移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及偏差訂正*

張 林 李 峰 馮婉悅 劉新安

1 中國氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081 2 新疆維吾爾自治區(qū)氣象技術(shù)裝備保障中心，烏魯木齊 830002 3 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 211106

提 要： 2019年8月，中國電子科技集團(tuán)第十四研究所南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司研制的GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)在江蘇大豐進(jìn)行外場(chǎng)觀測(cè)。根據(jù)該雷達(dá)外場(chǎng)觀測(cè)資料，聯(lián)合鹽城新一代SA天氣雷達(dá)和江蘇省6個(gè)雨量站資料，對(duì)移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)做數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。結(jié)果表明，針對(duì)同一次降水過程而言，距離越遠(yuǎn)，衰減越大。為了降低衰減造成的觀測(cè)誤差，首先利用信噪比對(duì)差分反射率Zdr、零滯后相關(guān)系數(shù)ρhv(0)進(jìn)行偏差訂正，提高Zdr和ρhv(0)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，以便進(jìn)行地雜波、生物回波等非降水回波過濾。然后應(yīng)用去抖動(dòng)濾波后的差分傳播相移率Kdp或總差分傳播相位φdp表達(dá)在雨中距離雷達(dá)R處的總雙向反射率因子衰減訂正值。數(shù)據(jù)分析表明，訂正后移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了提高。

引 言

雙線偏振雷達(dá)是指可以發(fā)射水平和垂直偏振狀態(tài)電磁波的雷達(dá)系統(tǒng)。它可以通過探測(cè)到的原始數(shù)據(jù)反演出一些新的物理量，如差分反射率因子Zdr、差分傳播相位φdp、差分傳播相移率Kdp、零滯后相關(guān)系數(shù)ρhv(0)等偏振參數(shù)。使用這些新物理量，可以提高測(cè)雨精度和識(shí)別冰雹的準(zhǔn)確率，了解一定區(qū)域內(nèi)降水粒子相態(tài)與形狀，確定雨滴譜參數(shù)等，以及對(duì)非球形的云雨等降水粒子群的探測(cè)也都具有實(shí)際意義(張培昌等，2018)。

目前，美國已全面完成158部布網(wǎng)S波段雷達(dá)(WSR-88D)雙線偏振雷達(dá)升級(jí)和業(yè)務(wù)化應(yīng)用。我國也正在加快推進(jìn)雙線偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)化發(fā)展進(jìn)程，廣東全省雷達(dá)和江蘇省部分雷達(dá)已率先完成了S波段WSR-98D雙線偏振雷達(dá)升級(jí)和業(yè)務(wù)化(張林等，2018)。

關(guān)于雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，王超等(2019)分析了北京市氣象局和佛山市氣象局的X波段雙線偏振雷達(dá)資料，統(tǒng)計(jì)偏振測(cè)量參數(shù)的變化規(guī)律，從而分析了地物、避雷針和旋轉(zhuǎn)及俯仰關(guān)節(jié)等對(duì)雙偏振參量測(cè)量精度的問題，并提出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制方法。杜牧云等(2013)分析了升級(jí)改造前后的C波段雙線偏振雷達(dá)資料，指出信噪比小于25 dB時(shí)，Zdr和ρhv(0) 受噪聲影響存在明顯測(cè)量誤差。張志強(qiáng)和劉黎平(2011)、吳翀等(2014)分析提出了基于不同地理位置、不同分辨率的雷達(dá)反射率因子匹配方法和觀測(cè)資料的定量對(duì)比方法。張林等(2018)通過時(shí)間、空間一致性匹配，將相鄰兩部雷達(dá)重疊區(qū)資料進(jìn)行定量對(duì)比分析。本文用新一代SA天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)和自動(dòng)雨量站資料與X波段雙線偏振雷達(dá)定量對(duì)比分析，結(jié)果表明X波段雙線偏振雷達(dá)信號(hào)衰減為影響其觀測(cè)誤差的重要因素。

