新疆C波段多普勒雷達(dá)地物回波識別方法應(yīng)用研究

劉軍建 ，琚陳相 *，買買提艾力·買買提依明 ，范水勇 ，安大維

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊830002；3.北京城市氣象研究院，北京100089；4.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

氣象災(zāi)害是自然災(zāi)害中最為頻繁而又嚴(yán)重的災(zāi)害。中國是世界上自然災(zāi)害頻發(fā)、災(zāi)害種類甚多的國家之一。其中，干旱、洪澇、臺風(fēng)以及中小尺度對流性災(zāi)害系統(tǒng)帶來的暴雨，大風(fēng)，冰雹，以及由此引發(fā)的泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，嚴(yán)重危及到人民生命和財產(chǎn)安全[1]。對流性天氣災(zāi)害系統(tǒng)機(jī)理復(fù)雜、發(fā)生周期短、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其成為僅次于干旱災(zāi)害的第二大災(zāi)害性天氣系統(tǒng)[2]。多普勒天氣雷達(dá)是目前探測中小尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)的主要非常規(guī)觀測手段，其具備高的時空分辨率（時間分辨率為6 min一次體積掃描，空間分辨率為150～1000 m），相較于常規(guī)地面觀測以及氣象衛(wèi)星觀測等具有顯著優(yōu)勢。因此，多普勒天氣雷達(dá)觀測被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報、災(zāi)害監(jiān)測[3]、預(yù)警保障、定量降水估計[4]、數(shù)值模式同化[5]等研究中。

我國從1998年開始建設(shè)中國新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)?？紤]不同天氣區(qū)域?qū)μ鞖饫走_(dá)監(jiān)測的不同需求以及降水對無線電波的衰減影響，業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)選用S波段（10 cm）和C波段（5 cm）。我國沿海降水多且強(qiáng)度大的地區(qū)布設(shè)S波段雷達(dá)（SA、SB、SC），強(qiáng)對流天氣發(fā)生和活動頻繁且經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的中西部地區(qū)布設(shè) C 波段雷達(dá)（CC、CB、CD、CCJ）。 多普勒天氣雷達(dá)探測到信息包括反射率因子、徑向速度和譜寬3個變量。其中，天氣雷達(dá)所探測到的反射率因子除了降水粒子后向散射產(chǎn)生的降水回波，還包括太陽輻射、昆蟲（鳥）、地物以及超折射條件下地物產(chǎn)生的非降水回波，因此多普勒雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制優(yōu)劣是能否正確分析應(yīng)用雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的重要前提。對于雷達(dá)反射率因子的質(zhì)量控制方法主要可以分為3類。第一類是基于模糊邏輯的雷達(dá)回波分類算法[6]。其基本思路是輸入雷達(dá)觀測的三個變量：反射率因子、徑向速度和譜寬，經(jīng)過模糊邏輯技術(shù)處理對回波進(jìn)行分類。這種方法可以分別對超折射回波、降水回波、昆蟲等晴空回波進(jìn)行識別。當(dāng)?shù)匚镫s波與降水回波同時存在時，這種方法很難進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。美國新一代雙偏振天氣雷達(dá)在氣象探測業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用，使得基于雙偏振觀測量的模糊邏輯質(zhì)量控制方法能夠更好地區(qū)分降水回波和非降水回波[7-10]。第二類是基于降水回波和非降水回波具有不同的水平和垂直回波結(jié)構(gòu)提出的質(zhì)量控制方法[11]。該算法使用回波頂高、回波水平變化率、回波強(qiáng)度垂直梯度等參數(shù)來判斷。該方法主要對超折射回波進(jìn)行剔除，對于混合在降水回波內(nèi)的超折射回波，去除后需要利用上層仰角進(jìn)行填補(bǔ)?；谕瑯拥脑矶岢龅氖褂盟交夭◤?qiáng)度結(jié)構(gòu)和垂直回波強(qiáng)度差等參數(shù)的回波判別方法[12]。經(jīng)過大量試驗表明，該算法有利于識別地物雜波、晴空下鳥群回波和昆蟲回波等非降水回波。第三類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的天氣雷達(dá)質(zhì)量控制方法[13]。該方法用到了較多的判別參量，如前人質(zhì)量控制方法所用到的最低仰角和第二層仰角上回波點(diǎn)強(qiáng)度、速度、譜寬等局部均值、方差等，另外還采用了最強(qiáng)回波及其所在高度、回波強(qiáng)度權(quán)重平均值等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地識別回波，缺點(diǎn)是由于需要計算的特征量很多，需要花費(fèi)較長時間。

