多普勒天氣雷達原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法研究

原　帥，翟　墨

（佳木斯氣象衛(wèi)星地面站，黑龍江佳木斯154007）

多普勒天氣雷達原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法研究

原帥，翟墨

（佳木斯氣象衛(wèi)星地面站，黑龍江佳木斯154007）

本文利用K-鄰域頻數(shù)法對多普勒天氣雷達原始速度資料進行預(yù)處理，分析了統(tǒng)計窗口、剔噪聲閾值與補值閾值等參數(shù)的選取、算法處理次數(shù)等對處理結(jié)果的影響，并且對該方法的優(yōu)點和局限性進行討論，將算法進一步補充完善，使K-鄰域頻數(shù)法的補測效果更加有效，以滿足數(shù)據(jù)預(yù)處理的需要。

多普勒天氣雷達；徑向速度；K-鄰域頻數(shù)法；資料預(yù)處理

1　引言

雷達在進行實時采樣時會產(chǎn)生一些在空間上分布不連續(xù)、無規(guī)則且速度值呈跳變現(xiàn)象的噪聲，因此對于原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析，如何在保留有效速度信息的同時盡可能多地剔除疊加在數(shù)據(jù)上的噪聲、補足缺測的原始數(shù)據(jù)點是非常必要的。補缺測點簡單常用方法是插值法、中值濾波法等，例如，胡明寶等［1］采用拉格朗日插值公式補缺測點。周建芬等［2］利用變分原理消除雷達徑向速度資料中的小尺度運動和“噪聲”。王俊、梁海河等［3-4］提出了一種統(tǒng)計意義明確、可以有效剔除孤立奇異點的方法--K-鄰域頻數(shù)法，并且以此為基礎(chǔ)提出了“雙徑向-雙切向”退模糊技術(shù)。

奇異點的一個明顯特點是較孤立，即以一個點或若干點出現(xiàn)，很少以一大片點出現(xiàn)，在雷達圖上很難用肉眼觀察到。K-鄰域頻數(shù)法可以有效解決風(fēng)場中奇異點噪聲帶來的影響。本文利用K-鄰域頻數(shù)法處理多普勒天氣雷達原始數(shù)據(jù)，對原方法進行補充完善，總結(jié)出該方法的優(yōu)點與缺陷，使之達到最佳的補測效果，提高體掃數(shù)據(jù)中徑向速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后續(xù)的二維或三維風(fēng)場反演提供保證。

2　K-鄰域頻數(shù)法原理

將±Nyquist速度范圍分成不同的P個等距區(qū)間Np（p=1，2，…，P），區(qū)間間隔為Δd，另外窗口中心點的值Vij±Δd/2列為第P+1個區(qū)間N′，然后統(tǒng)計在M×N窗口內(nèi)的點分布在不同區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)χp（p=1，2，…，P）和χ′，令χmax是χp（p=0，1，2，…，P）、χ′中的最大值，取所對應(yīng)的區(qū)間的中點值為Vp，那么，窗口中心點新值Vij′可以表示為：

式中，k1是剔噪聲閾值，k2是補值閾值，“0”代表無回波。

3　實例分析

本文實例所處理的是云南昆明CINRAD-CC多普勒天氣雷達2010年7月的體掃速度資料。

3.1利用K-鄰域頻數(shù)法剔除“噪聲”點和補測效果

（1）K-鄰域頻數(shù)法對原始速度數(shù)據(jù)中的孤立點、孤立小區(qū)域和連續(xù)區(qū)域中的奇異點可以做很好的剔除。但是對于奇異點較多的區(qū)域，由于被剔除的點數(shù)較多，可能會對補值造成一定影響，降低原始資料的質(zhì)量。同時，K-鄰域頻數(shù)法對于原始速度數(shù)據(jù)中的缺測點、部分缺測小區(qū)域作很好的填補。但是對于孤立點較少，缺測點相對較多的區(qū)域，在所補測的點可能會減少，效果不太理想。

（2）算法執(zhí)行次數(shù)對效果的影響。通過對大量原始資料處理和對比，發(fā)現(xiàn)算法連續(xù)處理兩次的效果較好。原因是處理一次時，部分奇異點以及出現(xiàn)頻數(shù)較小的點同時被剔除，算法執(zhí)行兩次后，將第一次處理后的速度作為重新處理的對象，這樣可以對部分剔除的點進行補值，使處理效果更佳。當(dāng)算法執(zhí)行三次以上時，處理效果增加不明顯，而且執(zhí)行速度較慢。因此，將算法執(zhí)行兩次作為處理的最佳效果。

