CN105093359A - 一种天气雷达强度资料质量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天气雷达强度资料质量测试方法，该方法包括：将波束展宽因子对应雷达波束展宽质量指数F_range；将波束阻挡因子对应雷达波束阻挡质量指数F_shield；将电磁波衰减因子对应雷达电磁波衰减质量指数F_att；将垂直廓线不均匀因子对应雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr；将雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr按相应的权重系数进行加权求和得到雷达平均质量指数F_Z。本发明充分考虑了影响雷达强度资料质量的主要因子，方法合理，得到的测试结果直观，方法适用性强。

Description

一种天气雷达强度资料质量测试方法

技术领域

本发明涉及气象雷达数据处理技术领域，尤其是一种天气雷达强度资料质量测试方法。

背景技术

雷达作为一种主动遥感手段可得到具有一定精度的、大范围高时空分辨率的实时降水信息，应用雷达进行降雨监测和面雨量计算，可以提高洪水预报的精度和时效性，在洪灾监测预报中有很好的应用前景，因此雷达在水文水资源学中的应用研究日益受到关注。

多年来许多气象和水文学者在水文水资源研究中应用雷达降雨信息做了大量的研究工作,这些研究为提高水文预报精度提供了许多有借鉴意义的建设性思路，也取得了大量的积极性的成果。这些工作主要集中在利用测雨雷达回波资料进行降水估算方法研究，如卡尔曼滤波校准法、最优插值法和变分校准法等，以及将雷达资料与雨量站资料、卫星云图资料等相结合,构建出不同的水文河流预报系统，为流域洪水预报中采用雷达测雨资料提供了前瞻性的研究上，但对于雷达资料本身的质量测试却少有研究，而雷达资料质量测试应该是雷达资料应用前最为重要的一环，直接关系到最终雨量估测结果的合理性。

影响雷达资料质量的因子有很多，其中非气象回波如地物杂波，海浪杂波和生物杂波的干扰，和降水粒子对电磁波的衰减是两个最为主要的因子。这些因子会使雷达测量值与其真实值之间产生偏差，并直接影响最终的降水估测产品。尽管对雷达资料质量存在的各种问题已研究出相应的识别及订正算法，但这些算法仍存在一定的局限性：即把重心放在数据订正而非数据测试上。如果资料质量太差，就算订正方法再先进也很难得到正确的结果，如果据此结果来计算雨量，最终的结果就会产生很大的误差，甚至会出现严重的错误。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够改善雷达测雨的可信度、提高暴洪监测的能力的天气雷达强度资料质量测试方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种天气雷达强度资料质量测试方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将波束展宽因子对应雷达波束展宽质量指数F_range；将波束阻挡因子对应雷达波束阻挡质量指数F_shield；将电磁波衰减因子对应雷达电磁波衰减质量指数F_att；将垂直廓线不均匀因子对应雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr；

(2)将雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr按按相应的权重系数进行加权求和得到雷达平均质量指数F_Z：

其中，C_Z＝W_range+W_shield+W_att+W_vpr，W_range、W_shield、W_att、W_vpr分别为雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr的权重系数；当雷达波束被地物完全遮挡，即F_shield＝0，或雷达电磁波受降水粒子影响而存在严重衰减，即F_att＝0时，其F_Z＝0。

所述雷达波束展宽质量指数F_range的计算公式如下：

$F_{range}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r_{max}-r}{r_{max}}& r<r_{max}\\ 0& r>r_{max}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，r_max是雷达最大探测距离，r为某一点离雷达的距离，二者单位都是Km。对于雷达电磁波受到部分阻挡时，其雷达波束阻挡质量指数F_shield由下式表示：

F_shield＝0.5tanh(4ln(2)[θ₀-θ_GL]/Θ)+0.5(3)

上式中，θ₀和θ_GL分别为波束主瓣轴的仰角和地物相对雷达的仰角，单位均为°，Θ为3dB波束宽度，单位为°；在完全阻挡时，F_shield＝0；而在完全无阻挡时，则F_shield＝1。

