据在短临预报、人工影响天气等方面发挥了重要作用。巴中雷达作为四川省首部双偏振新一代天气雷达,研究雷达数据质量情况是确保巴中新一代天气雷达能够充分发挥双偏振雷达优势和效益的重要环节[1-2]。

文章通过地物回波变化、同频电磁干扰和基数据标准差分布3个维度分析了巴中雷达的数据质量[3-4]。李思腾等[5]利用标准差分析了X波段双偏振天气雷达在一次降水个例过程中的偏振参量标准差分布情况,该方法通过径向数据与前后3个距离库的值进行标准差计算,得到了X波段天气雷达标准差的计算方法。X波段天气雷达距离库多为75 m,3个距离库为225 m,然而新一代天气雷达距离库多为250～300 m,如采用标准差方法计算径向数据前后3个距离库长之间的标准差,空间尺度增大到了750 m以上,当天气过程变化较大时,实际回波的正常变化也会导致标准差变大。针对该问题,文章改良了算法,得到了一种适用于S波段双偏振天气雷达数据质量的标准差算法,并计算得到了巴中CINRDA/SAD新一代天气雷达的标准差数据质量结果。

通过对3个维度的统计分析,文章得到了巴中CINRAD/SAD新一代天气雷达数据质量评估结果,通过对数据质量的正确评估,期望对雷达数据在天气预报、人工影响天气中的应用和提高雷达数据对定量估测降水的准确性等方面的研究工作提供依据。

1 雷达与数据

巴中雷达站建于巴中经济开发区时新办事处东华山山顶,此处海拔较高,雷达能覆盖整个巴中市区,并能观测到主要天气过程来向的回波。巴中市位于四川盆地东北部,地处大巴山系米仓山南麓,中国秦岭-淮河分界线南,东邻达州,南接南充,西抵广元,北接陕西汉中,属典型的盆周山区,地势北高南低,由北向南倾斜,北部为深切割中山,中部为中切割低山,南部为丘陵,沿河两岸及台状山顶有平坝。

文章统计分析了2022年1—12月巴中CINRAD/SAD型雷达基数据的数据质量,通过统计雷达地物回波、同频电磁干扰和标准差分布结果,得到了巴中雷达数据质量的评估结果。

2 数据质量评估方法

2.1 地物回波统计

地物回波是影响天气雷达数据质量的因素之一,主要是指雷达发射的电磁波主瓣或者旁瓣信号被建筑物、山体、树木等固定目标物反射后,在雷达终端显示出的强信号带,这些回波信号的径向速度一般很小,所以很容易被雷达信号处理器通过速度凹口算法滤除。由于地物回波具有稳定性高的特点,通过分析雷达地物回波(G)的均值和标准差变化,可以在一定程度上反映出雷达的数据质量。地物回波的均值和标准差计算公式如式(1)所示:

(1)

2.2 同频电磁干扰

四川省已建的12部新一代天气雷达中有7部S波段新一代天气雷达,其中6部雷达的中心频点为2880 MHz,雷达两两之间的距离小于200 km,雷达与雷达之间存在严重的同频电磁干扰,巴中雷达也存在该问题,通过统计雷达在2022年同频电磁干扰的出现频次,可以得到巴中雷达受同频电磁波干扰的严重程度。

2.3 标准差分析

通过统计天气雷达基数据中物理量参数的标准差,可以反映雷达数据的波动情况,在雷达参数性能正常的情况下,基数据标准差应该符合一定的理论分布。

通过数学公式计算得到标准差的理论值后,对比标准差实际值和理论值的差异,可以分析出雷达基数据的水平极化反射率因子、差分反射率、差分相移和相关系数的数据质量。由于差分相移率是由差分相移直接计算得到,所以差分相移率的数据质量可参考差分相移的评估结果。

2.3.1 标准差理论值计算

根据计算反射率因子(Zh)、差分反射率(Zdr)、差分相移(φdp)和相关系数(Cc)标准差理论值的公式(式2),认为当雷达性能参数正常时,雷达基数据的标准差应符合一定理论分布,可以通过雷达数据的标准差分布来衡量数据质量。

(2)

式中,σv表示大气湍流速度;Szh,Szdr,Scc和Sφ,dp分别表示Zh,Zdr,Cc和φdp标准差理论值;Mi表示独立样本量,其计算公式如式(3)所示:

(3)

可见,整理得到的Zh、Zdr、Cc和φdp标准差理论值仅与σv和Cc有关,其余参数在雷达观测数据中皆为常数,Prf表示脉冲重复频率(单位:Hz)。巴中雷达1～2层仰角的Prf为322 Hz;λ表示雷达波长(单位:cm),如巴中雷达波长为10.42 cm;M表示雷达脉冲采样量(单位:个),巴中雷达脉冲采样量为32个。标准差计算的雷达基数据主要针对有天气过程的数据,降水回波的Cc一般为0.90～0.99,假定大气湍流速度σv在0.5～10.0 m/s,即可得到标准差理论值的上限,算得巴中雷达0.5°仰角Zh、Zdr、Cc和φdp标准差理论值上限,详见表1[6-7]。