針對(duì)X波段雙線偏振雷達(dá)信號(hào)衰減問題，國內(nèi)學(xué)者也開展了大量的研究工作，胡志群等(2012)采用Zh-Kdp綜合訂正法進(jìn)行衰減訂正并評(píng)估其對(duì)降水估測(cè)的影響。王晗等(2016)對(duì)比分析了Kdp訂正法、Zh訂正法和ZPHI降水廓線訂正法在X波段雙線偏振雷達(dá)衰減訂正中的使用效果，結(jié)果表明，Kdp訂正法和ZPHI訂正法的訂正效果比較好，優(yōu)于Zh訂正法。畢永恒等(2012)采用自適應(yīng)約束算法對(duì)X波段雷達(dá)進(jìn)行衰減訂正，分析表明當(dāng)存在較大范圍降水時(shí)，訂正后的效果顯著優(yōu)于訂正前，能提高降水估測(cè)精度。

關(guān)于雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)研發(fā)了美國業(yè)務(wù)雙線偏振雷達(dá)(WSR-88D)非降水回波識(shí)別算法，并應(yīng)用于定量估測(cè)降水業(yè)務(wù)中(Tang et al,2014)。張林等(2018)針對(duì)中國上海南匯S波段WSR-88D雙線偏振雷達(dá)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程。朱軼明等(2019)研究了上海WSR-88D雙線偏振生物回波識(shí)別算法。肖艷姣等(2012)針對(duì)移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，提出了一套差分傳播相位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法，用來識(shí)別和消除差分傳播相位數(shù)據(jù)中的地物雜波、退折疊的相位和濾除正常的隨機(jī)差分相位波動(dòng)。杜牧云等(2012)處理C波段雙線偏振雷達(dá)資料，根據(jù)信噪比和相關(guān)系數(shù)將差分傳播相位資料分為較好、較差和差這三類分別處理，提高差分傳播相位數(shù)據(jù)質(zhì)量。差分傳播相移率Kdp是雷達(dá)波束穿過雨區(qū)時(shí)，單位距離內(nèi)水平與垂直偏振方向相位差引起的，與雨區(qū)衰減無關(guān)，普遍用于短波長雙線偏振雷達(dá)型號(hào)衰減訂正上。而Kdp訂正法的前提是數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。原始資料中可能存在地雜波等非降水回波，雖然ρhv(0)和Zdr是消除非降水回波的有效偏振參量(Tang et al,2014；張林和楊洪平，2018)，但兩者在信噪比較小時(shí)容易產(chǎn)生測(cè)量偏差，因此需要在衰減訂正前對(duì)偏振測(cè)量參數(shù)進(jìn)行偏差訂正。

2008年12月國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“龍卷風(fēng)探測(cè)雷達(dá)研制及業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究”項(xiàng)目落地，項(xiàng)目計(jì)劃在龍卷風(fēng)災(zāi)害風(fēng)易發(fā)區(qū)江蘇省大豐、高郵等多個(gè)地區(qū)布設(shè)多波段多體制雷達(dá)(包括移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)、C波段相控陣?yán)走_(dá)等)，開展外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，捕捉龍卷、強(qiáng)對(duì)流天氣，利用高分辨率的觀測(cè)資料分析龍卷精細(xì)化結(jié)構(gòu)及演變特征。本文分析和處理2019年8月在龍卷風(fēng)觀測(cè)區(qū)域開展試驗(yàn)的GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)資料，利用Kdp表達(dá)在雨中任意距離的水平反射率因子衰減訂正值。為龍卷風(fēng)觀測(cè)區(qū)域多部雷達(dá)組網(wǎng)拼圖、研究分析龍卷精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變特征奠定基礎(chǔ)。

1 GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)和外場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 性能參數(shù)

表1列出了GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)主要性能指標(biāo)， 在本次觀測(cè)過程中，采用的是單發(fā)雙收的極化方式，距離庫長為60 m，距離范圍為75 km。

表1 GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)主要性能參數(shù)Table 1 The main parameters of GLC-12A mobile X band dual polarization weather radar