在双程衰减下，雷达电磁波衰减质量指数F_att由下式表示：

$F_{att}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k_{\max }-k_r}{K_{\max }-K_{\min }}& K_{\min }<K_r<K_{\max }\\ 0& K_r>r_{\max }\\ 1& K_r<K_{\min }\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：K_max和K_min分别为衰减量的最大和最小阈值，单位为dB；信号衰减越严重，F_att越接近0，反之则越接近1。

当雷达有效照射波束低于零度层高度时，雷达探测到的回波强度Z_H主要来自液态降水粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝1；而零度层以上存在雪、冰雹、霰等粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝0。

所述W_range＝1，W_shield＝1，W_att＝1，W_vpr＝1。

所述r_max＝60。

所述K_max＝6，K_min＝1。

由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，本发明将导致天气雷达强度资料质量不确定性的主要因子——波束展宽、波束遮挡、地物杂波、电磁波衰减等因素以距离库为单元按0～1的取值范围量化，处理成雷达资料质量指数，并将各雷达质量指数以指定的权重系数加权求和得到相应的平均雷达质量指数，从而直观地了解雷达资料质量受各因子的影响程度及其整体情况，以此对雷达资料质量进行定量测试；第二，本发明充分考虑了影响雷达强度资料质量的主要因子，方法合理，得到的测试结果直观，方法适用性强。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2、3均为本发明的算法中各参数的取值范围示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种天气雷达强度资料质量测试方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将波束展宽因子对应雷达波束展宽质量指数F_range；将波束阻挡因子对应雷达波束阻挡质量指数F_shield；将电磁波衰减因子对应雷达电磁波衰减质量指数F_att；将垂直廓线不均匀因子对应雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr；

(2)将雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr按按相应的权重系数进行加权求和得到雷达平均质量指数F_Z：

其中，C_Z＝W_range+W_shield+W_att+W_vpr，W_range、W_shield、W_att、W_vpr分别为雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr的权重系数；当雷达波束被地物完全遮挡，即F_shield＝0，或雷达电磁波受降水粒子影响而存在严重衰减，即F_att＝0时，其F_Z＝0。所述W_range＝1，W_shield＝1，W_att＝1，W_vpr＝1，如图3所示。

随着探测距离的增大，雷达电磁波的波束宽度在水平和垂直方向都会出现展宽现象，波束高度也随之增大。雷达强度资料的测量精度随距离的增大基本呈线性下降趋势。所述雷达波束展宽质量指数F_range的计算公式如下：

$F_{range}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r_{max}-r}{r_{max}}& r<r_{max}\\ 0& r>r_{max}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，r_max是雷达最大探测距离，r为某一点离雷达的距离，二者单位都是Km；所述r_max＝60，如图2所示。

当波束部分阻挡时，雷达发射电磁波的峰值功率有所减弱，其后向散射信号的强度也将随之减弱；而当电磁波主瓣被阻挡时，由脉冲边缘产生的后向散射信号会被误认为是主瓣的回波信号，从而产生高度误差。对于雷达电磁波受到部分阻挡时，其雷达波束阻挡质量指数F_shield由下式表示：

F_shield＝0.5tanh(4ln(2)[θ₀-θ_GL]/Θ)+0.5(3)

上式中，θ₀和θ_GL分别为波束主瓣轴的仰角和地物相对雷达的仰角，单位均为°，Θ为3dB波束宽度，单位为°；在完全阻挡时，F_shield＝0；而在完全无阻挡时，则F_shield＝1。

降水粒子对雷达电磁波的吸收和散射作用使其对电磁波能量具有衰减效应，其衰减大小主要取决于电磁波的波长λ，衰减是影响天气雷达定量估测降水的一个重要因子，在双程衰减下，雷达电磁波衰减质量指数F_att由下式表示：

$F_{att}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k_{\max }-k_r}{K_{\max }-K_{\min }}& K_{\min }<K_r<K_{\max }\\ 0& K_r>r_{\max }\\ 1& K_r<K_{\min }\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：K_max和K_min分别为衰减量的最大和最小阈值，单位为dB；信号衰减越严重，F_att越接近0，反之则越接近1；所述K_max＝6，K_min＝1，如图2所示。

