相邻新一代天气雷达回波强度误差分析

摘要 ： 对相邻天气雷达 同一覆 盖区域 回波强度误 差分 析 ， 旨在提 高三维 拼 图软 件的准 确率 。利用 广东省 ６部
天气雷达北京 时 ２ ０ ０ ８年 ６月 ６日 １ ～１ ２ ４时的原始资料 ， 以广州雷达为基准 ， 分别 与深圳 ， 阳江 ， 韶关 ， 梅州 ， 汕头 ５
部雷达进行对 比分析 ， 采用 了对应 点对 比法和线性插值 算法 ， 直接 对两 部雷达 基数据处 理 ， 比分 析 同一时 间， 对 同
其 中 叫 、Ｕ２ 别是 给 与 尸 （ ， Ｐ ） 尸 （ ， ｅ） １７ 分 ． ｒ ａ，１和 ｒ ａ，２内插权 重 ：
１ ｅ 一Ｐ ／ ｅ 一ｅ ） ＝（２ ） （２ １ Ｗｅ＝（ 一 ） （ ２ １ ２ Ｐ １ ／ ｅ 一ｅ ）
尸 （ ， ，２和 广 （ ， ｅ） 别等 于 最靠 近点 （ ， ｅ） （ ， ｅ） ｒ ） ｒ ａ，１分 ｒ ａ，２和 ｒ ａ，１的雷 达 距 离库 的观测 值 ， 取 采 用 了径 向和 获
第 ２ 卷第 ６期 ６ ２１ ０ １年 １ ２月
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Ｖｌ． ６ Ｎｏ． ０ ２ １ ６
Ｄｅ ．２ １ ｅ ０１
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＮＧＤ ＵＮＩ Ｒ Ｉ ＯＦ Ｉ ＯＲ ＨＥ Ｕ ＶＥ Ｓ ＴＹ ＮＦ ＭＡＴＩ ＴＥ ＨＮ （ Ｙ ＯＮ Ｃ ＯＬ ￣
图 １ 算 法 流 程 图
Ｐ ｔ 一（ｈ 一 Ｂ ／ 口 一 Ｂ ＋ 一 ）） ＝ ａ （。 ｈ ） ｎ ｄ（。 ａ） （
ａ＝ｔｎ （ 。 Ｂ ／ 一 ） ａ 一 （ ｄ 一口 ） （ ）
ｒ ＝
√（。 ａ ）＋ 一 ）＋ 一 Ｂ 一 Ｂ （ （。 矗 ）
ｈ０ ＝ ｈＡ ＋ ｒ ｓ ｎｅ ｉ Ａ
＼／ Ｌ ７
对仰 角值介 于 雷达Ｂ 相邻 层 间的数 据 进行 线 性插值
ａ ＝ ａ ＋ ｒ ｃ ｓ Ａ ｓｎａ ０ Ａ ｏｅ ｉ Ａ
Ｐ ４＋ ｒ＊ｃｓＡ＊ｃｓ Ａ ｏ＝ ｏｅ ｏａ 通 过笛 卡 尔到 球坐 标 的转换 ， 以反 算对 应 点 在 Ｂ 雷 达 中 的位 置 （ ， ｅ ， 斜 可 ｒ ａ， ） ｒ为 距， ａ为方 位 角 ， ｅ为仰 角 ， 算 方法 如下 ： 计
通 过 上述 变换 ， 以找 到 雷达 Ａ 中任意 一点 在雷 达 Ｂ 中所 对 应 的每 一 个距 离库 中 的对 应 点 。一 般 情 况 下 ， 可 式 中的仰 角 ｅ并 不 刚好 等于 Ｂ 雷达 的仰 角 ， 而是要 找 到与 仰 角 ８相邻 的上 下两 层 ， 经 过相 关 插值 算 法 ， 确 定 再 来
［］ 肖艳姣 ， ４ 刘黎平， 洪平， ． 杨 等 区域雷达网同步观测对比分析［］ 气象学报 ，０７ １ （ ） Ｊ． ２ ０ ，２ ６ ． ［］ 肖艳姣 ， ５ 刘黎 平 ． 一代 天 气 雷达 网资料 的三 维 格 点 化 及拼 图方 法研 究 ［］ 气 象 学报 ，０ ６ ６ （ ）６ ７ 新 Ｊ． ２ ０ ，４ ５ ：４
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第２ ６卷
２ ２ 处理 方 法 ．
２． １ 方 法介 绍 ２．
分 析 相邻 雷达 回波 强 度误 差 的思路 是从 一个 雷 达 的 回波 点 ， 找到 另外 一部 雷达 最 近 的 回波 点 ， 者 是找 到上 或 下 两层 的 回波 点 ， 然后插 值 ， 样就 得 到 了一 组 回波 强度 值 ， 后从 平 均 回波强 度等 方 面进行 误 差分 析 。 这 然 根 据 雷达 的经 度 、 纬度 、 海拔 高 度 、 方位 和仰 角 ， 算 出每 一个 距 离 库 上 对应 点 的经 计 度 、 度、 纬 海拔 高度 。再 根 据另 一部 雷达 的具 体 位 置 ， 出另 一部 雷 达 对 应 的仰 角 ， 位 找 方 和距离 库 数 。实 现从球 坐 标到 笛卡 尔 坐标再 到球 坐 标 的转 换 。从 而找 到另 一 部 雷达 的