國內(nèi)學(xué)者針對多普勒雷達(dá)質(zhì)量控制方法也進(jìn)行了許多探索和研究。例如：基于水平和垂直回波結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制算法[14]；利用模糊邏輯算法的地物回波識別算法[15-16]；基于天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度和速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測方法[17]；適合C波段多普勒天氣雷達(dá)的地物識別MCC方法[18]；基于雷達(dá)變分同化系統(tǒng)（Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS）的雷達(dá)徑向速度退模糊方法[19]等。

針對新疆地區(qū)特殊的地理位置及氣候降水特征等因素，采用了C波段（CINRAD/CC）雷達(dá)布網(wǎng)。新疆特殊的地形導(dǎo)致雷達(dá)站周圍常常有山脈阻擋，造成雷達(dá)地物回波、波束衰減等質(zhì)量問題。因此，無論是天氣預(yù)報中的實(shí)時天氣監(jiān)測還是在數(shù)值模式中的雷達(dá)資料同化，新疆地區(qū)C波段雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是其能否正確應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文利用回波紋理變化TDBZ[6]以及徑向速度參數(shù)，探索于新疆地區(qū)CINRAD/CC雷達(dá)地物回波識別方法適用性研究，為新疆C波段雷達(dá)在災(zāi)害性天氣分析、定量降水估計及數(shù)值模式同化等研究提供一定基礎(chǔ)。

1 新疆C波段多普勒雷達(dá)

新疆地區(qū)目前擁有12部雷達(dá)，其中業(yè)務(wù)雷達(dá)8部，兵團(tuán)雷達(dá)4部，均為CINRAD/CC雷達(dá)。雷達(dá)波長5 cm，探測距離步長300 m，探測范圍150 km。雷達(dá)在不同季節(jié)需要采用不同體掃方式，本文研究選取個例均在夏季，夏季采用14個仰角掃描，分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、5.3°、6.7°、7.5°、8.7°、10.0°、12.0°、14.0°、16.7°、19.5°[20]。

新疆地形復(fù)雜，雷達(dá)站周圍常有山脈遮擋，本文選取兩部典型區(qū)域雷達(dá)站：北疆伊寧雷達(dá)和南疆喀什雷達(dá)開展研究。兩部雷達(dá)站相對于雷達(dá)天線的地形高度分布如圖1所示，圖中圓圈點(diǎn)畫線由內(nèi)往外為50、100、150 km探測半徑。從圖1a和圖1b中可以看出，伊寧雷達(dá)位于天山南北山脈所夾的伊犁河谷地區(qū)，山脈最高高度＞2500 m；喀什雷達(dá)位于南疆西部昆侖山北坡，最大地形高度＞4000 m?？紤]地球曲率影響，計算兩部雷達(dá)探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角上每個距離庫的海拔高度，對比3 km分辨率地形高度數(shù)據(jù)，得到探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角地形遮擋區(qū)域（圖1c，1d）。圖中外層閉合曲線為0.5°仰角遮擋區(qū)域，內(nèi)層閉合曲線為1.5°仰角遮擋區(qū)域，2.4°仰角沒有地形遮擋，可能與使用的地形高度數(shù)據(jù)的分辨率較粗有關(guān)，無法得到更精細(xì)的遮擋信息?？梢钥闯?，兩部雷達(dá)低仰角掃描時均存在大量山脈遮擋，會造成地物回波。

2 地物回波識別原理與方法

降水回波與非降水地物回波在雷達(dá)反射率三維空間結(jié)構(gòu)中在水平、垂直伸展方向上的變化以及徑向速度有所不同[21]。通過水平伸展方向回波紋理變化TDBZ以及徑向速度參數(shù)處理反射率因子，識別地物回波進(jìn)行剔除。為了減少孤立點(diǎn)噪聲影響，首先進(jìn)行孤立點(diǎn)去除。

