强对流天气雷达回波强度相关性对比分析

邹书平，李 波，杨 哲，曹 水，李 皓

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；2.贵州省冰雹防控工程技术中心，贵州 贵阳 550081；3.贵州省气象信息中心，贵州 贵阳 550002；4.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

1 引言

随着我国新一代天气雷达观测网络的全面覆盖，上下游区域性雷达组网在强对流天气实时监测和分析判断中发挥着重要作用[1-4]。在山区复杂地形条件下，新一代天气雷达观测数据不仅受雷达性能参数的限制，而且也会因地物遮挡而出现探测盲区，造成天气雷达探测的回波参量的失真，从而对山区局地强对流天气准确分析判断产生一定的影响。史锐等[5]分析了长江流域2部S波段和3部C波段多普勒雷达回波强度特征，表明S波段和C波段雷达回波强度存在整体性的差异；肖艳娇等[6]对比分析了长江中游5部S波段多普勒雷达，结果表明各雷达之间存在强度、高度、位置上的差异。徐八林等[7-8]分析了高山雷达探测对估测降水的影响，提出改进高山雷达低层回波探测能力的方法。邹书平等[9]对一次强冰雹天气过程双雷达回波特征参数对比分析，提出山区雷达识别冰雹云回波的技术方法。

为了减小贵州山区各天气雷达之间对降水目标物回波的观测差异性，有效改进雷达组网拼图数据产品质量，进一步提高山区局地强对流天气过程的实时监测预警技术水平，同时为人工影响天气作业条件的判断提供技术支持，有必要对贵州新一代天气雷达之间回波特征参数进行对比分析。在此，我们选取了贵阳—遵义、贵阳—毕节雷达之间典型强对流冰雹云天气过程个例，对冰雹云单体回波的反射率因子大小、等高面强度分布、相同扫描仰角特征数据等进行比较，并分析其雷达回波反射率因子差异性产生的原因，提出了基于山区复杂地形条件下的C波段雷达组网观测能力的评估方法，从而为弥补单部雷达相互之间的探测盲区与雷达回波产品的应用提供分析判断的依据。

2 资料分析处理技术方法

本文选用了2011年4月14日和2012年4月29日贵州中西部纳雍、大方、息烽、修文、开阳等地出现的两次冰雹天气过程，选取数据来源于对流单体从生成发展到成熟阶段的雷达观测序列资料，分析资料是贵阳、遵义和毕节的新一代天气雷达体扫基数据文件。其主要技术方法是采用双线性插值技术把极坐标系下的体扫基数据内插到笛卡儿坐标系中，生成所需要的雷达数据图形产品，并按照方位、距离、高度格点和地理信息读取有关数据，以保证不同雷达提取的雷达回波特征参数处于相同位置或同一垂直剖面上，从而得到雷达实际记录的数据产品。在雷达资料处理过程中对地物回波及其他杂波进行识别处理，以消除非气象回波对真实数据的干扰。表1是三部新一代天气雷达主要性能参数表。其中，贵阳与毕节、贵阳与遵义、毕节与遵义两两雷达站之间的距离分别为160 km、125 km、167 km。

表1 新一代天气雷达主要性能参数Tab.1 The CINRAD/CD of Main Performance Parameters

注：型号均为CINRAD/CD

在此选取的强对流天气属于冰雹云，通常用“单体”来描述冰雹云的雷达回波特征。冰雹云单体雷达回波具有反射率因子强、中心结构密实的特点[10-15]。参照这样选取的冰雹云回波单体，各天气雷达之间对同一单体回波的同步观测具有很好的一致性，这样就最大限度地减少了雷达回波反射率因子提取的误差。表2是冰雹云单体回波对比观测取样时段信息表。

表2 冰雹云单体回波对比观测取样时段信息表Tab.2 The Radar Echo Information for Sampling Time Period of Hail Cloud Cell Contrast Observation

需要指出的是，由于受雷达波长、电磁波衰减、波束宽度、扫描速度以及降水粒子涨落等因素的影响，不同雷达要在同一时间对同一个降水粒子进行观测，实现严格意义上观测同步是不可能的。我们结合新一代天气雷达观测业务特点，为了尽可能地减小在时间上和位置上的不同步，采取以贵阳雷达观测时间和位置为基准，一是两部雷达对比观测的体扫时间差小于3 min，以减小雷达之间同步观测的时间差；二是采取地理信息格点叠加方法，确定回波最大强度、方位和距离，以减小位置的偏移量。

