基于星载雷达观测的南京地基天气雷达数据的订正

论文总字数：16684字

目 录

摘要： 1

Abstract: 2

1.引言 3

1.1 国内外研究进展及现状分析 3

1.1.1 国内的一些研究进展 3

1.1.2 国外的一些研究进展 4

2 资料与方法 4

2.1 TRMM PR简介 4

2.1.1热带降水测量卫星（TRMM）的介绍 4

2.1.2星载测雨雷达（TRMM PR）简介 5

2.2 南京地基雷达（GR）简介 6

2.3 使用的方法 7

2.3.1 时间匹配法 7

2.3.2 网格匹配法 7

2.4 使用数据 7

2.5 垂直廓线的比较 7

3 GR反射率因子的订正 8

4 个例分析 11

4.1 Ku调整 11

4.2 订正效果验证 12

5 小结与讨论 13

参考文献： 14

致谢 16

基于星载雷达观测的南京地基天气雷达数据的订正

许晓帆

，China

Abstract:

In the paper, the dada of the TRMM precipitation radar (PR) and Nanjing ground weather radar GR from 2003 to 2014 are selected. By time matching and space grid matching method, Resampling the PR TRMM and GR detection data to a common three-dimensional Descartes Cartesian coordinate system.Over the years to stabilize the work of PR TRMM data to do reference, analyzing Nanjing radar detection data for 12 years, and the using linear regression to revise the GR data in Nanjing, and verifying its correction effect. Results show that: (1) Nanjing GR and PR TRMM have a good consistency in the vertical profile of precipitation reflectivity factor; (2) The Nanjing GR comparison analysis according to the distance of segmented, with the increase of the distance, the slope “a” gradually decreases, intercept “b” increases gradually, correlation by gradually decreasing; (3) Because Nanjing GR data regularly calibrate before the annual flood season , so when revise the data of the 12 years., in order to ensure the inter annual consistency of the GR reflectivity factor, a revised method is adopted. (4)By the correction, the reflectivity factor of GR is improved, the strong echo is weakened and the weak echo is enhanced, which is more consistent with PR, but there are still some differences in strength and range.

Key word:TRMM PR;Nanjing GR;Mean reflectivity factor;Linear regression;Ku adjustment

1.引言

降水是全球水与能量循环过程中的重要因素之一，它也是能展现气候与天气变化的最重要标准之一；此外，降水的时间与空间变化较为剧烈，要想准确的描述这一特征是有一定的难度的。目前我们对于降水测量的手段主要是:地面雨量计和地基测雨天气雷达^[1]。前者是一种常规的测量降水的方法，它对单个站点的测量来说有着较高的准确性，但其分布是有一定的限制的，因此对于大面积的降水分布特征的表述可能就存在一定的缺陷；而后者由于受其探测范围、所处地理位置、硬件定标等诸多方面因素的限制，其对于大面积降水特征的描述能力也是有限的。为了解决诸如此类的问题,美国的NASA(国家航空和航天局)和日本的NASDA(国家航天开发总局)于1997年联合开发并成功发射了TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星。在此次的热带降水测量计划(TRMM)中，首次将雷达这一运用主动遥感方式来探测的探测仪器安装在卫星上,从而形成了一种自上而下的全新的探测方式,和常规雷达的近水平探测方式形成了鲜明的对比。

目前，在气象业务中发挥重要作用的是S波段和C波段的天气雷达组成的天气雷达网，但各台站的雷达缺少统一的标定，因此在业务应用中受到很多限制。由于TRMM PR其探测范围广，返回的测量数据一致性高，运行持续、稳定，且它经过了美国主动式地基雷达的精确的标定，因此，可以将PR作为参考，对地基雷达网内的雷达进行一致性和稳定性的分析，从而来提高我国雷达网的一致性^[2]。再者，气象卫星虽然发展迅速，具有稳定性与一致性高的优点，但它仅对尺度较大、持续时间较长的系统可以做到有效监控，但当要对较小尺度、持续时间较短的局地系统进行观测时就稍显不足，这时运用地基雷达进行探测就是十分必要的了。由此可见，地基雷达对于我们的业务探测有重要意义，因此本文将PR作为参照，对地基雷达进行分析和订正，提高其测量数据的一致性与准确性，提高业务水平。

