陜西新一代天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

黃　勤，龍亞星，任　芳

(1.陜西省氣象信息中心，西安　710014；2.陜西省大氣探測技術保障中心，西安　710014；

3.陜西省氣象服務中心，西安　710014)

?

陜西新一代天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

黃勤1，龍亞星2，任芳3

(1.陜西省氣象信息中心，西安710014；2.陜西省大氣探測技術保障中心，西安710014；

3.陜西省氣象服務中心，西安710014)

摘要：統(tǒng)計分析了陜西新一代天氣雷達資料中的固定地物、超折射和徑向干擾回波分布情況，并介紹了相應的數(shù)據(jù)處理方法，重點對西安雷達數(shù)據(jù)中的強地物、超折射和徑向干擾回波數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制，結(jié)果表明：(1)利用模板匹配和回波紋理結(jié)構(gòu)能夠有效識別抑制固定地物回波；(2)傾斜測試法結(jié)合回波強度和徑向速度識別抑制超折射回波效果明顯；(3)采用相鄰徑向有效庫數(shù)比較和中值濾波識別抑制徑向電磁干擾效果明顯。

關鍵詞：天氣雷達；固定地物；超折射；徑向干擾

天氣雷達資料在估測降水、短時預報和數(shù)值預報模式資料同化等科研和業(yè)務中取得了廣泛應用，目前，已有多種方法用于識別和抑制天氣雷達中的非氣象回波來提高雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量。陳媛[1]介紹了幾種雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。宗蓉等[2]基于地物和超折射的水平、垂直結(jié)構(gòu)特征進行非降水回波識別。李豐等[3-6]開展了基于模糊邏輯識別和回波分塊的非降水氣象回波識別算法研究。江源等[7-8]對天氣雷達出現(xiàn)的電磁干擾回波進行分析處理。莊旭東等[9-10]對超折射回波進行了分析抑制。目前，陜西省氣象部門已經(jīng)運行榆林、延安、西安、寶雞、商洛、安康、漢中共7部CB型天氣雷達。由于陜西地勢南北高、中間低，多部天氣雷達資料中存在地物回波和回波遮擋的問題，另外還存在徑向掉線和固定方向的電磁干擾。以上問題對雷達資料深入應用有較大影響。因此，針對陜西新一代天氣雷達資料中的固定地物、超折射和徑向干擾的回波問題，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，重點對西安雷達站數(shù)據(jù)的強固定地物雜波、超折射回波和徑向干擾進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1雷達資料預處理

在對雷達資料進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和控制前，需進行雷達徑向掉線預處理。陜西雷達的徑向掉線分為掉線1個和超過10個兩種情況，本文采用相鄰兩個徑向平均值對1個徑向掉線數(shù)據(jù)做插值處理，對超過10個徑向掉線數(shù)據(jù)不做處理。

2數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和質(zhì)量控制

2.1固定地物雜波

統(tǒng)計陜西7部天氣雷達地物回波分布情況，其中西安、寶雞、安康和榆林4站雷達有較明顯的地物回波，其徑向速度和速度譜寬趨近于零，反射率因子具有較高的值，回波形態(tài)基本不變(見45頁圖1)。其中，西安、寶雞和安康的地物均為秦嶺山脈，榆林的地物為陜北高原。由于秦嶺山脈的平均海拔高度在2 km以上，西安雷達站海拔高度為456 m，西安雷達在最低仰角時，雷達發(fā)射的電磁波遇到山脈后被山體吸收，出現(xiàn)方位角超過50°的波束遮擋，1.5°仰角沒有出現(xiàn)地物回波，分析其原因為雷達對該仰角層回波進行了雜波抑制，地物回波僅出現(xiàn)在2.4°仰角，位于雷達站以南60～80 km。寶雞雷達同樣受秦嶺山脈的影響，在0.5°、1.5°、2.4°仰角中受到不同程度的地物遮擋，且自西北向東南方向，存在長度達300 km、最大回波強度達15 dBz的地物回波帶。在2.4°仰角中出現(xiàn)較強地物回波，回波強度達到60 dBz，位于雷達站以南40～80 km。安康雷達資料中地物回波在0.5°～2.4°仰角中均有，最大回波強度大于60 dBz，位于雷達站西北方向，方位角為270°～310°。榆林雷達的地物回波只存在于0.5°仰角中，位于雷達站附近及雷達站西南40～80 km。

