بررسی اثر کلاتر زمین در بروز بازتابندگی کاذب در تولیدات رادار هواشناسی گیلان

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشگاه گیلان

2 گروه مهندسی آب، دانشگاه گیلان

3 دانشکده محیط زیست

چکیده

بررسی تولیدات رادار هواشناسی گیلان (PPI و SRI) در بازه‌ زمانی پاییز و زمستان 1393 نشان‌دهنده وجود نوعی خطا در این داده‌ها است که به‌صورت گسترده‌ای موجب بروز بازتابندگی کاذب در آنها شده است، تا آنجا که میانگین روزانه بازتابندگی کاذب در محل ایستگاه هواشناسی لاهیجان به dBZ 47 می‌رسد. در پژوهش حاضر نقش کلاتر زمین در بروز بازتابندگی کاذب در این سامانه راداری مورد بررسی قرار گرفت. روش مورد استفاده برای این‌کار مطالعه‌ همپوشانی نقشه انسداد پرتو رادار و نقشه میانگین بازتابندگی کاذب به‌ازای تغییر در زاویه ارتفاع آنتن رادار است. نتایج نشان داد که کلاتر زمین عامل اصلی بروز بازتابندگی کاذب در 34/75% از پیکسل‌های تصویر است. همچنین مقدار واقعی زاویه ارتفاع آنتن رادار با مقایسه‌ میانگین فاصله پیکسل‌های حاوی انسداد پرتو و پیکسل‌های حاوی بازتابندگی کاذب از محل نصب رادار برابر با °20/0-  تعیین شد. در نظر گرفتن بازه‌های مکانی دونات‌شکل با شعاع 5 کیلومتر حول آنتن رادار و نحوه‌ استفاده از آن برای تعیین مقدار واقعی زاویه ارتفاع آنتن از جمله نوآوری‌های صورت گرفته در این پژوهش است. در ادامه، با توجه به ضرورت وجود معیاری برای قضاوت راجع به میزان اثر‌بخشیِ اقدامات صورت گرفته برای تضعیف خطای کلاتر زمین در محصولات رادار هواشناسی گیلان، روشی بر مبنای همبستگی میان ارتفاع بارش 24 ساعته راداری و مقادیر متناظر ایستگاهیِ آن توسعه یافته است که می‌توان به‌کمک آن بیشینه خطای قابل چشم‌پوشیِ کلاتر زمین را، با استفاده از رابطه  به‌دست آورد. مقادیر عددی حاصل از این روش بر حسب dBZ در ایستگاه‌های رشت (فرودگاه)، رشت (کشاورزی)، بندر انزلی، تالش، لاهیجان، جیرنده، ماسوله، دیلمان و منجیل به‌ترتیب برابر با 748/3-، 638/1-، 074/6-، 952/14، 611/3-، 482/1-، 466/12، 872/4 و 852/6 محاسبه شد. همچنین مقدار dBZ 536/9 برای کل ایستگاه‌ها به‌صورت توأمان به‌دست آمد که با توجه به پراکندگی ایستگاه‌های مورد مطالعه می‌تواند به کل تصویر رادار تعمیم یابد. نتایج نشان می‌دهد که با وجود قابل توجه بودنِ میانگین خطای کلاتر در روز‌های خشک (بدون بارندگی)، همبستگی نزدیکی بین ارتفاع بارش 24 ساعته راداری و مقادیر متناظر ایستگاهی آن وجود دارد، به‌گونه‌ای که ضریب این همبستگی در 7 ایستگاه رشت (فرودگاه)، رشت (کشاورزی)، بندر انزلی، لاهیجان، جیرنده، دیلمان و منجیل در سطح 1% معنی‌دار است و در دو ایستگاه تالش و ماسوله نیز مقادیر بالایی برای ضریب همبستگی به‌دست آمده است. بنابر‌این می‌توان نتیجه گرفت که وجود کلاتر در تولیدات رادار هواشناسی گیلان در تاریخ‌های مورد بررسی منعی بر قابلیت کاربرد و پژوهش بر این داده‌ها ایجاد نمی‌کند، هر‌چند استفاده از آنها نیازمند به دقتی مضاعف است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The assessment of the influence of ground clutter on incorrect reflectivity appearance in Guilan meteorological radar products

نویسندگان [English]

  • Saeed Ojaghloo Shahabi 1
  • Majid Vazifedoust 2
  • Afshin Ashrafzadeh 2
  • Javad Bodagh-Jamali 3
چکیده [English]