孤立點(diǎn)計算公式為：

其中，N代表以計算點(diǎn)為中心的5（方位角）×5（距離庫）個像素內(nèi)的所有反射率因子為非缺省值個數(shù)，Ntotal（=25）代表所有像素個數(shù)，如果Px小于75%，則將此點(diǎn)記為孤立點(diǎn)而去除。

TDBZ計算公式為：

圖1 雷達(dá)附近相對于雷達(dá)天線地形高度（a、b）和地形遮擋區(qū)域（c、d）（a、c為伊寧雷達(dá)，b、d為喀什雷達(dá)）

圖2 晴空條件下，伊寧雷達(dá)0.5°仰角雷達(dá)反射率因子（a）和TDBZ分布（b）

其中i、j代表在不同方位角和距離庫方向上像素點(diǎn)的位置，Nbeams、Ngates代表方位角和距離庫個數(shù)，均設(shè)置為7，計算像素點(diǎn)與同一錐面上7×7像素點(diǎn)反射率因子方差的均值來描述反射率因子水平紋理變化。以伊寧雷達(dá)站為例，圖2b中計算每個像素點(diǎn)上反射率因子的TDBZ值，如果TDBZ值超過25.0，認(rèn)為該像素點(diǎn)上雷達(dá)反射率因子在水平上存在嚴(yán)重不連續(xù)性，將此點(diǎn)標(biāo)記為地物回波而剔除。

晴空條件下，以伊寧雷達(dá)站為例，圖3a，3b徑向速度主要集中在-0.5～0.5 m/s。考慮到地物回波像素點(diǎn)上徑向速度一般比較小，本文將徑向速度-0.5～0.5 m/s的像素點(diǎn)記作地物回波，圖3a中徑向速度較小值與圖2b中TDBZ值超過25.0的分布有較好的一致性。

3 典型天氣條件下的雷達(dá)地物回波識別分析

雷達(dá)基數(shù)數(shù)據(jù)在孤立點(diǎn)去除的基礎(chǔ)上，基于TDBZ以及徑向速度作為參數(shù)進(jìn)行地物回波的識別，選擇兩種典型天氣（晴空天氣、降水天氣）來驗證方法的有效性。新疆地廣人稀，地基常規(guī)觀測站點(diǎn)空間覆蓋率極低，靜止衛(wèi)星產(chǎn)品最適于實(shí)時反映大范圍的天氣氣候特征，考慮到靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)對衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量的影響，本文選擇靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)最接近新疆區(qū)域的FY-2H衛(wèi)星。FY-2H是我國自主研制的第六顆靜止衛(wèi)星，可提供每隔0.5 h一次觀測數(shù)據(jù)，為中亞國家和地區(qū)提供良好的觀測視角和高頻次區(qū)域觀測，因此利用FY-2H云總量產(chǎn)品輔助驗證雷達(dá)地物回波識別效果非常適合且很有必要。

圖3 晴空條件下，伊寧雷達(dá)0.5°仰角徑向速度空間分布（a）和頻次（b）

圖4 晴空條件下，伊寧雷達(dá)0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達(dá)反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

3.1 晴空天氣條件下雷達(dá)地物回波識別分析

2019年07月02 日08時01分UTC時次晴空天氣條件下伊寧雷達(dá)地物回波剔除前后對比如圖4所示，橢圓圈區(qū)域代表識別地物回波較多區(qū)域，矩形區(qū)域代表地物回波識別較少區(qū)域。選擇與雷達(dá)觀測時次最接近的FY-2H總云量分布對比（圖5a），總云量較多的地方，主要集中在高海拔區(qū)域，與大地形走向一致，由于地形遮擋區(qū)域的計算也是跟海拔高度有關(guān)，可以看出，大部分地形遮擋區(qū)域有較多的云存在。圖4a中0.5°仰角、0～50 km范圍內(nèi)，能夠識別因地物遮擋導(dǎo)致的大部分地物回波，尤其雷達(dá)西北至東北方向以及西南至東南方向橢圓圈區(qū)域的地物回波。圖4b中50～100 km范圍內(nèi)，東北方向矩形區(qū)域云量較少，且沒有地形遮擋，未能有效識別，圖4d中1.5°仰角也是如此。100～150 km范圍內(nèi)，剔除地物回波后，與總云量分布有較好的一致性。隨著仰角的抬升，雷達(dá)受地物影響越小，地物回波剔除越有效。圖4c中1.5°仰角，對比總云量信息分布與范圍，橢圓圈區(qū)域可能主要受地形遮擋影響。總體來講，地物回波識別有一定的效果。

