闽西南雷达回波一致性探究_黄奕丹.pdf

2022 年（第 51 卷）第 12 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横doi:10.3969/j.issn.1672-6375.2022.12.001环境生态收稿日期：2022-09-08基金项目：漳州市气象科学研究课题（项目编号：202001）。作者简介：黄奕丹（1993-），女，大学本科，工程师，主要从事天气预警预报服务工作。0 引言新一代多普勒天气雷达具有时空分辨率高的特点，能够准确及时有效地监测中小尺度灾害性天气过程1-2。天气雷达回波强度的测量误差主要是由雷达系统硬件所引起的，会直接影响定量降水估测的准确度。随着雷达站点的数量增加、雷达组网更加密集，各部雷达之间的一致性差异也逐渐显现。对组网雷达观测数据的一致性和可靠性进行系统性研究可以提高雷达数据的应用水平，也是天气雷达探测数据组网拼图的应用基础3。史锐等通过计算两部天气雷达重叠观测区3km高度上的反射率因子差的平均与“雷达对”等距离线上同一仰角的反射率因子差的平均以分析“雷达对”同步观测的回波强度差别4。周海光等结合等高面数据对比分析了荆州和宜昌的新一代多普勒天气雷达的观测数据，发现后者比前者偏强3.55 dB5。罗昌荣等也通过此方法对比分析了S波段A型新一代多普勒天气雷达和C波段 C 型机动式新一代多普勒天气雷达的探测数据6。吴翀等采用了经纬度匹配方法，对新一代天气雷达与S-PAR相控阵天气雷达的观测值进行了对比分析，并在空间一致性上做了较好的匹配7。邓鑫等基于数理统计的相关系数法，对建三江与佳木斯两部雷达定标前后天气过程的基数据进行分析，对依据雷达气象方程的回波强度定标具有良好的指导效果8。周红根等取相邻雷达等距离线（中点）的低仰角同步观测反射率因子数据，开展两部雷达、多部雷达对比观测检验，提高了回波强度定标的客观性和一致性9。文章对闽西南地区的漳州、龙岩和厦门三部雷达的组合反射率因子进行一致性检验。首先把任意两部相邻雷达的组合反射率产品进行时间一致性和空间一致性进行匹配，最终得到重叠区域内的组合反射率因子。在数据质控的前提下，应用平均绝对误差、均方根误差、相关系数和相似度来评价其一致性，设定阈值后可用于监控雷达回波是否出现异常。本研究有利于提高雷达组网数据的质量，及时发现设备的异常状态，保闽西南雷达回波一致性探究*黄奕丹，庄炀，程晶晶，陈锦鹏，林辉，洪晓湘（漳州市气象局，福建漳州363000）摘要：文章对闽西南地区的三部多普勒天气雷达一致性进行评估和分析。在时间和空间一致性的基础上，以2020年第6号台风“米克拉”影响过程为例，分别探究漳州雷达和龙岩雷达、漳州雷达和厦门雷达两组数据，从空间分布和时间变化的角度定量化地对比了平均绝对误差、均方根误差、相关系数和相似度等检验指标。结果表明：三部雷达之间均存在较明显的差异，漳州雷达、龙岩雷达的一致性优于与厦门雷达、漳州雷达的一致性；在大范围降水回波覆盖时，前者组合反射率因子的平均绝对误差和均方根误差分别稳定在6 dBZ和8 dBZ以下，相关系数在0.650.85变化，后者的平均绝对误差和均方根误差均增加2 dBZ，相关系数未超过0.8，变化幅度较大；前者的相似度最低约为70%，后者的相似度最低约为50%。整体来看，漳州雷达对诏安、云霄两地的探测效果较好，龙岩雷达对南靖、华安、芗城以及平和西部等地的探测效果较好，厦门雷达对龙海、龙文和长泰三区的参考性较强。关键词：闽西南；组合反射率因子；一致性；平均绝对误差；均方根误差；相关系数；相似度中图分类号：TN958.4文献标志码：A1甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2022 年（第 51 卷）第 12 期环境生态障多普勒天气雷达在强对流天气监测预警中稳定运行，使雷达能够准确及时有效地监测中小尺度灾害性天气过程。1相邻雷达重叠区域组合反射率因子一致性算法闽西南地区包括三部新一代多普勒天气雷达，即福建省漳州、龙岩和厦门雷达。三部雷达之间的平均距离约为130 km，其中漳州雷达和龙岩雷达距离相对较远，约为163 km。由于三部雷达的海拔高度差异较大，加上部分地物阻挡，对回波一致性对比造成的影响也比较大，采用组合反射率因子（CR）可以在一定程度上削弱这种影响。另外，组合反射率因子（CR）产品是基于经纬度坐标系，方便空间一致性匹配的插值计算。1.1时间一致性匹配监听组合反射率因子（CR）产品目录，发现新文件到达时检测组合反射率因子（CR）产品时间。两部雷达的组合反射率因子（CR）产品时间差在3 min内则认为时间一致，从而进入空间一致性匹配。1.2 空间一致性匹配读取两部雷达的组合反射率因子（CR）产品数据，其分布为矩形区域。判定两部雷达的重叠区域（亦为矩形），此时可适当设置区域缩减量，用于裁剪和缩小重叠区域。在重叠区域范围内重新建立空间分辨率为0.01的经纬度坐标系，将每部雷达的组合反射率因子（CR）数据通过双线性插值方法插值到新的经纬度坐标系上，并去掉小于0 dBZ的回波。当回波强度较弱、范围较小时，噪声影响相对增大，此时进行一致性对比所产生的偏差也比较显著，对比效果不佳。故设定当每部雷达的30 dBZ以上回波覆盖的格点数超过一定阈值（如100个格点）时才开始检验回波一致性。