強對流天氣雷達回波強度相關性對比分析

鄒書平，李 波，楊 哲，曹 水，李 皓

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；2.貴州省冰雹防控工程技術中心，貴州 貴陽 550081；3.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002；4.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

1 引言

隨著我國新一代天氣雷達觀測網絡的全面覆蓋，上下游區域性雷達組網在強對流天氣實時監測和分析判斷中發揮著重要作用[1-4]。在山區復雜地形條件下，新一代天氣雷達觀測數據不僅受雷達性能參數的限制，而且也會因地物遮擋而出現探測盲區，造成天氣雷達探測的回波參量的失真，從而對山區局地強對流天氣準確分析判斷產生一定的影響。史銳等[5]分析了長江流域2部S波段和3部C波段多普勒雷達回波強度特征，表明S波段和C波段雷達回波強度存在整體性的差異；肖艷嬌等[6]對比分析了長江中游5部S波段多普勒雷達，結果表明各雷達之間存在強度、高度、位置上的差異。徐八林等[7-8]分析了高山雷達探測對估測降水的影響，提出改進高山雷達低層回波探測能力的方法。鄒書平等[9]對一次強冰雹天氣過程雙雷達回波特征參數對比分析，提出山區雷達識別冰雹云回波的技術方法。

為了減小貴州山區各天氣雷達之間對降水目標物回波的觀測差異性，有效改進雷達組網拼圖數據產品質量，進一步提高山區局地強對流天氣過程的實時監測預警技術水平，同時為人工影響天氣作業條件的判斷提供技術支持，有必要對貴州新一代天氣雷達之間回波特征參數進行對比分析。在此，我們選取了貴陽—遵義、貴陽—畢節雷達之間典型強對流冰雹云天氣過程個例，對冰雹云單體回波的反射率因子大小、等高面強度分布、相同掃描仰角特征數據等進行比較，并分析其雷達回波反射率因子差異性產生的原因，提出了基于山區復雜地形條件下的C波段雷達組網觀測能力的評估方法，從而為彌補單部雷達相互之間的探測盲區與雷達回波產品的應用提供分析判斷的依據。

2 資料分析處理技術方法

本文選用了2011年4月14日和2012年4月29日貴州中西部納雍、大方、息烽、修文、開陽等地出現的兩次冰雹天氣過程，選取數據來源于對流單體從生成發展到成熟階段的雷達觀測序列資料，分析資料是貴陽、遵義和畢節的新一代天氣雷達體掃基數據文件。其主要技術方法是采用雙線性插值技術把極坐標系下的體掃基數據內插到笛卡兒坐標系中，生成所需要的雷達數據圖形產品，并按照方位、距離、高度格點和地理信息讀取有關數據，以保證不同雷達提取的雷達回波特征參數處于相同位置或同一垂直剖面上，從而得到雷達實際記錄的數據產品。在雷達資料處理過程中對地物回波及其他雜波進行識別處理，以消除非氣象回波對真實數據的干擾。表1是三部新一代天氣雷達主要性能參數表。其中，貴陽與畢節、貴陽與遵義、畢節與遵義兩兩雷達站之間的距離分別為160 km、125 km、167 km。

表1 新一代天氣雷達主要性能參數Tab.1 The CINRAD/CD of Main Performance Parameters

注：型號均為CINRAD/CD

在此選取的強對流天氣屬于冰雹云，通常用“單體”來描述冰雹云的雷達回波特征。冰雹云單體雷達回波具有反射率因子強、中心結構密實的特點[10-15]。參照這樣選取的冰雹云回波單體，各天氣雷達之間對同一單體回波的同步觀測具有很好的一致性，這樣就最大限度地減少了雷達回波反射率因子提取的誤差。表2是冰雹云單體回波對比觀測取樣時段信息表。

表2 冰雹云單體回波對比觀測取樣時段信息表Tab.2 The Radar Echo Information for Sampling Time Period of Hail Cloud Cell Contrast Observation

需要指出的是，由于受雷達波長、電磁波衰減、波束寬度、掃描速度以及降水粒子漲落等因素的影響，不同雷達要在同一時間對同一個降水粒子進行觀測，實現嚴格意義上觀測同步是不可能的。我們結合新一代天氣雷達觀測業務特點，為了盡可能地減小在時間上和位置上的不同步，采取以貴陽雷達觀測時間和位置為基準，一是兩部雷達對比觀測的體掃時間差小于3 min，以減小雷達之間同步觀測的時間差；二是采取地理信息格點疊加方法，確定回波最大強度、方位和距離，以減小位置的偏移量。

3 回波強度相關性對比分析

3.1 回波強中心最大反射率因子

dBz=10 lg(Z/Z0)

