基于星载雷达的南京雷达数据一致性分析

论文总字数：16073字

目 录

1引言 1

2数据和算法 2

2.1 GR数据 2

2.2 TRMM PR数据 2

2.3几何匹配算法 3

2.3.1 算法步骤 3

2.3.2匹配距离对匹配效果的影响 4

3结果分析 4

3.1一致性分析与稳定性分析 5

3.1.1“三段特征”的详细分析 7

3.1.2.按匹配高度分类的讨论分析...........................................12

3.2订正拟合............................................................ .12

3.2.1零度层亮带分层拟合................................................. 16

3.2.2“三段特征”的分段拟合............................................. .17

3.2.3全部匹配时次下的反射率因子值的总体平均值拟合...................... .18

4结论 18

参考文献 19

基于星载雷达的南京雷达数据一致性分析

倪天楠

Abstract：The ability of radar to detect meteorological phenomenon has improved greatly with the appliance of new generation meteorological radar to meteorological observation network.But the discrepancy of calibration and the deviation of measurement bringed by various problems still have a serious influence on the effect of the application of the network observation data in operation. Since the data of TRMM PR has been accurately calibrated,and its reliability and stability can become a standard of GR consistency calibration.In this file,analyzing and correcting the calibration of NANJ GR data through Geometry Matching Algorithm with TRMM PR data，comparing NANJ GR data with TRMM PR 2A25 product .Founding that there is a good reliability and stability between NANJ GR and TRMM PR.The value of GR reflective factors are always lower than PR for 0~5 dBZ.Moreover, the value of GR-PR present an obivious character of three phases during January,2008 to October,2010,and there is a linear relationship between GR and PR in each phase.The linear relationship between GR and PR which is PR=0.715GR 9.1578 is caculated by fitting method.The result of this study can be used in other participated GRs’ calibration study in the network.

Keywords：NANJ GR;TRMM PR;Geometry Matching Algorithm; Bright Band(BB)

1.引言

自1950年代以来世界上已有多个国家先后建立起了完善的天气雷达探测网。我国于1972年研制成功711型X波段测雨雷达后，又于1970年代生产了713型C波段天气雷达，着手组建天气雷达观测网络。1999年在引进美国WSR-88D的基础上研制了新一代S波段多普勒天气业务雷达，很快完成总共216部雷达的建设（其中122部为S波段，94部为C波段）^[1]。

新一代多普勒天气业务雷达的投入使用极大提高了对天气现象和气象要素的观测能力^[]。但仍然面临着由于衰减、地物阻挡、二次回波、三体散射长钉（TBSS）、超折射、远距离处波束展宽等问题带来的观测误差，无法对强降水、冰雹、强对流性天气系统进行绝对精确的观测^[2]。多普勒天气雷达的组网观测一定程度上改善了以上单部雷达观测的问题，提高了观测范围和精度。然而参与组网的各部雷达受气象雷达参数定标不完全、杂波干扰、地理环境、探测目标物的方向不同等因素的影响，各部雷达观测结果有相当差异，因此参与组网的多部雷达数据一致性很差。而我国的天气雷达观测网中的雷达之间没有统一标定，雷达资料一致性不高，不能形成真正意义上的拼图，无法很好的应用在业务中^[3]。

1997年实施的TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission 热带降水测量计划）使用主动式和被动式结合的探测仪器对热带和亚热带降水进行观测，发射的TRMM卫星搭载了工作频率13.8GHz（波长2.17cm）的Ku波段降水雷达（Precipitation Radar，PR）、TRMM微波成像仪（TRMM Microwave Imager，TMI）、可见光和红外扫描仪（TRMM Visible and InfraRed Scanner, VIRS）、闪电成像传感器（TRMM Lightning Imaging Senor, LIS）。TRMM卫星的PR除了有星载PR固有的观测优势外，其本身经过美国地基雷达观测网的精准定标，可靠稳定持续运行，观测数据一致性较高。其轨道能够覆盖我国北纬38°以南地区，为实现南京地基雷达数据的一致性分析与订正提供了可能^[4~6]。

