相鄰新一代天氣雷達回波強度誤差分析

2011-06-29 06:14:30劉黎平張志強

成都信息工程大學學報 2011年6期

胡松, 劉黎平, 李超, 張志強

(1.成都信息工程學院,四川成都610225;2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京100081;3.國家氣象信息中心,北京100081)

1 引言

回波強度是分析天氣雷達最基本、最直觀、最重要的探測方法之一,是識別判斷各種災害天氣、分析降水類型、強度和移動趨勢的有力工具[1]。新一代天氣雷達投入使用前都要經過雷達校準和標定[2-3]。然而在實際運行中由校準和標定等所帶來的誤差很難消除。并且實際中不同雷達在同一時間對同一降水例子進行觀測,不可能做到嚴格意義上的時間和空間同步[4]。因此,對雷達基數據的誤差分析顯得尤為重要。

中國氣象科學研究院已經開展三維拼圖的工作,并進行了三維格點處理后的回波強度的誤差分析,一種是傳統意義上對比分析兩部雷達的PPI圖,這樣由不確定性帶來的誤差比較大,另一種處理方法是將格點化數據插值到同一高度層上來對比。

傳統意義上對雷達PPI顯示的處理方法是對基數據格點化插值,提出了一種新的區域雷達網同步觀測的對比方法,該方法通過兩部雷達在空間上經度,緯度,海拔高度以及雷達方位和仰角等已知條件,利用球面三角函數關系,直接對兩部雷達的基數據進行分析。減小了由三維格點化[5]所帶來的誤差,保留了原始回波的特性。

2 資料選取和處理方法

2.1 資料選取

為了對資料分析有較好分辨性,選取廣東6部雷達2008年6月6日12～13時數據。當天有強降雨,雷達各參數如表1所示。

表1 雷達參數

2.2 處理方法

2.2.1 方法介紹

分析相鄰雷達回波強度誤差的思路是從一個雷達的回波點,找到另外一部雷達最近的回波點,或者是找到上下兩層的回波點,然后插值,這樣就得到了一組回波強度值,然后從平均回波強度等方面進行誤差分析。

根據雷達的經度、緯度、海拔高度、方位和仰角,計算出每一個距離庫上對應點的經度、緯度、海拔高度。再根據另一部雷達的具體位置,找出另一部雷達對應的仰角,方位和距離庫數。實現從球坐標到笛卡爾坐標再到球坐標的轉換。從而找到另一部雷達的對應位置,進而,進行對比差異的比較分析。具體流程如圖1所示。

2.2.2 對應點對比法相關算法

設雷達A的經度、緯度、海拔高度為(αA,βA,hA),任一方位角,仰角分別為 aA,eA根據球面三角函數關系可得到A中任意一點O的經度,緯度,海拔高度(αo,βo,ho),r為距離庫數,雷達B 的經度,緯度,海拔高度為(αB,βB,hB),計算公式如下：

通過笛卡爾到球坐標的轉換,可以反算對應點在B雷達中的位置(r,a,e),r為斜距,a為方位角,e為仰角,計算方法如下：

通過上述變換,可以找到雷達 A中任意一點在雷達B中所對應的每一個距離庫中的對應點。一般情況下,式中的仰角e并不剛好等于B雷達的仰角,而是要找到與仰角e相鄰的上下兩層,再經過相關插值算法,來確定最后結果。

圖1 算法流程圖

2.2.3 相關插值算法

對于仰角值介于雷達B相鄰層(9層)間的數據進行插值,采用徑向和方位上的最近鄰居和垂直線性內插法[6](nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linear interpolation in vertical direction,NVI)

如圖2所示,(r,a,e)是某一網格點在雷達球坐標系中的位置,r為斜距,a為方位角,e為仰角。e位于其上下相鄰仰角e2和e1之間。(r,a,e2)和(r,a,)分別是經過該網格點的垂線(仰角低于20°時,垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰角波束軸線的交點,那么該網格點的分析值 fa(r,a,e)可以用這兩點的分析值 fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)進行垂直線性內插得到,即：

fa(r,a,e2)和 fa(r,a,e1)分別等于最靠近點(r,a,e2)和(r,a,e1)的雷達距離庫的觀測值,獲取采用了徑向和方位上的最近鄰居法。

圖2 垂直和水平線性內插示意圖

3 對比分析

選取廣州、深圳、陽江SA雷達在2008年6月6日12時至13時10個時段的數據,這3部雷達位置較近,從純粹的多普勒雷達理論和國外的經驗考慮,兩站之間的距離在60～80km比較適合[6],為了更好地分析兩部覆蓋區域的回波強度,去掉回波較弱(＜15dBz)的點和兩個回波差值較大(＞10dBz)的點,進行統計分析。取得12時17分1.5°仰角的PPI實際觀測,如圖3所示。