Z0=1 mm6/mm3

這樣用dBz表示回波強度，它只取決于氣象目標物本身，與天氣雷達參數、目標距離無關[16]。

在概率論中，相關關系是指當一個或幾個相互聯系的變量取一定的數值時，與之相對應的另一變量的值雖然不確定，但它仍按某種規律在一定的范圍內變化。變量間的這種相互關系，稱為具有不確定性的相關關系。相關系數是研究變量之間線性相關程度的量，用r表示，計算公式如下：

在此，以2011年4月14日(編號20110414)和2012年4月29日(編號20120429)兩次強對流冰雹天氣過程為例，分析最大反射率因子時序變化特征。圖1和圖2分別是貴陽與畢節、貴陽與遵義雷達之間雷達回波最大強度dBz值隨時間序列變化圖。

圖1 2011年4月14日17時38分—20時31分回波最大強度時序變化情況(20110414)Fig.1 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2011.4.14 17∶38—20∶31)

圖2 2012年4月29日17時03分—20時30分回波最大強度時序變化情況(20120429)Fig.2 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2012.4.29 17∶03—20∶30)

表3是兩部對比雷達之間回波強度差的最小值、最大值、平均值、相關系數以及取樣距離范圍的數據表。貴陽與畢節雷達之間的回波強度平均相差5.4 dBz；貴陽與遵義雷達之間雷達回波強度平均相差0.9 dBz。

表3 回波強度差的最小值、最大值、平均值和相關系數Tab.3 The Radar Echo Strength Difference of Minimum Value, Maximum Value, Average Value and Correlation Coefficient

通過回波強度時序變化和相關性分析表明，各雷達之間的回波強度具有很好的一致性波動變化特征，且雷達回波強度存在正相關，相關程度顯著。

3.2 相同掃描仰角層最大反射率因子

新一代天氣雷達采用VCP21體掃模式，即大約每6 min一次的9層(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)立體掃描，組成PPI基數據。表4是貴陽和畢節(編號20110414，等距離98.8 km)、貴陽和遵義(編號20120429，等距離97.5 km)立體掃描模式下相同掃描仰角所對應的最大反射率因子和對應回波高度數據表。其中，回波高度通過測高公式求得(見4.2)。

圖3、圖4分別是編號20110414和20120429，在同一掃描仰角下的兩部雷達觀測回波強度PPI圖。從圖示同樣反映出同一掃描仰角的兩部雷達之間回波強度區域相似程度，以及覆蓋范圍大小的差異性。

表4 相同掃描仰角下所對應的最大反射率因子表Tab.4 The Radar of Maximum Reflectivity Factor Corresponding to the Same Scan Elevation Angle

圖3 2011年4月14日雷達回波強度對比PPI(仰角 1.5°)(a：貴陽,19時40分 b：畢節,19時39分)Fig.3 The Radar Echo of Strength Comparison in PPI (Elevation 1.5°)(a:Guiyang, 2011.4.14 19∶40 b:Bijie,2011.4.14 19∶39)

圖4 2012年4月29日 雷達回波強度對比PPI(仰角 1.5°)(a：貴陽,18時02分 b：遵義,18時01分)Fig.4 The Radar Echo of Strength Comparison in PPI (Elevation 1.5°)(a: Guiyang, 2012.4.29 18∶02 b: Zunyi,2012.4.29 18∶01)

3.3 等高面最大反射率因子

等高面反射率因子(CAPPI)是同一等高度平面反射率因子數據圖形產品，它可以直觀地對比兩部雷達在同一高度平面上的回波分布狀況。我們選取以兩部雷達觀測到的目標物等距離的3 km和6 km等高面反射率因子(CAPPI)數據圖形產品進行對比分析。

表5是3 km和6 km CAPPI最大反射率因子數據表。其中，貴陽和畢節雷達之間最大反射率因子相差3 dBz，而貴陽和遵義雷達之間則相差7 dBz。

表5 3 km和6 km CAPPI最大反射率因子Tab.5 The Radar Maximum reflectivity factor of 3 km and 6 km CAPPI

圖5、圖6分別是貴陽和畢節(編號20110414，等距離98.8 km)、貴陽和遵義(編號20120429，等距離97.5 km)天氣雷達觀測3 km和6 km CAPPI圖。從圖示反映出兩部雷達之間回波強度區域相似程度和覆蓋范圍大小的差異性。

圖5 編號20110414，等距離98.5 km，3 km和6 km CAPPI(a：貴陽-19時40分 b：畢節-19時39分)Fig.5 The Radar of 3 km and 6 km CAPPI (No. 20110414, Equidistant 98.5 km, a: Guiyang -19∶40 b: Bijie -19∶39)

圖6 編號20120429，等距離97.3 km，3 km和6 km CAPPI(a：貴陽-18時02分 b：遵義-18時01分)Fig.6 The Radar of 3 km and 6 km CAPPI(No.20120429, Equidistant 98.5 km,a: Guiyang-18∶02 b:Zunyi-18∶01)