1.1 国内外研究进展及现状分析

自TRMM卫星成功发射，多年来其一直保持持续稳定的运行状态，所返回的测量数据也有着较高的一致性与可靠性。然而地基雷达由于杂波干扰，波束阻挡等因素的影响，其准确性不是很好，为了提高测量的准确性，提高对于降雨的评估的精度，很多国内外研究人员对TRMM PR关于降水的探测做了很多的研究，其中对于TRMM PR与地基雷达的比较和订正方面的研究也有很多。

1.1.1 国内的一些研究进展

在星载测雨雷达与地基雷达数据的匹配问题上，商建等^[3]基于NASA戈达德空间飞行中心所使用的数据匹配方法,根据需要使用的数据的特点来更改了网格大小,使用了更加精细的三维网格进行匹配，并定性、定量的比较了两种匹配方法的结果,从而验证匹配方法的有效性，并对两种匹配方法的特点进行了对比:在展现降水结构的能力方面,2 km×2 km×1.5 km网格能够更好地体现降水区域的细节;在计算量方面,使用2 km×2 km×1.5 km网格不用进行GR数据的处理,从而节约了时间,但由于其数据点数目为151×151×13,大于5 km×5 km×1.5 km网格内的数据点数目60×60×13,因而计算量相对较大;在统计指标方面,其两个匹配方法各有好坏。

在TRMM PR雷达与一些地基雷达降水资料的对比研究中，王成刚等^[4]通过对阜阳台站的1998年和1999年的测量数据，将TRMM PR与阜阳台站的713数字化的天气雷达资料在强度场的分布、平均反射率廓线和灵敏度三方面进行比较。通过分析和比较结果可知：（1）在强度场上，水平和垂直分布的反射率数据有着较好的一致性；（2）在灵敏度上，阜阳台站雷达高于PR,PR波长短，对衰减较为敏感，尤其是垂直方向上经强衰减后，其订正值却依旧较小，但在水平方向上则无衰减问题。何会中等^[5]基于1999年8月23日“Sam”台风数据资料，采用平均法和最佳匹配法对比分析数据资料，可知TRMM PR测量到的降水率和雷达反射因子和香港地基雷达的观测值具有较好的一致性。另外，PR的雷达反射率因子大于香港台站的雷达测量值，且两者之间的差值随着距离变大而增大。

1.1.2 国外的一些研究进展

Schumacher等^[6]，Iguchi等^[7]和 Wolff^[8]等以及很多的研究者对TRMM PR和地基雷达的数据比较进行了很多的研究，他们对不同地区的不同观测资料的降水率，雷达反射率因子和精确度等方面进行了对比分析，得出：星载热带降雨测量卫星(TRMM)上的降水雷达(PR)的精确度通常比地面雷达测量高；对于衰减，PR在较低的水平上衰减十分的显著，特别是对流性降雨时，且其一般在水平方向上无衰减，精确度较之高；关于降雨率，资料的分析分为有条件的基础上和无条件基础，前者其瞬时雨率的比较只在两者检测雨的公共像素上，后者在区域平均上降雨率估计降雨率。总体而言，对于所有的雨类，PR往往低估条件平均降雨率约为8%，这一发现也符合地区的平均降雨（无条件）的比较。

Anagnostou等^[9]，在TRMM测雨雷达观测确定地面雷达校准偏差的使用研究中，其所使用的方法是：开发在一个公共地球平行的三维直角坐标网格中匹配PR和地基体扫天气雷达观测值。在这项研究中，数据匹配的方式，最大限度地减少不确定性联系与天气类型被看见通过雷达，网格分辨率和雷达灵敏度，采样体积，视角和雷达频率所带来的。PR与地基雷达的时间分析系统不同揭示了在2到6个月的时间内，雷达站点偏差高达4.5dB。类似PR系统与稳定地基雷达的不同的估计显示偏差波动小于0.8分贝。

2 资料与方法

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