基于氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的三體散射自動(dòng)識(shí)別研究

楊妍辰?姜皓嚴(yán)?李明聰

摘 要 本文從雷達(dá)圖像的三體散射特征產(chǎn)生機(jī)理著手，直接分析對(duì)應(yīng)三體散射的雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)，從而避免了由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)圖像時(shí)造成的信息損失。識(shí)別出三體散射現(xiàn)象后再在雷達(dá)圖像上標(biāo)出其位置。本方法不僅可以識(shí)別出核在單體外側(cè)時(shí)出現(xiàn)的三體散射，還可以識(shí)別出核在單體其他位置時(shí)有沒有產(chǎn)生三體散射現(xiàn)象，以供預(yù)報(bào)員更好判斷冰雹降落區(qū)。減少了預(yù)報(bào)員的工作量，使預(yù)報(bào)員不必長(zhǎng)時(shí)間肉眼觀察雷達(dá)圖像。

關(guān)鍵詞 天氣雷達(dá);三體散射;數(shù)據(jù)識(shí)別;冰雹預(yù)警

引言

本文基于雷達(dá)反射因子數(shù)據(jù)，根據(jù)TBSS的形成機(jī)理和回波特點(diǎn)，建立一套新的識(shí)別算法，并結(jié)合譜寬產(chǎn)品進(jìn)一步確認(rèn)TBSS特征，最終有效識(shí)別出單體外的TBSS，和處于單體內(nèi)的可能TBSS，提高了具有TBSS特征強(qiáng)冰雹的識(shí)別率，并為強(qiáng)冰雹預(yù)警提供客觀依據(jù)。

1三體散射形成機(jī)制及其特點(diǎn)

圖1 造成三體散射長(zhǎng)釘（或火焰回波）的雷達(dá)信號(hào)路徑示意圖.點(diǎn)C處的陰影代表造成該回波假象的大于60 dBz 的反射率因子核心

圖1中顯示了造成TBSS時(shí)的雷達(dá)信號(hào)路徑。若C區(qū)在雷達(dá)徑向上有長(zhǎng)度分布，設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，如圖2所示，其中C區(qū)前端與自己的TBSS距離為A，C區(qū)尾端距離自己的TBSS為B，則可知耀斑回波中前l(fā)長(zhǎng)度內(nèi)的回波強(qiáng)度幾乎不衰減，之后才開始逐漸衰減，由圖可知

考慮地球曲率以及雷達(dá)海拔高度時(shí)，設(shè)雷達(dá)海拔H，仰角為α，回波圖像上距離雷達(dá)r處所在的地面高度為h，如圖3所示，

從上式可知，的長(zhǎng)度大于C區(qū)L的長(zhǎng)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料L不超過8Km，r取雷達(dá)探測(cè)半徑200km，雷達(dá)仰角范圍為0°～14°，而強(qiáng)核出現(xiàn)位置在3°～7.5°范圍內(nèi)。將這些值代入（3）式，可得比L最大不超過10km，而L越小時(shí)，長(zhǎng)度和L越接近[1]。

電磁波波長(zhǎng)為5cm（C波段）時(shí)，能檢測(cè)到除大冰雹外大雨滴或小冰雹產(chǎn)生的TBSS，而S波段（10cm）雷達(dá)只能檢測(cè)到大冰雹的TBSS。所以S波段檢測(cè)到TBSS時(shí)，是發(fā)生強(qiáng)冰雹的充分條件。

通過分析多個(gè)案例，可得到TBSS的一些特點(diǎn)，具體如下：

對(duì)于S波段雷達(dá)，其反射率因子顯示閾值為5dBz，要產(chǎn)生一個(gè)能被分辨出的TBSS，TBSS對(duì)應(yīng)的反射核的反射率因子都大于60dBz。

統(tǒng)計(jì)TBSS的長(zhǎng)度，最大長(zhǎng)度為24km，最小長(zhǎng)度為1km，3km以上的TBSS占總次數(shù)的91.2%。如果單體核距離單體邊界較遠(yuǎn)，TBSS會(huì)和降水主體發(fā)生混合，故雷達(dá)圖上測(cè)得的TBSS長(zhǎng)度必然變短。

反射率因子核心強(qiáng)度越大，高反射率因子的區(qū)域越大，TBSS的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。

我國(guó)冰雹天氣主要發(fā)生在春夏之交，高度通常在6～9km之間，根據(jù)冰雹形成機(jī)理和雷達(dá)特性，雷達(dá)仰角為4.3°，5.3°和6.2°時(shí)是探測(cè)TBSS的合適探測(cè)仰角。

TBSS的譜寬值（Spectrum Width， SW）最大可達(dá)到13m/s以上，在SW上特征明顯，即使TBSS和降水回波混合，也能清楚的識(shí)別。

TBSS的反射率強(qiáng)度（周邊沒有降水物回波時(shí)），據(jù)統(tǒng)計(jì)不超過25dBz，一般為20dBz。故TBSS頭前部L處的反射率強(qiáng)度大于20dBz，之后隨舉例衰減，直到5dBz時(shí)被雷達(dá)噪聲所覆蓋[2]。

2三體散射數(shù)據(jù)識(shí)別

以反射率因子數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)三體散射（TBSS）特征，尋找滿足TBSS特征的數(shù)據(jù)。