4 原因分析

從上面分析來看，在這三部雷達之間的反射率因子或多或少存在一定的差異性。特別是貴陽與畢節之間的回波強度相差比較大，相差最大的時段是18時07分—18時59分，且畢節雷達回波強度明顯高于貴陽雷達回波強度，最大相差10.0 dBz，平均相差5.4 dBz。這樣的探測結果對強對流天氣的性質和程度的判斷將產生顯著的影響。在此，重點分析產生這種差異性的原因。

4.1 雷達波衰減對反射率因子的影響

新一代天氣雷達的參數都經過了仔細的校準和標定,以確保雷達對降水目標的準確測量。通常情況下，雷達與目標物之間的云和降水所造成的衰減，主要是由這些粒子對雷達回波的吸收和散射造成的，與雷達波長和探測距離有關[17]。雷達波長越短、探測距離越遠，不同降水粒子對雷達波的衰減程度就越明顯[18]。對于5.5 cm波長的雷達波，在穿過徑向尺度為100 km，當雨強為20 mm/h的降水時，雷達回波強度可衰減3～7 dBz；當冰雹直徑達到10 mm時，雷達回波強度可衰減5～9 dBz。由于衰減，雷達所顯示的降水回波將小于實際的降水區，尤其是在降水區遠離雷達的一側，使得回波范圍縮小，形狀發生失真，回波中心強度減弱。從圖3可以看出雷達回波面積明顯縮小的情況；從圖4則可以看出遠離雷達一側回波缺口所導致范圍縮小的情況。

4.2 掃描波束指向對反射率因子的影響

雷達波束寬度越小，角度的分辨率越高，探測精度也越高。波束中心高度與仰角和距離有關。在標準大氣的情況下，雷達回波高度計算公式如下：

H=h+Rsinа+R2/17 000

式中，h為天線高度(單位：km)，а 為仰角(單位：°)，R是斜距(單位：km)，H是波束中心軸線在斜距R離地面的高度(單位：km)。

從表4計算出數據結果綜合分析來看，在相同掃描仰角和等距離情況下，不同雷達之間所對應雷達回波高度相差200～400 m。因此，對于兩部雷達之間強度差異的產生與垂直空間指向的不一致存在一定相關性。在雷達低仰角掃描情況下，對于單部雷達而言回波強度變化呈一定的線性關系，變化幅度小。通常低仰角產生的差異是由地物遮擋所引起的，而高仰角產生的差異則是空間指向不一致所導致的。因此，當一部雷達距離目標物較近，而另一部雷達距離目標物較遠時，這種差異性將尤為明顯。

4.3 雷達設備參數對反射率因子的影響

雷達接收回波的強度，除取決定于目標物云和降水的散射特性、探測距離、大氣介質等因素外，還與雷達波長、發射功率、脈沖寬度、重復頻率、波束寬度、天線增益、接收信號靈敏度等雷達設備參數有關。雷達設備參數的變化主要影響雷達最大探測距離和雷達回波的強弱。通過對貴陽和畢節雷達觀測性能參數比較，貴陽和畢節兩部雷達脈沖重復頻率分別為1 μs和4 μs。當脈沖頻率增大時，回波接收功率隨著增大，使一些弱的降水目標容易發現[19]。既然雷達能夠觀測到弱的降水回波，必然就會導致回波面積范圍增大，回波強度增強，探測距離增大。從這一點也能夠解釋為什么畢節雷達觀測的回波面積大于貴陽雷達的原因。但不能肯定發射功率、天線增益、接收信號靈敏度等雷達設備參數對回波強弱的影響，需要具體對雷達系統進行檢查。

5 結論

通過雷達回波反射率因子dBz時序變化、PPI和CAPPI區域面積分布等特征對比分析，結果表明：貴陽雷達觀測的回波強度總體低于畢節、遵義雷達觀測的數據結果；對比的兩部雷達之間回波強度具有一致性波動變化特征，區域分布形態結構基本一致，但對應的最大反射率因子、區域分布存在一定的差異，特別是在較低和較高的掃描仰角所對應強度差值最為明顯。當兩部雷達之間的回波強度超過正常衰減時，必須考慮探測結果對天氣性質和程度的判斷。

從數據結果對比分析來看，兩部雷達之間回波強度差異主要是由云和降水對雷達波的衰減所產生的。但不排除各部雷達(即使是同一型號) 之間也會存在系統測量誤差，從而引起對同一降水目標物的探測的回波強度不同的原因。綜合分析認為，兩部雷達之間回波強度差異不僅受雷達自身性能參數如波長、波束、頻率的影響，而且與降水形態對雷達波的衰減有很大的相關性，也與探測仰角、掃描距離、地形遮擋等存在一定的關系。因此，各地應考慮各天氣雷達觀測數據的差異性對強對流天氣變化趨勢預測結果所產生的干擾作用。