3 回波强度相关性对比分析

3.1 回波强中心最大反射率因子

dBz=10 lg(Z/Z0)

Z0=1 mm6/mm3

这样用dBz表示回波强度，它只取决于气象目标物本身，与天气雷达参数、目标距离无关[16]。

在概率论中，相关关系是指当一个或几个相互联系的变量取一定的数值时，与之相对应的另一变量的值虽然不确定，但它仍按某种规律在一定的范围内变化。变量间的这种相互关系，称为具有不确定性的相关关系。相关系数是研究变量之间线性相关程度的量，用r表示，计算公式如下：

在此，以2011年4月14日(编号20110414)和2012年4月29日(编号20120429)两次强对流冰雹天气过程为例，分析最大反射率因子时序变化特征。图1和图2分别是贵阳与毕节、贵阳与遵义雷达之间雷达回波最大强度dBz值随时间序列变化图。

图1 2011年4月14日17时38分—20时31分回波最大强度时序变化情况(20110414)Fig.1 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2011.4.14 17∶38—20∶31)

图2 2012年4月29日17时03分—20时30分回波最大强度时序变化情况(20120429)Fig.2 The Radar Echo Maximum Strength of Change in Time Series(2012.4.29 17∶03—20∶30)

表3是两部对比雷达之间回波强度差的最小值、最大值、平均值、相关系数以及取样距离范围的数据表。贵阳与毕节雷达之间的回波强度平均相差5.4 dBz；贵阳与遵义雷达之间雷达回波强度平均相差0.9 dBz。

表3 回波强度差的最小值、最大值、平均值和相关系数Tab.3 The Radar Echo Strength Difference of Minimum Value, Maximum Value, Average Value and Correlation Coefficient

通过回波强度时序变化和相关性分析表明，各雷达之间的回波强度具有很好的一致性波动变化特征，且雷达回波强度存在正相关，相关程度显著。

3.2 相同扫描仰角层最大反射率因子

新一代天气雷达采用VCP21体扫模式，即大约每6 min一次的9层(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)立体扫描，组成PPI基数据。表4是贵阳和毕节(编号20110414，等距离98.8 km)、贵阳和遵义(编号20120429，等距离97.5 km)立体扫描模式下相同扫描仰角所对应的最大反射率因子和对应回波高度数据表。其中，回波高度通过测高公式求得(见4.2)。

图3、图4分别是编号20110414和20120429，在同一扫描仰角下的两部雷达观测回波强度PPI图。从图示同样反映出同一扫描仰角的两部雷达之间回波强度区域相似程度，以及覆盖范围大小的差异性。

表4 相同扫描仰角下所对应的最大反射率因子表Tab.4 The Radar of Maximum Reflectivity Factor Corresponding to the Same Scan Elevation Angle

图3 2011年4月14日雷达回波强度对比PPI(仰角 1.5°)(a：贵阳,19时40分 b：毕节,19时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)

图4 2012年4月29日 雷达回波强度对比PPI(仰角 1.5°)(a：贵阳,18时02分 b：遵义,18时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数据图形产品，它可以直观地对比两部雷达在同一高度平面上的回波分布状况。我们选取以两部雷达观测到的目标物等距离的3 km和6 km等高面反射率因子(CAPPI)数据图形产品进行对比分析。

表5是3 km和6 km CAPPI最大反射率因子数据表。其中，贵阳和毕节雷达之间最大反射率因子相差3 dBz，而贵阳和遵义雷达之间则相差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

图5、图6分别是贵阳和毕节(编号20110414，等距离98.8 km)、贵阳和遵义(编号20120429，等距离97.5 km)天气雷达观测3 km和6 km CAPPI图。从图示反映出两部雷达之间回波强度区域相似程度和覆盖范围大小的差异性。

图5 编号20110414，等距离98.5 km，3 km和6 km CAPPI(a：贵阳-19时40分 b：毕节-19时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)

图6 编号20120429，等距离97.3 km，3 km和6 km CAPPI(a：贵阳-18时02分 b：遵义-18时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

从上面分析来看，在这三部雷达之间的反射率因子或多或少存在一定的差异性。特别是贵阳与毕节之间的回波强度相差比较大，相差最大的时段是18时07分—18时59分，且毕节雷达回波强度明显高于贵阳雷达回波强度，最大相差10.0 dBz，平均相差5.4 dBz。这样的探测结果对强对流天气的性质和程度的判断将产生显著的影响。在此，重点分析产生这种差异性的原因。

