S波段多普勒天气雷达回波异常分析

第２期㊀
气象水文海洋仪器
㊀㊀N o ．２
２０２０年６月㊀
M e t e o r o l o g i c a l ,H y d r o l o g
i c a l a n d M a r i n e I n s t r u m e n t s ㊀㊀J u n ．２０２０
收稿日期:２０１９Ｇ１２Ｇ０５．
基金项目:湖北省气象信息与技术保障中心科研项目(B Z Z ２０１８０１
)资助．作者简介:李力(１９８３)
,男,硕士研究生,高级工程师．主要从事综合气象观测及信息网络技术工作．S 波段多普勒天气雷达回波异常分析
李㊀力１,陈㊀星２,李㊀俊１,甘少明１
(１．湖北省气象信息与技术保障中心,武汉４３００７４;２．宜昌市气象局,宜昌４４３０００
)摘㊀要:多普勒天气雷达就是以多普勒效应为基础,测定散射体相对于雷达的速度,在一定条件下反演出大气风场㊁气流垂直速度的分布以及湍流情况等,对预测㊁监测强对流天气具有重要意义.文章主要对多普勒天气雷达回波强度的异常现象进行了分析,提出了相应的处理方法,供相关部门参考借鉴.
关键词:多普勒天气雷达;回波强度;异常分析;故障处理
中图分类号:T N ９５９．４㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１００６Ｇ００９X (２０２０)０２Ｇ００９１Ｇ０３
A n a l y s i s o n t h e a b n o r m a l f a u l t o f S Ｇb a n dD o p p
l e rw e a t h e r r a d a r e c h o L i L i １,C h e nX i n g ２,L i J u n １,G a nS h a o m i n g
１
(１．H u b e i M e t e o r o l o g i c a lI n f o r m a t i o n a n d T e c h n i c a l S u p p o r t C e n t e r ,W u h a n ４３００７４;２．Y i c h a n g M e t e o r o l o g
i c a l B u r e a u ,Y i c h a n g ４
４３０００)A b s t r a c t :D o p p l e rw e a t h e r r a d a r i s b a s e d o nD o p p l e r e f f e c t t om e a s u r e t h e v e l o c i t y o f t h e s c a t t e r e r r e l a t i v e t o t h e r a d a r ．U n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s ,t h e d i s t r i b u t i o no f a t m o s p h e r i cw i n d f i e l d ,v e r t i c a l v e l o c i t y o f a i r f l o wa n d t u r b u l e n c e a r e r e v e r s e d ,w h i c hh a s g r e a t s i g
n i f i c a n c e t o f o r e c a s t a n dm o n i t o r t h e s e v e r e c o n v e c t i v ew e a t h e r ．T h i s p a p e r m a i n l y a n a l y z e st h ea b n o r m a l p h e n o m e n o no fD o p p l e rw e a t h e rr a d a re c h oi n t e n s i t y
,a n d p u t s f o r w a r d t h e c o r r e s p o n d i n g p r o c e s s i n g m e t h o d s f o r t h e r e f e r e n c e o f r e l e v a n t d e p
a r t m e n t s ．K e y w
o r d s :D o p p l e rw e a t h e r r a d a r ;e c h o i n t e n s i t y ;a b n o r m a l a n a l y s i s ;f a u l t h a n d l i n g ０㊀引言
新一代多普勒天气雷达已经成为预测㊁监测灾害性天气的重要手段之一,一些发达国家已经普遍使用了这一设备.新一代多普勒天气雷达可获取的基数据有反射率因子㊁径向速度和谱宽.可以根据反射率因子确定回波强度,从而确定风暴的强弱㊁结构和强降雨区间,还可以根据反射率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势
等[１
].然而,在多普勒天气雷达运行时,回波强度
会出现突然变强或变弱的异常情况,在变弱时还时常存在回波面积变小的异常现象,这些异常会严重
影响多普勒天气雷达观测数据的准确性,进而影响
气象灾害的预报预警服务效果[
２Ｇ４
].文章结合多普勒天气雷达的定标在线修正原理,对多普勒天气雷达回波异常进行了分析,并阐述了雷达回波异常的处理措施,为提升多普勒天气雷达观测资料的准确性和有效性提供指导依据.
１㊀雷达回波强度定标在线修正原理
以雷达气象方程作为雷达定量估测降水的基
础,回波接收功率以及发射功率的在线测量校正是C I N R A D 雷达回波强度测量工作的重要条件.通常情况下,雷达回波接收功率P 无法进行直接
气象水文海洋仪器
J u n ．２０２０
测量,需要借助高精度的测试信号源对回波信号进行模拟,实现对雷达回波强度的定标,从而确定回波接收功率,完成对强度测量数据的实时在线修正,保证多普勒天气雷达观测数据的准确性.