根據(jù)以上地物回波的分布特征，在晴空條件下，設定雷達回波強度大于10 dBz，徑向速度和速度譜寬趨近0 m/s，并結(jié)合地物回波出現(xiàn)的方位角區(qū)間，制作適合本雷達站的地物模板，采用地物模板匹配方法[10]自動識別晴空條件下的地物雜波。當?shù)匚镫s波在降水區(qū)域時，根據(jù)在晴空條件下統(tǒng)計的地物模板，利用以下公式[5]計算模板區(qū)域回波紋理識別地物回波，公式如下：

(1)

其中，TDBz表示回波強度紋理，反映回波強度的局地變化大小，單位為dB2，本文中設定滿足TDBz>40dB2的回波為地物回波；NA、NR表示在方位和距離方向定義的計算范圍，本文規(guī)定NA=NR=3；Zi,j為任意點的回波強度。當識別出地物回波后，將回波強度值賦值為無效值(如：-999或999)達到抑制效果。

根據(jù)上述識別和抑制地物回波的方法，分別選取了西安雷達2015年4月1日19：47和16：13數(shù)據(jù)進行分析。

西安雷達2.4°仰角存在地物回波，位于雷達站以南60～80 km處。當?shù)匚镫s波(見45頁圖2a中白色虛線區(qū)域)不在降水區(qū)域時，根據(jù)統(tǒng)計形成的地物回波模板，對該數(shù)據(jù)中的地物雜波進行識別抑制。效果見圖2b，圖2a中白色虛線部分地物回波已明顯得到抑制，可見地物模板匹配方法能夠有效地抑制地物雜波。

選取2015年4月1日16時13分西安雷達站數(shù)據(jù)分析地物雜波在降水區(qū)域中識別和抑制情況。雜波(見46頁圖3a黑色虛線區(qū)域)形態(tài)不如在非降水區(qū)域時規(guī)則清晰，且部分雜波淹沒在降水回波中，但仍可見隨時間推移而固定不變的回波區(qū)域，最大回波強度為71 dBz，徑向速度和速度譜寬趨近于0 m/s。由于雜波在降水回波區(qū)域中，需結(jié)合該區(qū)域的回波紋理結(jié)構(gòu)進行識別。抑制后效果見圖3b，圖3a黑色虛線中強回波已被抑制，且避免了該區(qū)域中滿足徑向速度和速度譜寬趨近于0 m/s的有效回波被抑制。

2.2超折射回波

當大氣層中出現(xiàn)溫度隨高度的增加而升高或濕度隨高度的增加而減小時，雷達的電磁波方向因大氣折射指數(shù)的變化而折向地面，形成超折射回波。根據(jù)陜西目前的雷達資料，僅發(fā)現(xiàn)西安雷達在晴天的早間和傍晚時常存在較明顯的超折射，超折射回波出現(xiàn)在0.5°仰角未被山體遮擋的區(qū)域，本文采用傾斜測試法[11]，并結(jié)合回波強度和速度值自動識別超折射回波。具體方法：首先，采用傾斜測試方法計算1.5°仰角相對于0.5°仰角在相同距離圈內(nèi)回波面積差值的百分比值，并設定超折射閾值為50%，若計算值≥50%，則判定0.5°仰角回波為“可疑超折射回波”；然后，根據(jù)徑向速度和速度譜寬是否趨近0 m/s識別出超折射回波；最后，將回波值賦值為無效值達到抑制超折射回波效果。

根據(jù)上述識別抑制方法，確定西安2015年4月22日07：31數(shù)據(jù)的0.5°仰角存在超折射回波，測試閾值為0.67。超折射回波強度大，呈放射狀(見46頁圖4a)。抑制后，超折射回波得到明顯抑制(圖4b)。但仍存在未抑制的強度大于40 dBz的雜波，主要是由于原雜波的徑向速度為-14 m/s，超折射回波抑制條件為徑向速度趨近0 m/s，因此造成雜波抑制不完全。