4.1 雷达波衰减对反射率因子的影响

新一代天气雷达的参数都经过了仔细的校准和标定,以确保雷达对降水目标的准确测量。通常情况下，雷达与目标物之间的云和降水所造成的衰减，主要是由这些粒子对雷达回波的吸收和散射造成的，与雷达波长和探测距离有关[17]。雷达波长越短、探测距离越远，不同降水粒子对雷达波的衰减程度就越明显[18]。对于5.5 cm波长的雷达波，在穿过径向尺度为100 km，当雨强为20 mm/h的降水时，雷达回波强度可衰减3～7 dBz；当冰雹直径达到10 mm时，雷达回波强度可衰减5～9 dBz。由于衰减，雷达所显示的降水回波将小于实际的降水区，尤其是在降水区远离雷达的一侧，使得回波范围缩小，形状发生失真，回波中心强度减弱。从图3可以看出雷达回波面积明显缩小的情况；从图4则可以看出远离雷达一侧回波缺口所导致范围缩小的情况。

4.2 扫描波束指向对反射率因子的影响

雷达波束宽度越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。波束中心高度与仰角和距离有关。在标准大气的情况下，雷达回波高度计算公式如下：

H=h+Rsinа+R2/17 000

式中，h为天线高度(单位：km)，а 为仰角(单位：°)，R是斜距(单位：km)，H是波束中心轴线在斜距R离地面的高度(单位：km)。

从表4计算出数据结果综合分析来看，在相同扫描仰角和等距离情况下，不同雷达之间所对应雷达回波高度相差200～400 m。因此，对于两部雷达之间强度差异的产生与垂直空间指向的不一致存在一定相关性。在雷达低仰角扫描情况下，对于单部雷达而言回波强度变化呈一定的线性关系，变化幅度小。通常低仰角产生的差异是由地物遮挡所引起的，而高仰角产生的差异则是空间指向不一致所导致的。因此，当一部雷达距离目标物较近，而另一部雷达距离目标物较远时，这种差异性将尤为明显。

4.3 雷达设备参数对反射率因子的影响

雷达接收回波的强度，除取决定于目标物云和降水的散射特性、探测距离、大气介质等因素外，还与雷达波长、发射功率、脉冲宽度、重复频率、波束宽度、天线增益、接收信号灵敏度等雷达设备参数有关。雷达设备参数的变化主要影响雷达最大探测距离和雷达回波的强弱。通过对贵阳和毕节雷达观测性能参数比较，贵阳和毕节两部雷达脉冲重复频率分别为1 μs和4 μs。当脉冲频率增大时，回波接收功率随着增大，使一些弱的降水目标容易发现[19]。既然雷达能够观测到弱的降水回波，必然就会导致回波面积范围增大，回波强度增强，探测距离增大。从这一点也能够解释为什么毕节雷达观测的回波面积大于贵阳雷达的原因。但不能肯定发射功率、天线增益、接收信号灵敏度等雷达设备参数对回波强弱的影响，需要具体对雷达系统进行检查。

5 结论

通过雷达回波反射率因子dBz时序变化、PPI和CAPPI区域面积分布等特征对比分析，结果表明：贵阳雷达观测的回波强度总体低于毕节、遵义雷达观测的数据结果；对比的两部雷达之间回波强度具有一致性波动变化特征，区域分布形态结构基本一致，但对应的最大反射率因子、区域分布存在一定的差异，特别是在较低和较高的扫描仰角所对应强度差值最为明显。当两部雷达之间的回波强度超过正常衰减时，必须考虑探测结果对天气性质和程度的判断。

从数据结果对比分析来看，两部雷达之间回波强度差异主要是由云和降水对雷达波的衰减所产生的。但不排除各部雷达(即使是同一型号) 之间也会存在系统测量误差，从而引起对同一降水目标物的探测的回波强度不同的原因。综合分析认为，两部雷达之间回波强度差异不仅受雷达自身性能参数如波长、波束、频率的影响，而且与降水形态对雷达波的衰减有很大的相关性，也与探测仰角、扫描距离、地形遮挡等存在一定的关系。因此，各地应考虑各天气雷达观测数据的差异性对强对流天气变化趋势预测结果所产生的干扰作用。