２㊀雷达回波强度异常分析
２．１㊀回波强度偏弱
雷达回波强度偏弱时,回波的显示面积通常会随之缩小,即接收机灵敏度异常.若雷达定标
显示正常,且没有接收到任何报警信息,则此类异常的主要原因为天馈系统发生损耗,导致偏差过大,无法开展在线修正,致使雷达回波强度出现偏弱的异常情况,严重时还会出现天线功率超出下限报警.由图１可以看出,因定标测试信号未通过天馈系统,从而出现天馈系统损耗增加的情况,
进而无法开展在线定标修正,导致雷达回波强度
偏弱以及产生回波面积缩小的情况[
５,６
]
.图１㊀发射功率在线测量流程(C I N R A D /S B )
㊀㊀处理措施:
天馈系统一旦出现故障,主要对旋转关节以及连接波导的损耗进行检查,查看波导是否存在机械性损坏㊁变形甚至打火的情况,确定故障位置并及时处理.若雷达回波面积显示正常,而回波强度偏弱,则通常是因为测试通道射频衰减器的衰减量小于标称数据,此时需要着重对衰减器以及衰减量控制信号的传输通道进行检查,找出故障原因,做出相应处理.
２．２㊀回波强度偏强
多普勒雷达处于正常工作状态时,突然发生回波强度偏强的异常情况,其原因主要包括以下几点:１)定标测试信号功率减小,导致接收机前端注入的定标测试信号功率随之减小,且无法在线修正,致使回波强度突然偏强;２)定标信号源传至接收机时(测试通道)参数损耗变大致使定标信号功率减小(同定标时所测量的功率进行比较),且无法在线修正,致使回波强度突然偏强;３)发射功率所测量的偏差过大且无法在线修正,致使回波强度异常.由图１可以看出,因为无法监测到接收机前面的定标信号功率,测试通道的损耗有所增加,导致其功率减小,从而定标信号的测量数据变小(目标数据保持不变),对错误的测量数据进行在线定标修正会使回波强度偏强.由雷达气象
方程可知,若机内发射功率在测量中存在偏差,会造成回波强度目标数值出现偏差(测量数据保持不变),用在线定标修正偏差数据同样会导致回波
异常[
７,８]
.处理措施:回波强度偏强时,通常回波所显示
的面积处于正常状态,即接收机的灵敏度处于正常状态.根据报警信息和C a l i b r a t i o n ．l o g 文件资料,对接收机前端的测试信号进行检测,查看是否存在异常情况,进而判断故障位置是否处于测试通道中.若测试信号存在异常,则可以在测试软件下使用频谱仪或者功率计等设备,依据测试通道的信号流程,对通道的功能模块㊁射频衰减器的衰减量㊁连接电缆损耗㊁定标信号输出功率等方面进行分级检测,查看是否存在异常,从而确定故障点并及时处理.若测试信号无异常情况,需要对P a t h l o s s ．l o g 文件信息进行检查,
查看计算回波强度目标数据所使用的雷达发射功率是否存在异常,并且同机外仪表测量数据进行对比,判断雷达回波异常是否为发射功率偏差变大所导致的.一般借助机外仪表标校机内功率测试数据,确保内外发射功率的测量数据一致,故障得以解决.若器件损坏导致机内功率测量数据偏差变大,需要依据发射功率在线测量的具体流程,逐级对测量
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第２期李力,等:S波段多普勒天气雷达回波异常分析
探头㊁D A U的A/D变换㊁测量信号的传输通道等器件进行检测,找出故障位置并进行排除.２．３㊀回波强度面积缩小
造成雷达回波强度面积缩小的主要原因是接收机主通道出现故障,通常会同时发生接收机噪声温度地面杂波抑制㊁线性通道增益定标常数或噪声电平等超限报警情况,此类情形下,因为受到回波强度在线定标修正的影响,回波强度处于正常状态(图１).但是,灵敏度会有所降低,回波接收面积缩小,会出现画饼图㊁增加杂波点等现象[９].
处理措施:当出现上述异常时,首先,应对接收机前端输入的测试信号进行检查,若状态正常,表明接收机主通道存在故障.根据报警信息和C a l i b r a t i o n．l o g文件资料,通常情况下,若噪声温度偏高,表明接收机的主通道前端存在故障;若噪声电平偏高,表明接收机的主通道后端存在故障.根据接收机的主通道信号流程进行分级检测,检测内容包括放大器增益㊁限幅器㊁衰减器以及连接电缆等的损耗情况.然后,对中频信号关键点波形参数进行检测.最后,判断故障位置并进行处理.３㊀结束语
湖北省气象雷达观测业务中突然出现的回波强度异常情况(主要表现形式为偏强㊁偏弱或回波强度正常,而显示的回波面积缩小)会对预报预警服务产品的有效性产生直接影响[１０].需要结合回波强度在线定标㊁雷达气象方程㊁雷达接收回波信号㊁发射功率在线测量流程以及雷达定标信号流程等方面进行分析,从而准确判断出雷达异常的原因和具体位置,并做好相应处理,确保多普勒天气雷达观测数据的有效性.
参考文献:
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[７]胡东明,伍志方．C I N R A D/S A雷达日常维护及故障诊断方法[J]．气象,２００３,２９(１０):２６Ｇ２８．[８]王志武,周红根,林忠南,等．新一代多普勒天气雷达S A&B的故障分析[J]．现代雷达,２００５,２７(１):１６Ｇ１８．[９]周红根,朱敏华,段素莲,等．C I N R A D/S A雷达故障统计分析[J]．气象,２００５,３１(１０):３９Ｇ４２．
[１０]李力,蔡宏,金琪．湖北省高山新一代天气雷达站发展现状及对策[J]．设备管理与维修,２０１９,３７(３):１７Ｇ１９．
(上接９０页)
参考文献:
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雷达有限公司,２００５．
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３９。