2.3徑向干擾

目前，從陜西部分雷達圖像中可以看到呈直線狀的干擾回波，且方向比較固定，判斷應為來自遠距離的單頻點電磁干擾。西安雷達回波中，徑向干擾較為嚴重，主要來自以下4個方位角附近：45°、105°、160°和357°，當發(fā)生超折射時，在275°方位角附近也會出現(xiàn)徑向干擾。寶雞雷達回波中，干擾主要來自148°方位角附近。安康和商洛雷達徑向干擾主要來自20°和295°方位角附近，偶爾有來自320°方位角附近的干擾。榆林雷達有來自225°方位角附近的干擾。首先將相鄰兩個徑向的有效回波距離庫數(shù)進行分析，得到其有效差值距離庫數(shù)，定義差值超過200的為干擾回波，然后采用中值濾波[8]對干擾回波進行抑制。

圖1　雷達固定地物回波反射率(虛線內(nèi)為固定地物回波；a 西安，2.4°；b 寶雞，2.4°；c 安康，0.5°；d 榆林，0.5°)

選取西安雷達2015年4月1日19時41分數(shù)據(jù)做徑向干擾抑制分析，可以看出，徑向干擾出現(xiàn)在方位角105°和160°附近(見46頁圖5a)，呈條幅狀。其中，在方位105°附近存在連續(xù)兩個徑向的干擾波。采用相鄰徑向比較和中值濾波方法，徑向干擾抑制效果明顯(圖5b)。由于有效差值距離庫數(shù)的閾值為固定值，所以圖5b中仍存在徑向距離庫數(shù)較少的干擾回波。

圖3　2015-04-01T16：13西安雷達2.4°仰角反射率圖 (a 抑制前；b 抑制后)(黑色虛線內(nèi)為地物雜波)

圖4　2015-04-22T07：31西安雷達0.5°仰角反射率圖(a 抑制前；b 抑制后)

圖5　2015-04-01T19:41西安雷達0.5°仰角反射率圖 (a 抑制前；b 抑制后)

3結(jié)論

(1)根據(jù)陜西7部天氣雷達出現(xiàn)的固定地物雜波，統(tǒng)計制作地物回波模板，采用模板匹配和區(qū)域回波紋理結(jié)構(gòu)能夠識別和抑制雷達回波中的固定地物。

(2)西安雷達超折射回波均出現(xiàn)在晴天的早間和傍晚，采用傾斜測試抑制超折射回波效果明顯，但仍有部分殘留，處理方法還需要進一步改進。

(3)統(tǒng)計分析出陜西天氣雷達普遍存在著來自固定方位的徑向干擾，采用相鄰徑向比較和中值濾波的方法識別抑制徑向干擾效果明顯，但方法還需改進。

參考文獻：

[1]陳媛,陳江民,毛紫陽,等.天氣雷達反射率基數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的幾種算法[J].氣象與減災研究,2007,30(3): 48-51.

[2]宗蓉,劉春云.雷達反射率數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法初探[J].氣象與環(huán)境學報,2009,25(2):62-67.

[3]李豐.新一代天氣雷達非降水氣象回波識別與效果分析[D].蘭州：蘭州大學,2012.

[4]楊川.新一代天氣雷達資料質(zhì)量分析和處理方法研究[D].成都：成都信息工程學院,2012.

[5]李豐,劉黎平,王紅艷,等.C波段多普勒天氣雷達地物識別方法[J].應用氣象學報,2014,25(2):158-167.

[6]莊薇,劉黎平,余燕群,等.雷達地物回波模糊邏輯識別法的改進及效果檢驗[J].氣象學報,2012,70(3):576-584.

[7]江源.天氣雷達觀測資料質(zhì)量控制方法研究及其應用[D].北京：中國氣象科學研究院,2013.

[8]郭春輝,王旭,袁微.多普勒天氣雷達徑向干擾回波的識別與消除[J].氣象水文海洋儀器，2014(2):24-29+32.

[9]莊旭東,胡勝,徐芬,等.超折射回波自動探測算法在臨近預報中的應用[J].氣象科學,2009,29(2):2241-2245.

[10]張林,楊洪平,鄧鑫,等.基于模板匹配法的長樂雷達強超折射回波識別[J].氣象,2014,40(3):364-372.

[11]俞小鼎,姚秀萍,熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務應用[M].北京：氣象出版社，2006:221.

中圖分類號：P415.2

文獻標識碼：B

基金項目：陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金(2015M-57)

作者簡介：黃勤(1987—)，女，漢，四川眉山人，助工，碩士，主要從事氣象信息與技術保障。

收稿日期：2015-09-07

文章編號：1006-4354(2016)01-0043-05

黃勤，龍亞星，任芳. 陜西新一代天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].陜西氣象，2016(1)：43-47.