临近雷达回波强度的误差分析及调整方法

吴少峰，赵琴，胡伟峰，刘霞

（1．广州市气象台，广东广州 511430；2．广州市防雷设施检测所，广东广州 511430；3．河源市气象局，广东河源 517000）



临近雷达回波强度的误差分析及调整方法

吴少峰1，赵琴2，胡伟峰3，刘霞1

（1．广州市气象台，广东广州 511430；2．广州市防雷设施检测所，广东广州 511430；3．河源市气象局，广东河源 517000）

摘 要：分析了不同雷达对同一目标物的探测存在误差的原因，并提供了一种临近雷达回波强度误差分析及调整的方法，利用临近雷达共同观测区域中的一块独立回波，统计分析其基本反射率平均强度值，通过多组数据的对比，得出2部雷达对同一目标物探测强度的差异，并据此对适配参数进行调整，使二者对同一回波的探测趋于一致。以广州、韶关2部雷达为例，通过调整前后的数据分析和产品对比，验证了该方法的可行性。

关键词：大气探测与仪器；CINRAD雷达；临近雷达回波；误差分析

吴少峰，赵琴，胡伟峰，等．临近雷达回波强度的误差分析及调整方法［J］．广东气象，2016，38（3）：67 -68．

强度定标是雷达观测的基础，能提高观测的准确性和产品的可用性，尤其在雷达区域拼图方面起着重要的作用［1 -3］。李建勇等［4］详细解释了新一代多普勒天气雷达回波强度定标的原理及具体步骤，并通过实例验证了调整适配参数对雷达回波产品强度的影响。北京敏视达公司在对广东8部多普勒雷达做统一强度定标时将一个月的反射率数据做累计分析，做出某一仰角的月平均反射率数据拼图，比较相邻雷达交界处回波强度的差异。本研究主要分析了雷达探测存在差异的客观原因，并提供了一种临近雷达回波强度误差分析及调整的方法，利用临近雷达共同观测区域中的一块独立回波，统计分析其基本反射率平均强度值，通过多组数据的对比，得出两部雷达对同一个目标物探测强度的差异，并据此对适配参数进行调整，使两者对同一个回波的探测趋于一致。从广州、韶关两部雷达的调整实例来看，调整后2部雷达观测同一个回波的强度、形状、轮廓等方面都更为接近，希望该方法对全省雷达拼图和预报效果能起到一定的改善作用。

1　误差原因分析

每年的汛期前巡检和年终维护都要求对雷达系统进行检查和标定［5 -7］，但由于一些客观的原因，不同雷达即使在做好自我标定后对同一个回波的探测依然会存在偏差［8 -8］，导致偏差的原因主要有以下几个方面：

1）系统性误差。利用机外仪表校准机内标定系统时，仪表精度约为0．2 dB，射频连接误差约为0．1 dB。雷达内置信号源输出幅度会有一定波动，接收机源部件增益随时间及环境温度变化而变化。所以，为减少这些误差影响，应尽量在短时间内一次性完成整个标定过程。

2）天线增益偏差。当前系统标称天线增益是在天线出厂前测试的，现场安装后可能会产生一定的变化，或随时间、环境等影响，天线增益有一定变化。

3）发射功率影响。发射功率自动测量不够精确，也可能会导致回波强度计算误差；发射功率过低会导致远距离弱回波检测能力不足。

2　回波差异对比分析

基于上述原因，当不同雷达对回波的探测结果出现较大偏差时，会影响全省雷达拼图和预报效果。解决这个问题的关键是要找出不同雷达间探测强度的差异，再通过调整适配参数，使两者对同一回波的探测趋于一致。为此，本研究选取了相邻2部雷达同1个时次、共同观测区域中垂线附近的一块独立回波，通过计算同一仰角基本反射率平均强度值，获得2部雷达对同一目标物探测强度的差异。

在选定共同观测区域中的独立回波时有3个原则：第1，必须选择同一个观测时次的回波，只有同一个时次的数据才具有可比性；第2，尽量在2部雷达的垂直平分线附近选取回波，避免选择特别靠近或远离某一部雷达的回波，将探测距离差异造成衰减方面的影响降到最低；第3，所选回波最好是独立成块，便于基本发射率强度值的提取和统计，免于受周围其它回波的干扰。

在数据统计时，该方法只选取了1．5°的基本反射率产品，0．5°产品受地物杂波干扰比较严重，2．4°及以上产品仰角太高，探测到的回波信息太少。同时，剔除了15 dBz以下的强度值，因为15 dBz以下基本不会形成降雨，如果纳入考虑则会影响统计结果。最后，必须采用多组数据进行对比，以减少个例差异所带来的误差，本研究采用了10组数据。以广州、韶关2部雷达为例，详细介绍回波强度的统计分析方法。广州雷达站经纬度为（113°21′18″E，23°0′14″N），韶关雷达站经纬度为（113°33′57″E，24°47′27″N），2站直线距离200．071 km。CINRAD/ SA雷达的有效探测半径为230 km，2站存在较大的共同探测区域，一般在2站的垂直平分线附近选取共同探测回波。2014年6月4日05：42：00（世界时），广州雷达和韶关雷达的垂直平分线附近生成一块独立回波（图1），以18号产品基本反射率1．5°仰角图来分析，该回波位于广州雷达方位AZ：33．3°～53．8°，距离Rng：128．1～175．8 km；韶关雷达方位AZ：125．1°～144．5°，距离Rng：102．0 ～135．8 km。通过读取基数据，获取该仰角每个距离库的基本反射率值，进行算术平均。经计算，广州雷达探测该回波的基本反射率平均强度为18．386 7 dBz，韶关雷达为22．625 88 dBz，广州比韶关偏弱约3．24 dBz。据此方法对10组个例数据进行统计分析，对差值求平均，计算出广州、韶关2部雷达对同一块回波的基本反射率探测强度相差约3．5 dBz。