表1 巴中雷达反射率因子、差分反射率、差分相移和相关系数的标准差理论值

2.3.2 标准差实际值

文章根据S波段双偏振新一代天气雷达距离库长的实际情况,改良了标准差的计算方法,计算径向数据周围1个距离库范围内的8个数据得到标准差,从而最大限度的保持参与标准差计算的数据之间的相关性(图1)。

图1 改良的标准差计算方法示意图

根据上述条件,得到标准差的计算公式如式(4)所示:

(4)

3 数据质量评估结果

3.1 地物回波统计结果

图2给出了2022年1—12月巴中雷达地物回波强度均值和标准差变化,可见,巴中雷达地物回波均值的月变化不大,波动很小,主要在65.8 dBt左右,地物回波标准差的波动也很小,基本小于1 dBt。这说明巴中雷达的强度定标很准确,且雷达的伺服系统也无较大误差,原因是当雷达俯仰角度出现控制精度不达标时,同样会导致雷达地物回波强度均值发生较大变化[8-17]。

图2 2022年1—12月巴中雷达地物回波强度均值和标准差变化

3.2 同频电磁干扰统计结果

图3给出了2022年1—12月巴中雷达基数据出现同频电磁干扰频次变化趋势,可见,巴中雷达2022年全年每个月均出现同频电磁干扰回波,5月出现频次最少,为450次,9月出现频次最多,为1441次,在当月基数据量的占比为18.1%。同频电磁干扰的月变化趋势无规律可循,原因是大部分同频电磁干扰是来自于四川省其他5部具有相同频点的S波段新一代天气雷达,当其他5部雷达信号恰巧被巴中雷达天线接收时,就会出现同频干扰,但是天气雷达在做VCP21体扫时,两个天气雷达天线相对的概率不高,所以每月出现的同频电磁干扰会有较大变化。

图3 2022年1—12月巴中雷达基数据出现同频电磁干扰频次变化

3.3 单偏振参量统计结果

根据改进后的天气雷达标准差算法,统计分析2022年1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天气雷达基数据的数据质量,图4给出了巴中雷达反射率因子标准差分布结果,统计样本量超过200万。根据表1巴中雷达的反射率因子标准差理论值为1.89 dBZ,如图4虚线所示。可见,巴中雷达反射率因子标准差低于反射率因子标准差理论值上限的比例不大,仅为41.61%,反映出反射率因子的数据质量较差,反射率因子数据存在较大波动。

图4 巴中雷达反射率因子标准差分布

3.4 双偏振参量标准差统计结果

根据表1得到的结果,巴中差分反射率因子标准差理论值、差分相移标准差理论值和相关系数标准差理论值的上限值分别为1.46,3.14和0.07。图5 (a)给出了巴中雷达差分反射率标准差的分布情况,巴中雷达差分反射率标准差总体都小于其理论值,差分反射率标准差低于其理论值上限的比例为85.11%,可以认为差分反射率数据的波动性较小。图5(b)给出了巴中雷达差分相移标准差的分布情况,巴中雷达的差分相移标准差总体都大于其理论值,差分相移标准差低于其理论值上限的比例为30.89%,差分相移数据的波动性较大。图5(c)给出了巴中雷达相关系数标准差的分布情况,相关系数标准差总体都小于其理论值,低于相关系数标准差理论值上限的比例为90.21%,相关系数数据的波动性很小,标准差为0的占比也较高。

图5 巴中雷达差分反射率、差分相移和相关系数标准差分布

4 结束语

文章通过统计2022年1—12月巴中CINRAD/SAD新一代天气雷达基数据地物回波强度的均值和标准差变化情况、同频电磁干扰回波频次和反射率因子、差分反射率、相关系数和差分相移的标准差分布,得到了巴中雷达基数据的数据质量,结果如下:

1)巴中雷达数据质量稳定性较高,地物回波强度的均值和标准差变化较小,均值在65.8 dBt左右变化,标准差小于1 dBt。

2)巴中雷达存在较多同频电磁干扰的情况,2022年全年出现频次最少为5月的450次,最多为9月的1441次,9月同频干扰数据占当月基数据的18.1%。

3)巴中雷达反射率因子存在较大波动,标准差低于标准差理论值的比例仅41.61%。差分反射率和相关系数数据质量较好,标准差低于差分反射率标准差理论值和相关系数标准差理论值的比例分别为85.11%和90.21%,差分相移的数据波动较大,标准差低于其理论值上限的比例仅30.89%。