2019年7月2 日8時01分UTC時次晴空天氣條件下，喀什雷達(dá)地物回波識別分析，喀什雷達(dá)探測范圍內(nèi)地形相比與伊寧雷達(dá)更加復(fù)雜，相對于雷達(dá)天線的地形高度更高，受地物影響更大，如圖5所示。從FY-2H總云量分布圖6b看出，總云量較多的地方，同樣主要分布在高海拔區(qū)域圖5a中0.5°仰角、0～50 km范圍內(nèi)，能夠識別因地物遮擋導(dǎo)致的大部分地物回波，橢圓圈區(qū)域尤其明顯，雷達(dá)站中附近0～10 km地物回波能很好地識別。圖5b中50～100 km范圍內(nèi)，西南方向矩形區(qū)域云量較少，且沒有地形遮擋，未能有效識別。圖5d中1.5°仰角矩形區(qū)域，對比總云量信息分布與范圍，與總云量大值區(qū)和結(jié)構(gòu)有較好的一致性。圖5e中橢圓圈區(qū)域有一定云量信息，剔除了大部分回波信息，需要使用更精細(xì)的地形高數(shù)據(jù)計算遮擋區(qū)域并進(jìn)行比對。

3.2 降水天氣條件下雷達(dá)地物回波識別分析

2019年8月17 日14時02分UTC時次降水天氣條件下，伊寧雷達(dá)地物回波識別分析，驗證在降水條件下是否會對降水回波進(jìn)行誤判，錯誤地剔除降水回波。圖7a中0.5°仰角，橢圓圈區(qū)域的地物回波與晴空條件下一致，能夠有效剔除。圖7c中1.5°仰角，雷達(dá)南部橢圓圈區(qū)域的地物回波能夠有效識別，同時圖7d中未對降水回波進(jìn)行誤判，保留有效降水回波。圖7e中同樣剔除了晴空條件下存在的地物回波，并且保留了降水回波。

圖5 晴空條件下喀什雷達(dá)0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達(dá)反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

圖6 2019年07月02日08時00分UTC伊寧雷達(dá)（a）與喀什雷達(dá)（b）附近FY-2H總云量

圖7 降水條件下伊寧雷達(dá)0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達(dá)反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

4 結(jié)論

本文介紹了新疆C波段多普勒雷達(dá)反射率因子地物回波的識別方法，利用3 km分辨率地形高度數(shù)據(jù)計算雷達(dá)探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角地形遮擋區(qū)域與FY-2H總云量信息作為分析指導(dǎo)的依據(jù)，針對不同天氣條件，對新疆伊寧、喀什兩部雷達(dá)的低層仰角地物回波識別效果進(jìn)行定性分析，結(jié)果表明：

（1）基于TDBZ以及徑向速度作為參數(shù)的地物識別方法在晴空、降水天氣條件下，都能有效識別地物回波。

（2）在晴空天氣條件下，該方法能夠有效識別距離雷達(dá)站較近的地物回波，0.5°仰角影響最大，識別效果最好；同時對不同仰角層因地形遮擋引起的地物回波也能有效識別。

（3）在降水天氣條件下，仍然能夠有效識別距離雷達(dá)站較近以及因地形遮擋引起的地物回波，且未對降水回波造成誤判，保留降水回波信息。

從定性角度分析，本方法雖然對地物回波的識別方法有一定效果，但仍有部分受地物遮擋引起地物回波未被去除，需要進(jìn)一步開展定量評估。高分辨率的地形數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星產(chǎn)品對雷達(dá)地物回波的識別有一定指導(dǎo)意義，可作為判定因子進(jìn)一步改進(jìn)雷達(dá)地物回波識別方法。