图1 广州（a）、韶关（b）雷达调整前回波对比（单位：dBz）

3　调整方法

根据统计结果对适配参数进行调整。影响强度定标的适配参数主要是功率和路径损耗。在关闭发射机高压的前提下，运行测试平台Rdasot．exe，设置信号类型CW，射频源选择频综，测量CW信号到4位开关4A22/ J3的功率P1（P1对应适配参数中Adaptation/ Receivation2/ R34项）和CW到接收机保护器2A3/ J3的功率P2。P1到P2之间的衰减值分配到测试路径的4个适配数据中，其关系为：P2= P1+ R58+ R63+ R66+ R68（其中，R58、R63、R66、R68为负数）。定标前先删除D：＼Calibration＼Rdacalib．Dat文件，运行Rdasc．exe，查看性能参数中CW期望值与实测值之差ΔCW，ΔCW应小于1 dB，否则可通过等量调整Adap/ R234项使之接近，调整R234项后RFD和KD的期望值和实测值也会相应地发生变化，可通过R46和R47项进行调整［10 -11］。

广州雷达据此方法对适配参数进行了调整，调整前后参数如表1所示：

表1 广州雷达调整前后适配参数对比

4　检验

对广州雷达适配参数进行调整后，重新选取10组共同观测区域的独立回波反射率数据进行统计，二者的差异减少为0．4 dBz左右，具体强度数据统计如表2所示。同时，从调整后的1．5°基本反射率产品（图2）也可以看出，2部雷达对同一回波的探测，无论是基本反射率强度，还是形状、轮廓都更为接近。

表2 调整后的强度数据统计　dBz

图2 广州（a）、韶关（b）雷达调整后回波对比（单位：dBz）

因经纬度、海拔高度、探测方向、回波衰减差异等多种原因，不同雷达对同一目标物的观测很难做到严格意义上的同步。为使相邻雷达对共同观测区域的回波探测尽可能地一致，建议台站先利用太阳法对各自雷达进行自我标定，在标定后如存在偏差较大的情况，再考虑采用对相邻2部雷达共同观测区域中独立回波的基本反射率强度平均值进行对比分析找出差异，通过修改性能参数的方法进行适当调整。从广州与韶关雷达的个例可以看出，该方法能起到一定的改进作用。

同时，笔者还尝试过采用等高平面位置显示图CAPPI来做对比，以减少海拔差异带来的影响，但因为CAPPI产品是通过插值方式生成的，有更大的不可靠性，从对比结果来看，不如基本反射率的效果好。

参考文献：

［1］张志强，刘黎平，王红艳，等．华北区域四部雷达探测强度与定位一致性分析［J］．气象，2008，34（8）：22 -27．

［2］肖艳姣，刘黎平，杨洪平．区域雷达网同步观测对比分析［J］．气象学报，2007，65（6）：818 -827．

［3］胡松，刘黎平，李超，等．相邻新一代天气雷达回波强度误差分析［J］．成都信息工程学院学报，2011，26 （6）：663 -668．

［4］李建勇，敖振浪，周钦强，等．新一代天气雷达回波强度定标步骤及调整［C］．第十二届中国科学技术协会年会（第2卷），2010．

［5］黄卫东，李泳泽，陈佳智，等．汕尾气象雷达异常海杂波的分析及处理［J］．广东气象，2011，33（5）：60 -63．

［6］雷卫延，邝家豪，刘杨．湛江新一代天气雷达的调试［J］．广东气象，2008，31（1）：62 -64．

［7］贺汉清，李源锋，杨立洪，等．CINRAD/ SA雷达天线故障定位与技术调整［J］．广东气象，2008，30（3）：61 -62．

［8］敖振浪．CINRAD/ SA雷达实用维修手册［M］．北京：中国计量出版社，2008．

［8］中国新一代多普勒天气雷达CINRAD WSR -88D技术手册［Z］．北京：北京敏视达雷达有限公司，2000．

［10］贺汉清，黄彬．一次雷达回波图像缓慢变坏的故障［J］．广东气象，2007，28（3）：60 -61．

［11］吴少峰，胡伟峰，肖柳斯．CINRAD雷达同步控制系统的设计与应用［J］．广东气象，2014，36（6）：67 -68．

中图分类号：P41

文献标识码：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．018

收稿日期：2015 -07 -18

基金项目：广州市气象局科研项目《基于临近原则的天气雷达强度定标方法研究》（项目编号：201404）

作者简介：吴少峰（1883年生），男，工程师，主要从事雷达技术保障和应用工作。E - mail：xfwu31＠163．com