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地和位置

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“龍卷風(fēng)探測(cè)雷達(dá)研制及業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究”第二課題“龍卷探測(cè)雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)及自適應(yīng)協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)”負(fù)責(zé)外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。為盡快取得龍卷、強(qiáng)對(duì)流觀測(cè)資料，由江蘇省氣象局聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)第十四研究所南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，于2019年8月在江蘇省大豐市進(jìn)行外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。圖1a為GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)樣機(jī)。雷達(dá)架設(shè)在一棟樓頂上(圖1b)。圖1c為高德地圖上顯示該X波段雙偏振雷達(dá)、鹽城新一代SA天氣雷達(dá)和江蘇省7個(gè)自動(dòng)雨量站(大豐、鹽城、東臺(tái)、射陽、建湖、興化、阜寧)位置示意圖。

圖1 GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)外場(chǎng)試驗(yàn)(a)雷達(dá)樣機(jī),(b)架設(shè)位置，(c)位置關(guān)系(黃點(diǎn)為雷達(dá)位置，紅點(diǎn)為雨量站位置)Fig.1 Field Test of GLC-12A mobile X-band dual-polarization weather radar (a) radar hardware, (b) positon, (c) positional relation in Gaode Map(yellow dot: postion of radar, red dot: automatic rainfall station)

根據(jù)經(jīng)緯度與雷達(dá)極坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換公式(張林和楊洪平，2018；吳翀等，2014)，將雨量站、雷達(dá)站經(jīng)緯度代入公式，計(jì)算得到每部雨量站相對(duì)于X波段雙線偏振雷達(dá)、鹽城S波段新一代天氣雷達(dá)的方位和距離，如表2所示。

表2 雨量站與雷達(dá)距離Table 2 The distance between automatic rainfall station and radar

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1 降水過程的雨量站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

阜寧雨量站距移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)為77.4 km，超出了該雷達(dá)在本次觀測(cè)過程中的最大探測(cè)距離。本文采用6個(gè)雨量站(大豐、鹽城、東臺(tái)、射陽、建湖、興化)和鹽城新一代SA天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)作為對(duì)比，分析移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2019年8月10—11日，在江蘇省發(fā)生了大面積連續(xù)性降水過程。表3給出了6個(gè)雨量站在本次過程不同降水時(shí)段的最大小時(shí)降水量。

表3 2019年8月11日強(qiáng)降水觀測(cè)過程Table 3 The heavy rainfall observed on 11 August 2019

2.2 雷達(dá)回波定性分析

選取2019年8月11日降水過程中03時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖2a為鹽城新一代SA天氣雷達(dá)觀測(cè)回波(一圈代表50 km，最大探測(cè)距離230 km)，其中紅色三角形和圓圈為移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)位置和觀測(cè)范圍，距鹽城新一代SA天氣雷達(dá)約25 km。圖2b為移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)回波(第一圈代表50 km，第二圈代表90 km，回波最遠(yuǎn)探測(cè)距離是75 km)。從圖中直觀對(duì)比可知，移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)和輪廓與新一代SA天氣雷達(dá)基本一致，所不同的是移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)的距離分辨率(60 m)更高，有利于觀測(cè)強(qiáng)對(duì)流、冰雹及龍卷等災(zāi)害天氣的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變，但新一代SA天氣雷達(dá)探測(cè)范圍廣，靈敏度更高，因此其弱回波的探測(cè)能力更強(qiáng)。

圖2 2019年8月11日03時(shí)雷達(dá)觀測(cè)回波(a)鹽城新一代SA天氣雷達(dá)0.5°仰角觀測(cè)，(b)移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)1.5°仰角觀測(cè)(紅色三角和圓圈：X波段雷達(dá)架設(shè)位置和觀測(cè)范圍)Fig.2 The radar image at 03:00 BT 11 August 2019(a) CINRAD/SA of 0.5° elevation angle in Yancheng, (b) mobile X-band dual-polarization weather radar of 1.5° elevation angle(red triangle and circle: position and observation range of X-band dual-polarization weather radar respectively)

2.3 雷達(dá)和雨量站觀測(cè)值定量分析

根據(jù)表2中雨量站在兩部雷達(dá)上的極坐標(biāo)(方位、距離)，取雨量站點(diǎn)在兩部雷達(dá)坐標(biāo)上的反射率因子觀測(cè)數(shù)據(jù)，挑選與雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間最近時(shí)次的5 min 雨量站數(shù)據(jù)做對(duì)比(兩部雷達(dá)均為6 min觀測(cè)一次)。圖3為6個(gè)雨量站數(shù)據(jù)隨時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)，其中橫軸為時(shí)間序列，主縱軸(左)為反射率因子觀測(cè)值，次縱軸(右)為5 min雨量值。