当雷达有效照射波束低于零度层高度时，雷达探测到的回波强度Z_H主要来自液态降水粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝1；而零度层以上存在雪、冰雹、霰等粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝0。

导致雷达强度资料不确定性的主要影响因子为：波束展宽因子、波束阻挡因子、电磁波衰减因子和垂直廓线不均匀因子。将上述四个主要因子按0～1的取值范围进行量化处理，得到各影响因子的质量指数，并按相应的权重系数进行加权求和得到平均质量指数，以此来表征雷达资料质量受各因子的影响程度及其整体情况。其中，质量指数越接近0，就表明资料受该因子的影响程度越大，质量越差；质量指数越接近于1，表示雷达资料受各因子影响越小，质量越好。

综上所述，本发明将导致雷达强度资料质量不确定性的主要因子通过简单的量化处理转化成雷达资料质量指数，并将各雷达质量指数以指定的权重系数加权求和得到相应的平均雷达质量指数，从而直观地了解雷达资料质量受各因子的影响程度及其整体情况，测试算法充分考虑了影响雷达强度资料质量的主要因子，方法合理，得到的测试结果直观，方法适用性强。

Claims (8)

1.一种天气雷达强度资料质量测试方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将波束展宽因子对应雷达波束展宽质量指数F_range；将波束阻挡因子对应雷达波束阻挡质量指数F_shield；将电磁波衰减因子对应雷达电磁波衰减质量指数F_att；将垂直廓线不均匀因子对应雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr；

(2)将雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr按按相应的权重系数进行加权求和得到雷达平均质量指数F_Z：

其中，C_Z＝W_range+W_shield+W_att+W_vpr，W_range、W_shield、W_att、W_vpr分别为雷达波束展宽质量指数F_range、雷达波束阻挡质量指数F_shield、雷达电磁波衰减质量指数F_att、雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr的权重系数；当雷达波束被地物完全遮挡，即F_shield＝0，或雷达电磁波受降水粒子影响而存在严重衰减，即F_att＝0时，其F_Z＝0。

2.根据权利要求1所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：所述雷达波束展宽质量指数F_range的计算公式如下：

$F_{range}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r_{max}-r}{r_{max}}& r<r_{max}\\ 0& r>r_{max}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，r_max是雷达最大探测距离，r为某一点离雷达的距离，二者单位都是Km。

3.根据权利要求1所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：对于雷达电磁波受到部分阻挡时，其雷达波束阻挡质量指数F_shield由下式表示：

F_shield＝0.5tanh(4ln(2)[θ₀-θ_GL]/Θ)+0.5(3)

上式中，θ₀和θ_GL分别为波束主瓣轴的仰角和地物相对雷达的仰角，单位均为°，Θ为3dB波束宽度，单位为°；在完全阻挡时，F_shield＝0；而在完全无阻挡时，则F_shield＝1。

4.根据权利要求1所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：

在双程衰减下，雷达电磁波衰减质量指数F_att由下式表示：

$F_{att}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k_{\max }-k_r}{K_{\max }-K_{\min }}& K_{\min }<K_r<K_{\max }\\ 0& K_r>r_{\max }\\ 1& K_r<K_{\min }\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：K_max和K_min分别为衰减量的最大和最小阈值，单位为dB；信号衰减越严重，F_att越接近0，反之则越接近1。

5.根据权利要求1所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：当雷达有效照射波束低于零度层高度时，雷达探测到的回波强度Z_H主要来自液态降水粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝1；而零度层以上存在雪、冰雹、霰等粒子，其雷达垂直廓线不均匀质量指数F_vpr＝0。

6.根据权利要求1所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：所述W_range＝1，W_shield＝1，W_att＝1，W_vpr＝1。

7.根据权利要求2所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：所述r_max＝60。

8.根据权利要求4所述的天气雷达强度资料质量测试方法，其特征在于：所述K_max＝6，K_min＝1。