The assessment of Guilan’s meteorological radar data (PPI and SRI) during autumn 2013 and winter 2014 shows the presence of a large number of pixels, mostly located in Guilan mountainous areas, involving incorrect reflectivities. For example, the daily average of incorrect reflectivity on the 26th of December 2014 calculated by PPI (plan position indicator) products of Guilan’s meteorological radar resulted in 47.014 dBZ in Lahijan synoptic station which would be equal to 31.6 mm/hr rain rate through Marshall-Palmer Z-R relationship. The importance of these results could be appreciated when we note that Lahijan synoptic station had a daily gauge rainfall height equal to zero on the same day. Thus, according to the position of incorrect reflectivities of Guilan’s meteorological radar, this study aims to evaluate the ground clutter influence on incorrect reflectivity appearance. The method used is to study the overlapping of the beam blocking map and the daily average of incorrect reflectivity map by changing the elevation angle of the radar beam at a clear air day. The results show that the ground clutter is the main factor responsible for incorrect reflectivities in %75.34 pixels of the image. Using comparison of the mean distance of the blocked pixels and the pixels containing the ground clutter to the radar antenna leads us to conclude that the real amount of the elevation angle is equal to -0.20°. The method adopted by assuming 5 km donut-shape regions around the radar antenna and using it to determine the radar elevation angle is one of the innovations of this study. Furthermore, to ensure the working of the actions undertaken for the clutter contamination mitigation, one requires a numerical threshold to determine the effectiveness of the actions. For this purpose, therefore, a method is developed based on the correlation between the radar’s 24-hr rainfall heights and their respective gauge data. The method provides a maximum threshold in dBZ unit for the clutter contamination while Z = 200 R1.6 is applied. The numerical thresholds resulted from the application of the method for the meteorological stations of Rasht (the Airport), Rasht (the Agriculture Faculty), Anzali, Talesh, Lahijan, Jirandeh, Masouleh, Deylaman and Manjil are equal to -3.748, -1.638, -6.074, 14.952, -3.611, -1.482, 12.466, 4.872 and 6.852 in dBZ, respectively. Also, a value of 9.536 dBZ is obtained for all the stations considered together. The latter value can be extended to all pixels of the radar image. As the conclusion, in spite of the fact that on the 26th of December 2014 as a non-rainy day, the average clutter was considerable, a close correlation between the radar’s rainfall heights and their respective gauge data is observed during the 15 days studied. The Pearson correlation coefficients (Pcc) in the meteorological stations of Rasht (the Airport), Rasht (the Agriculture Faculty), Anzali, Lahijan, Jirandeh, Deylaman and Manjil are significant at 1% statistical significance level, and also Pcc values in the meteorological stations of Talesh and Masouleh are larger than that can be excluded. Therefore, the clutter contamination of Guilan’s meteorological radar data cannot be considered an impediment to its application in practical purposes. However, for further progress, a higher degree of accuracy would be required.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • doppler meteorological radar
  • ground clutter
  • reflectivity
  • elevation angle
  • Guilan

آخوند­علی، ع.، رادمنش، ف.، میرزایی، س.، و شریفی، م.، 1392، ارزیابی و بهبود عدم قطعیت­های موجود در داده­های رادار اهواز با تأکید بر کالیبراسیون رابطه Z-R: مجله زمین­شناسی کاربردی پیشرفته، 9، 31–42.

طوفانی­نژاد، ز.، کمالی، غ.، و علیزاده، م.، 1388، کاربرد رادارهای هواشناسی باند X در برآورد میزان بارندگی در حوضه­های کوچک: مجله آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 23 (1)، 57–67.

قرابیگلی، ف.، 1392، ریز­مقیاس کردن داده­های ماهواره‌ای TRMM و مقایسه آن با داده­های رادار هواشناسی داپلر در مناطق ساحلی دریای خزر: پایان‌نامه کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان.

مهدوی، م.، 1384، هیدرولوژی کاربردی (جلد اول): مؤسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران، 342 صفحه.

وحدانی، ا.، 1392، هوا و اقلیم­شناسی، نشر آییژ، 576 صفحه.

Chrisman, J. N., Rinderknecht, D. M., and Hamilton, R. S., 1995, WSR-88D clutter suppression and its impact on meteorological data interpretation: First WSR-88D user’s conference, Norman, Oklahoma, USA, WSR-88D operational support facility, 1994.

Ciach, G. J., and Krajewski, W. F., 2006, Analysis and modeling of spatial correlation
structure in small-scale rainfall in Central Oklahoma: Advances in Water Resources, 29, 1450–1463.

Fang, F., 2004, Raindrop Size Distribution Retrieval and Evaluation Using an S-Band Radar Profiler: MSc thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Central Florida, Orlando, Florida, 118 pp.

Friedrich, K., and Germann, U., 2009, Influence of ground clutter contamination on polarimetric radar parameters: J. Atmospheric and Oceanic Technology, 26, 251–269.

Gerstner, T., Meetschen, D., Crewell, S., Griebel, M., and Simmer, C., 2002, Case study: Visualization of local rainfall from weather radar measurements: University of Bonn. 2001. (Sited in: http://wissrech.iam.uni-bonn.de/research/pub/gerstner/meteo.pdf, 21/01/2015).

Hubbert, J. C., Dixon, M. and Ellis, S. M., 2009, Weather radar ground clutter. Part II: Real-time identification and filtering: J. Atmospheric and Oceanic Technology, 26, 1181–1197.

Skolnik, M. I., 2008, Radar Handbook (third edition), McGraw-Hill, 1352 pp.

Torres, S. M., and Zrnic, D. S., 1999, Ground clutter canceling with a regression filter: J. Atmospheric and Oceanic Technology, 16, 1364–1372.

van de Beek, C. Z., Leijnse, H., Stricker, J. N. M., Uijlenhoet, R., and Russchenberg, H. W. J., 2010, Performance of high-resolution X-band radar for rainfall measurement in the Netherlands: Hydrology and Earth System Sciences, 14, 205–221.

Yuter, S. E., 2003, Precipitation radar: Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, 42 pp.