1.3参数计算在重叠区域内，提取两部雷达回波均大于0 dBZ的格点作为待检验样本格点，当样本数量较充足时检验参数才有统计意义。计算两部雷达样本序列的平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE、皮尔森相关系数PCCs和相似度SIM10。其中相似度SIM表示强度差异小于6 dBZ的回波格点数占待检验样本格点总数的比例，即认为由于高度、仰角、地物等干扰因素其差异在6 dBZ之内的回波是相似的。2 个例分析以登陆福建省漳州市漳浦县沿海的2020年第6号台风“米克拉”过程为例，进行漳州和龙岩两部雷达的一致性分析。台风“米克拉”路径如图1所示：2020年8月10日11时（北京时，下同）在南海东部海域生成，随后快速向偏北方向移动，并于11日06时加强为台风级，于11日07时30分在福建省漳州市漳浦县沿海登陆，登陆时中心最大风力为12级（33 m/s）。登陆后台风呈西北向前进，其中心经过漳州市的漳浦县、平和县、南靖县和华安县，而后进入龙岩市境内减弱为热带低压。受其影响，福建省漳州全市受灾人口32 654人，紧急转移安置人口20 502人，农作物受灾面积11 309.2152 hm2，倒塌房屋 3 间，严重损坏房屋 77 间，一般损坏房屋675间，直接经济损失超11亿元。图12020年第6号台风“米克拉”路径示意图挑选“米克拉”登陆后影响福建省漳州地区的时段进行分析，即8月11日10时前后的三部雷达组合反射率因子进行对比分析。从图2可以看出，漳州雷达的组合反射率因子（CR-ZC）和龙岩雷达的组合反射率因子（CR-LO）存在较明显的差异，两者的重叠区域也相对较为狭窄。从检验指标来看，漳州雷达的组合反射率因子（CR-ZC）和龙岩雷达的组合反射率因子（CR-LO）的平均绝对误差约为4.6 dBZ，均方根误差约为6.61 dBZ，22022 年（第 51 卷）第 12 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横环境生态在强度差异方面龙岩雷达的组合反射率因子（CR-LO）略强于漳州雷达的组合反射率因子（CR-ZC），应用时需要特别注意。在样本数为50 000个以上时，两者的相关系数约为71.97%，相似度约为69.46%，表明了整体分布比较一致。同时发现，漳州平和西部的强降水回波是两者的主要差异区域，漳州雷达由于设备高度较低、地物阻挡较明显，对平和西部地区的强降水回波探测强度显著弱于龙岩雷达；另外，在漳州云霄、诏安等地的回波则相反，这是由于龙岩雷达设备高度高，探测距离较远时已经达到了很高的高度所致。总体而言，平时业务中可以以平和为分界线分别参考漳州雷达和龙岩雷达的产品。图2福建漳州雷达（11日09时57分）与福建龙岩雷达（11日10时00分）的组合反射率因子对比（上图为漳州雷达组合反射率因子，下图为龙岩雷达组合反射率因子）从图3来看，漳州雷达组合反射率因子（CR-ZC）和厦门雷达组合反射率因子（CR-XM）的差异相对更大一些，两者的重叠区域范围更加宽广，检验样本数也比上述更多。从检验指标来看，漳州雷达组合反射率因子（CR-ZC）和厦门雷达组合反射率因子（CR-XM）的平均绝对误差约为5.37 dBZ，均方根误差约为7.32 dBZ，相关系数约为65.95%，相似度不足60%，整体来看漳州雷达组合反射率因子（CR-ZC）和厦门雷达组合反射率因子（CR-XM）的差异大于漳州雷达组合反射率因子（CR-ZC）和龙岩雷达组合反射率因子（CR-LO）的差异。同样，越靠近雷达本站附近的区域其探测到的回波强度越强、回波结构越精细。对于平和与龙海交界处的强降水云团，可以多加参考厦门雷达，而漳州南部地区的强回波则偏向于参考漳州雷达。图3福建漳州雷达（11日09时57分）与福建厦门雷达（11日09时58分）的组合反射率因子对比（上图为漳州雷达组合反射率因子，下图为厦门雷达组合反射率因子）从整个台风影响过程来分析各项检验指标的变化，只对重叠区域内样本数大于100的时次进行检验。如图4所示，各项指标均表明了相比于厦门雷达组合反射率因子，漳州雷达组合反射率因子更接近于龙岩雷达组合反射率因子。初始时刻回波样本数较少，各项指标波动较大，MAE和RMSE均在10 dBZ以上。随着强降水回波覆盖范围不断增大，MAE和RMSE的变化范围逐渐缩小。漳州雷达组合反射率因子和龙岩雷达组合反射率因子的MAE和RMSE分别为3.56 dBZ和48 dBZ，而漳州雷达组合反射率因子和厦门雷达组合反射率因子的MAE和RMSE均增加了2 dBZ左右，且过程后期的误差再次增大。漳州雷达组合反射率因子和龙岩雷达组合反射率因子的相关系数相对比较稳定，在0.650.85变化；漳州雷达组合反射率因子和厦门雷达组合反射率因子的相关系数变化幅度较大，但均低于0.8。两者的相似度变化趋势比价特殊，均呈现先降低后升高的“V”型曲线，漳州雷达组合反射率因子和龙岩雷达组合反射率因子的相似度最低约为70%，漳州雷达组合反射率因子和厦门雷达组合反射率因子最低约为50%，这表明了各部雷达对同一强降水回波的探测强度存在较大差异。3甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2022 年（第 51 卷）第 12 期环境生态3结论通过对闽西南地区