3.2參數(shù)P、M、N、k1、k2對處理結(jié)果的影響與對比分析

由原理和反復(fù)的試驗對比分析可知，“K-鄰域頻數(shù)法”的處理結(jié)果與參數(shù)P、M、M、k1和k2有關(guān)。P與Nyquist值相關(guān)，經(jīng)試驗整數(shù)P在數(shù)值上約取VN大小合適。如果窗口M×N取得太大，對原數(shù)據(jù)的保留過少；窗口太小，不同區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)很小，影響補測的最終效果。隨著M、N值的增大，剔除奇異點和補缺測點的個數(shù)不斷減小，但M、N不能取的太小，否則剔除的速度點過多，對原始數(shù)據(jù)保留的不夠好。

k1和k2的大小決定于M、N的取值，一般不應(yīng)小于平均值χ=（M×N）/P，試驗表明k1和k2應(yīng)大于k1是噪聲閾值，如果偏大會產(chǎn)生誤剔除。k2是補值閾值，可通過調(diào)整k2實現(xiàn)不同的補測效果。k2越小，填補點越多，反之填補點減少。

表1是昆明CINRAD-CC雷達2010年7月19日和2010年7月23日體掃資料取不同大小的統(tǒng)計窗口時可填補的最大缺測數(shù)。結(jié)果表明，在補缺測點時存在最大缺測點數(shù)，由于最大補測點數(shù)目較少，因此在實際應(yīng)用中可以填補全部滿足條件的點，而不必?fù)?dān)心影響整體結(jié)構(gòu)。此外，隨著M、N的不斷增大，最大補測點數(shù)逐漸減小?？梢?，統(tǒng)計窗口對補測效果有一定影響，窗口不能取的太大，會影響補測效果。

表1　統(tǒng)計窗口的大小與可填補的最大缺測點數(shù)之間的關(guān)系，第一層統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表1可以看出，當(dāng)統(tǒng)計窗口大小不變時，隨著k1的增大，孤立點數(shù)不斷增多。去除孤立點時，應(yīng)仔細(xì)選擇統(tǒng)計窗口的大小，然后選擇合適的k1。原始體掃資料的質(zhì)量對于k1的取值有重要影響。

在體掃過程中CINRAD-CC型雷達在不同的掃描仰角具有相同的Nyquist速度。所以，在處理過程中，取固定的M、N是可以的。而對于其他某些多普勒天氣雷達，如714SDN型多普勒天氣雷達，在不同仰角具有不同的Nyquist速度，因此在實際處理過程中應(yīng)選取不同的統(tǒng)計窗口。這是因為，如果統(tǒng)計窗口大小固定，則平均數(shù)χ對不同的層就有很大的差別，在補測時應(yīng)采用不同的窗口大小以及k1、k2值，從而達到預(yù)期的效果。

3.3算法優(yōu)缺點討論

在實際應(yīng)用過程中，K-鄰域頻數(shù)法存在著某些缺陷與不足。當(dāng)“噪聲”點較多或為一小部分區(qū)域時，由于算法所依據(jù)的窗口內(nèi)的點很有可能也是“噪聲”，被剔除的速度點過多，導(dǎo)致在算法執(zhí)行第二次時補值的點數(shù)較少，即無回波的點增加，不能保證數(shù)據(jù)的完整性。

4　結(jié)論

（1）利用K-鄰域頻數(shù)法剔除孤立點噪聲時，統(tǒng)計窗口M、N的取值和剔噪聲閾值k1的選取對結(jié)果有重要影響。當(dāng)M、N的大小為固定值時，應(yīng)選取合適的k1值，以達到最佳補測效果。（2）由試驗結(jié)果可看出，補缺測值時，在M、N一定的情況下，存在最大可補測點數(shù)，且所占總數(shù)比例甚微。另外，隨著M、N的不斷增大，最大可補測點數(shù)減少，但減小的幅度不大，因此在補缺測點時，補值閾值k2要盡可能小，從而使填補的點數(shù)增多，不會影響整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（3）本文使用了CINRAD-CC多普勒天氣雷達的速度資料，在體掃過程中CINRAD-CC型雷達在不同的掃描仰角具有相同的Nyquist速度，在處理過程中可采用固定的統(tǒng)計窗口。而對于其他某些多普勒天氣雷達，在不同仰角具有不同的Nyquist速度，在實際處理過程中應(yīng)采用不同的統(tǒng)計窗口。（4）K-鄰域頻數(shù)法對于回波區(qū)內(nèi)孤立點的剔除和補測效果很好，而對于較大面積上的缺測點，補測效果存在一定的缺陷。

［1］胡明寶，高太長，湯達章.多普勒天氣雷達資料分析與應(yīng)用［M］.北京:解放軍出版社，2000.

［2］周建芬，周文賢，曾西平.多普勒雷達徑向速度資料的預(yù)處理方法［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1994，17（2）: 213～218.

［3］王俊.利用K-鄰域頻數(shù)法處理多普勒雷達原始資料［J］.氣象，2005，31（6）:51-54.

［4］梁海河，張沛源，葛潤生.多普勒天氣雷達風(fēng)場退模糊方法的研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2002，13（5）:591-599.

1002-252X（2016）03-0023-02

2016-6-1

原帥（1987-），女，黑龍江省佳木斯市人，成都信息工程大學(xué)，本科生，助理工程師.