2.1 反射核位置區(qū)域的確定

雷達(dá)在以不同的仰角，方位角從0°～360°（正北為0°，順時(shí)針增大）進(jìn)行掃描。每個(gè)方位角獲得不同徑向距離的反射率數(shù)據(jù)，如圖4，為某仰角時(shí)，方位角從300°到320°時(shí)，徑向距離從141km到160km范圍內(nèi)的反射率數(shù)據(jù)。反射率因子小于5dBz的均進(jìn)行去噪，等于0。為尋找反射率因子≥60dBz的連通區(qū)域，逐角度（逐行）尋找≥60dBz的單元，并逐一記錄此類單元對(duì)應(yīng)的方位角θ和徑向距離r。如果一行中幾個(gè)單元連續(xù)≥60dBz，則這幾個(gè)單元形成一個(gè)連通區(qū)域。該行中有不連續(xù)的≥60dBz單元存在，則暫記為多個(gè)連通區(qū)域。同理下一行繼續(xù)尋找滿足條件單元，如果該行連續(xù)出現(xiàn)≥60dBz單元，則形成新連通區(qū)域，并和已有連通區(qū)域中的徑向距離r作比較，如果兩個(gè)連通區(qū)域中有相同r，則這兩個(gè)連通區(qū)域合并為一個(gè)連通區(qū)域[3]。

2.2 反射核心區(qū)域“中心”的確立

依上述方法可從某仰角的反射率因子數(shù)據(jù)中尋中若干≥60dBz的核心區(qū)域。選其中一個(gè)核心區(qū)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集如包含n個(gè)單元，每個(gè)單元有各自的坐標(biāo)（方位角θi和徑向距離ri）以及反射率因子Pi。以此數(shù)據(jù)集根據(jù)公式（4）便可求出該反射率核心的“中心”位置（r，θ）[4]。

2.3 TBSS特征數(shù)據(jù)的辨識(shí)方法

求得的反射率因子核心區(qū)域中心坐標(biāo)（r，θ）后，將r值以及該反射率因子回波所對(duì)應(yīng)的仰角α代入公式（2），可求出反射率核心區(qū)所在的高度h（h值取整數(shù)），則TBSS的位置即在該方位角θ上r+h處開始，并向后延伸。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，若TBSS不和云雨反射率數(shù)據(jù)混合時(shí)，則最長(zhǎng)可達(dá)24km，而雷達(dá)分辨率為1km，即，TBSS在方位角θ上從r+h處開始向后延伸23個(gè)徑向距離數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。而TBSS的寬度（方位角）范圍定義為該核心區(qū)域數(shù)據(jù)集中最大方位角和最小方位角之間（θmin～θmax）。該區(qū)域中最大方位角θmax=310.8°，最小方位角θmin=308.8°。圖中綠框單元是依據(jù)公式（4）計(jì)算得到的中心位置，其對(duì)應(yīng)的方位角和徑向距離分別為θ=309.8°和r=146km，計(jì)算得到TBSS的起始徑向距離為r+h=150km處，而根據(jù)核心區(qū)的θmin、θmax值可得到TBSS的范圍。根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)資料顯示，TBSS可能發(fā)生斷裂現(xiàn)象（中間部分反射率因子小于5dBz），而采用上述方法，即使TBSS發(fā)生斷裂現(xiàn)象，也不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，即，該方法容錯(cuò)率比較優(yōu)異[5]。

3實(shí)測(cè)與分析

標(biāo)記好的TBSS以及反射率核心區(qū)域。根據(jù)本文所述方法，結(jié)合福建、安徽、天津的10次強(qiáng)對(duì)流事件進(jìn)行實(shí)測(cè)，從仰角范圍從0.5°到6°等6種角度反射率數(shù)據(jù)，136個(gè)未和降水物回波混合的TBSS中135個(gè)被識(shí)別出（同一反射核心區(qū)不同仰角都有TBSS存在），1例未被識(shí)別出是高仰角時(shí)TBSS處反射率因子數(shù)據(jù)與同徑向距離θmin–1和θmax+1兩個(gè)單元格的數(shù)值差別不明顯，且24個(gè)徑向數(shù)據(jù)中僅有4個(gè)徑向距離有反射率因子數(shù)據(jù)，從反射率因子圖像上看，TBSS的特征就是很短且粗。即，對(duì)于TBSS未和降水物回波混合時(shí)的識(shí)別率達(dá)到99.2%，未被識(shí)別出的TBSS可以從其他仰角反射率因子對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)中識(shí)別出，以彌補(bǔ)此處的遺漏。更改測(cè)試方法中的A值和差值D，如果A值范圍擴(kuò)大，D值變大，都會(huì)使誤警率FAR（false alarm rate）升高;降低A值和差值D，漏報(bào)率RMR（rate of missing rate）反而升高[6]。

4結(jié)束語

根據(jù)本文的方法，計(jì)算量很小，計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)TBSS，為替代低效、經(jīng)驗(yàn)的人工識(shí)別提供了一個(gè)科學(xué)、準(zhǔn)確、快速的自動(dòng)識(shí)別方法;為提前預(yù)報(bào)強(qiáng)冰雹天氣，盡量減少經(jīng)濟(jì)損失做出一定貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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