2008年启动的全球降水测量计划（Global Precipitation Measurement，GPM）^[7]采用了与TRMM相似设计的核心卫星，不同之处在于GPM的卫星搭载了主动式的DPR（dual-frequency precipitation radar双频降水雷达）和被动式的GPM微波成像仪（GMI），GPM的主动式DPR包括一台Ku波段（13.60GHz）降水雷达和一台Ka波段（35.5GHz）降水雷达，GMI则拥有13个工作在10.65~183GHz的垂直和水平极化通道。这些附加的观测仪器和它们工作的更高频通道进一步提高了卫星探测弱降水和降雪的能力，其轨道覆盖范围扩大到65°。

在国内外，TRMM卫星的PR观测资料已广泛应用于对地基雷达（ground-based radar ，GR）的对比验证工作之中。在国外，美国NASA对境内东海岸至西海岸之间21部WSR-88D地基雷达进行了匹配分析 ^[8]；韩国气象管理局（Korea Meteorological Administration，KMA）于2009年以来用TRMM PR观测资料对其管辖下的4部地基雷达进行了匹配分析（Kim，Park等，2014）。在国内，各地已有多项卫星与地基雷达资料匹配的研究成果，如使用TRMM PR探测资料对上海地区GR的数据进行匹配拟合订正 ^[9]，使用PR资料与阜阳雷达资料进行对比并分析差异^[10]。

PR-GR的数据匹配方法有两种，较早的一种是网格匹配法（gridding technique）^[11]。网格匹配法是对PR和GR数据进行插值，再将数据放入一个以GR站点为中心的固定的三维笛卡尔坐标网格中进行分析对比^[12]。这一算法不支持GVS(GPM Ground Validation System 全球降水测量计划地面验证系统)中的 VN（Validation Network验证网络），因而GPM在算法开发的过程中推出了更优越的几何匹配算法（geometry matching technique）^[13]。韩国气象管理局在2014年发表的研究成果中使用几何匹配算法对2006~2010年间其下4部地基雷达的反射率和降水率值与TRMM第6版2A25反射率因子数据及TMI（TRMM微波成像仪）的2A12降水率数据进行了匹配、对比和分析，证明了该算法的稳定性及该算法对数据匹配的优化效果^[14]。

几何匹配法中的单层/多层空间匹配距离库并不是处于绝对固定位置的，它们的水平位置由PR扫描范围内的有效PR波束所决定。几何匹配法中产品中的有效PR波束的数量等于对应GR站点100km以内的PR波束的数量，而每个距离库的垂直位置取决于PR波束与GR对应仰角的波束的交集的空间位置。多层空间匹配距离库在网格产品中是以三维向量场的形式存储的，而在几何匹配产品中是以二位矢量的形式存储的，存储格式为俯仰角×fpdim。俯仰角指GR作俯仰扫描时的仰角，fpdim则是投影在距离GR站点100km范围以内PR波束的数量。由于几何匹配数据中每个距离库的水平和垂直位置是随机的，因此每个空间匹配距离库都包含了相关联的水平和垂直位置变量。所有的距离库都包含有经度和纬度值以及距离库顶部和底部的高度值。这些变量的值都以netCDF文件形式存储。每个netCDF文件对于一条掠过GR站点的TRMM卫星轨道而言都是唯一的^[15]。

本文基于几何匹配法对2008年1月至2013年10月南京站地基雷达和对应的PR资料进行匹配，以分析南京GR多年工作的稳定性以及在零度层亮带以上、亮带以下和亮带以内GR和PR观测资料的一致性，并对两者的雷达反射率因子的偏差值（bias）进行统计分析与订正，尝试将GR的反射率因子值订正到PR的反射率因子值，生成图像并观察分析订正效果。

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