关 键 词 ： 波 强度 ； 数 据 ； 盖 区域 ； 差 分 析 回 基 覆 误 文献标识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： Ｎ９ ７ ５ Ｔ ５ ．３
１ 引 言
回波强 度是 分 析天气 雷 达最基 本 、 直观 、 最 最重 要 的探 测 方 法 之 一 ， 识 别 判 断各 种 灾 害 天 气 、 析 降 水类 是 分 型、 强度 和 移动趋 势 的有 力工 具 ＿ 。新一 代天 气 雷达投 入 使 用前 都 要 经过 雷 达校 准 和标 定 ［Ｉ］ １ ｊ ３。然 而在 实 际运 行 中 由校准 和标 定等 所带 来 的误差 很难 消 除 。并且 实 际 中不 同雷 达 在 同一 时 间对 同一 降 水 例 子进 行 观 测 ， 可 不 能做 到 严格 意义 上 的时 间和 空 间同步 ＿ 。 因此 ， 雷达 基数 据 的误 差分 析显 得尤 为重 要 。 ４ ｊ 对 中国气 象科 学研 究 院 已经开展 三 维拼 图 的工作 ， 并进 行 了三 维格 点处 理后 的 回波强 度 的误差 分析 ， 一种 是传
据球 面 三角 函数 关 系可 得到 Ａ 中任意 一 点 ０ 的经度 ， 纬度 ， 拔 高度 （Ｌ ， 。 ， 距 海 Ｏ ， ｈ ） ｒ为 。
＼ Ｌ ７ ／
—
计 算对应Ｂ 雷达 的方 位 仰角和 距离 库数
离 库数 ， 达 Ｂ 的经 度 ， 雷 纬度 ， 拔高 度 为 （Ｂ ．Ｂ ， 海 ａ ． ｈ ）计算 公式 如下 ：
文章 编 号 ：１７ —７ ２ ２ １ ）６０ ６ —６ ６ １１ ４ （０ １ ０ —６ ３０
相 邻 新 一代 天气 雷 达 回波 强度 误 差 分 析
胡 松 刘黎平２ 李 超 张志强３ 一， ， ，
（． １ 成都 信 息工程 学院 ， 四川 成都 ６ ０２ ； ． １２ ５２ 中国 气象科 学研 究 院 灾害天 气 国 家重点 实验 室 ， 京 １０８ ； ． 北 ０ ０ １３ 国 家气 象信 息 中心 ， 京 １０８ ） 北 ０ ０ １
的交点 ， 那么该 网格点的分析值 ． （ ， ，） 尸 ｒ ａ ｅ 可以用这两点的分析值 尸 （ ， ，２ 和 尸 （ ， ，１进行垂直线性 内 ｒ ａ ｅ） ｒ ａ ｅ）
插得 到 ， ： 即
ｆ （ ， ，） Ｗ １ ｒａ Ｐ） ２ ｒａ ｅ） ／叫 １ ） ａｒａ Ｐ ＝（ ｅ 尸（ ， ，１＋ 尸（ ， ，２） （ ＋Ｗ ２
（） ２在不考虑地物遮挡和衰减等 因素前提下 ， 不同时刻 ， 回波强度之差平均值基本保持在 ５Ｂ 左右 ， ｄｚ 同时标 准差的变化趋势基本保持一致。 （） ３ 直接 对雷 达基 数据 处理 分析 ， 本保 持 了雷达 原始 回波 的特性 。 基
参考文献 ：
［］ 史锐 ， 明虎， １ 程 催哲虎 ， ． 等 长江流域多普勒 雷达回波资料对比分析 ［］ 气象， ０ ，０ １ ）２ — １ Ｊ． ２ ４ ３ （１ ：７ ３ ０
一
位置 的 Ｓ波段 的 Ｐ Ｉ Ｐ 回波强度资料 ， 分析结果表 明 ： 两部雷达在 同一覆 盖区域具 有较好 的一 致性 ， 同区域 内回 相
波强度差值平均在不 同时刻变化很小 ， 验证了此方法分 析覆 盖 区域 内回波 强度对 比的有 效性 。实 验结果 表 明： 按 此算法选取作 为对 比标准的广州雷达平均 回波强 度值 略高 。
看出广州 一梅州基本在 ２５ ５ Ｂ 内变动 ， ．－ ｄｚ 差值幅度最大 ， 广州 一深圳雷达基本在 ０ ５ ２ Ｂ 内变动 ， ．－ ｄｚ 差值幅度 最小 ， 与其余各雷达差值介 于这两者之间。
４ 结束 语
新一 代 天气 雷达具 有 较高 的探 测精 度 和较好 的稳 定性 。忽略 雷达 校准 标定 等 因素影 响 ， 定性 和定 量角 度 ， 从 分析 了对 应 点对 比法 在计 算相 同覆 盖 区域上 雷 达 回波强 度 的差异 情况 ， 结论 如下 ： （） １ 该方 法能 相对 准确 地 找到覆 盖 区域 的对 应点 ， 以看 出两 个雷 达覆 盖 区域 的位置基 本 一致 。 可
对 应 位置 ， 而 ， 进 进行 对 比差异 的比较 分析 。具 体流 程如 图 １所示 。
２ ２ ２ 对 应点 对 比法相 关 算法 ．．
雷 达Ａ 始数据 原
Ｉ ｌ
ｌ 计算Ａ中每 一距离 库 ｌ 经纬 度海拔 高度
设 雷达 Ａ 的经度 、 度 、 拔 高度 为 （Ａ ，Ａ ， 一 方位 角 ， 角 分 别 为 ａ ｅ 根 纬 海 ａ ． ｈ ）任 仰 Ａ，ａ
统意 义上 对 比分 析两 部雷 达 的 Ｐ Ｉ ， Ｐ 图 这样 由不 确 定性 带 来 的误 差 比较 大 ， 一 种处 理方 法 是 将 格 点 化 数据 插 另 值 到 同一 高度 层 上来 对 比。
传统 意义 上对 雷 达 Ｐ Ｉ Ｐ 显示 的处 理 方法是 对 基数 据格 点 化插 值 ， 出了一 种 新 的 区域 雷达 网同 步观 测 的对 提 比方 法 ， 该方 法通 过两 部雷 达在 空 间上 经度 ， 纬度 ， 拔 高度 以及 雷达方 位 和仰 角等 已知条 件 ， 海 利用 球面 三角 函数 关 系 ， 接对 两部 雷达 的基 数据 进行 分 析 。减 小 了由三维 格点 化 ［所 带来 的误 差 ， 留了原始 回波 的特 性 。 直 ］ 保
方 位 匕的最 近邻 居法 。
第 ６期
胡松 等 ： 邻 新一 代 天气 雷达 回波 强度误 差 分析 相
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图 １ 广 州雷 达与其他各雷达 １ ～１ １ ２ ３时折线 图
图 １ 广州雷达与其他各雷达 １ ～１ ２ ３ ４时折线图
从 图 １～ １ 以看 出 ， １ ２可 虽然 广州 雷达 与各 部雷 达在 ２个 时段 内的变化 步 调趋势 并 不相 同 ， 但从 总 体看 ， 以 可
最 后 法 ．．
对于 仰 角值介 于雷达 Ｂ 相邻 层 （ ） 的数 据 进行 插 值 ， 用径 向和 方 ９层 间 采 位上 的 最 近 邻 居 和 垂 直 线 性 内 插 法 （ ｅｒｓ ｎｉｈｏ ｎ ｒｎ ｅａｉ ｔ ｎａｅｔ ｅ ｂｒｏ ａｇ—ｚ ｈ ｇ ｍｕ
距， ａ为方 位 角 ， 仰 角 。ｅ位 于其 上下 相 邻 仰 角 ｅ ｅ为 ２和 ｅ 之 间 。（ ， ｅ ） １ ｒ ａ，２
图２ 垂直和水平线性内 插示意图
和 （ ， ｅ） ｒ 口，１分别 是经 过该 网格 点 的垂 线 （ 仰角低 于 ２ 。 ， 直方 向可 用 仰 角方 向近 似 ） ０时 垂 与其 上 下 仰 角 波束 轴 线
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学 报
第 ２ 卷 ６
［］ 潘新 民 ， ２ 王全 周 ．回波 强度 测 量 的误差 因素分析 及 解决 方 法［］ 气象与环 境科 学 ，０９ １ （ ） Ｊ． ２ ０ ，１４ ． ［］ 舒 童 ， 明 ．Ｃ －１ Ｃ天 气 雷达 回波 强度标 定误 差 因素 浅析 ［］ ３ 赵 ＴＬ７ ３ Ｊ ．气象科技 ，０ ８ ３ （ ） ２ ０ ，６５ ．
２ 资 料 选 取 和 处 理 方 法
２ １ 资 料选取 ．
为 了对 资料 分 析有 较好 分辨 性 ， 选取 广东 ６部 雷达 ２ ０ ０８年 ６月 ６日 １ －１ ２ ３时数 据 。当天 有强 降雨 ， 雷达 各 参 数如 表 １所示 。
表 １ 雷 达 参 数
收 稿 日期 ：０ １１．３ ２ １ －２０
ｐａ ｅ ｏ ｉｅ ｔ ｎ ａ ｔｒｏａｉｎｉ ｅｔ ａ ｄｒｃ ｏ ， ＶＩ ｌ ｓｃｍｂｎ ｄｗｉ ａｌ ｅｒ ｎｅｐ ｌ ｏ ｖ ｒ ｃｌ ｉ ｔ ｎ Ｎ ） ｎ ｈ ｉ ｉ ｔ ｎ ｉ ｅｉ
如 图 ２所 示 ， ｒ ａ， ） 某 一 网格 点 在 雷 达 球 坐 标 系 中 的 位 置 ， （ ， ｅ是 ｒ为 斜