圖3 兩部雷達(dá)和6個(gè)雨量站觀測(cè)值定量分析(a)大豐，(b)鹽城，(c)東臺(tái)，(d)射陽，(e)建湖，(f)興化Fig.3 Quantitative analysis of radar and rainfall data (a) Dafeng, (b) Yancheng, (c) Dongtai, (d) Sheyang, (e) Jianhu, (f) Xinghua

求兩部雷達(dá)在雨量站處平均反射率因子(dBzSA-dBzX)，如表4所示，平均偏差隨距離增大也呈上升趨勢(shì)。由此可知，X波段雙線偏振雷達(dá)穿過雨區(qū)后受到的衰減與距離有關(guān)。針對(duì)同一次降水過程而言，距離越遠(yuǎn)，衰減越大。其中，鹽城雨量站處(距離X波段雷達(dá)25.5 km)的平均反射率因子偏差較大，可能是因?yàn)閄波段雷達(dá)觀測(cè)的反射率因子高值區(qū)(超過40 dBz)的衰減嚴(yán)重或兩者海拔高度的不一致等因素造成統(tǒng)計(jì)上存在較大的偏差。

表4 兩部雷達(dá)在雨量站位置處平均反射率因子偏差Table 5 The average reflectivity factor deviation observed by two radars at rainfall station

3 數(shù)據(jù)偏差訂正

雷達(dá)接收的回波功率Pr=Pr*+Nr，其中Pr*是氣象目標(biāo)回波功率，Nr是噪聲功率，Pr*應(yīng)等于Pr-Prmix，取dB后為10lgPr/Prmix=SNR，即信噪比(SNR)代表氣象目標(biāo)回波功率Pr*的dB值。由于接收機(jī)的噪聲電平受溫度影響會(huì)隨時(shí)間變化，故某一時(shí)刻測(cè)得的回波功率Pr中所包含的噪聲功率，不一定正好等于設(shè)定的最小可測(cè)功率Prmix，則由SNR決定的氣象目標(biāo)回波功率Pr*中，可能仍含有少量噪聲或被過多地扣除了噪聲，使SNR不能真正代表氣象目標(biāo)回波功率Pr*的dB值，即存在誤差，由它反演出的差分反射率Zdr和零滯后相關(guān)系數(shù)ρhv(0)也會(huì)有誤差。Zdr和ρhv(0)在SNR較小時(shí)的誤差變大，這種現(xiàn)象會(huì)因發(fā)射功率隨距離的增大而下降變得更加明顯(張培昌等，2018)。而Zdr和ρhv(0)均為區(qū)分降水和非降水回波的有效參量，因此需要對(duì)Zdr和ρhv(0)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲偏差訂正，為后續(xù)資料質(zhì)量控制、降水相態(tài)分類提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。

3.1 信噪比計(jì)算

本文分析的GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)沒有直接給出SNR值，故SNR通過雷達(dá)反射率因子dBzh和探測(cè)距離R間接計(jì)算得到(張培昌等，2018)：

SNR=dBzh-20lg(R)+C

(1)

式中：SNR單位為dB，R單位為km，C是常數(shù)。

如圖4所示，2019年8月11日03時(shí)為觀測(cè)時(shí)刻，經(jīng)計(jì)算得到1.5°仰角的反射率因子(圖4a)和信噪比SNR測(cè)量值(圖4b)。

3.2 零滯后相關(guān)系數(shù)ρhv(0)訂正

零滯后相關(guān)系數(shù)ρhv(0)是指當(dāng)水平和垂直偏振波同時(shí)發(fā)射與接收時(shí)，接收到回波水平偏振分量與垂直偏振分量之間的相關(guān)程度。

當(dāng)信噪比大時(shí)，屬于氣象信息的相關(guān)部分占的比例大，故兩種偏振的氣象回波信號(hào)相關(guān)性好，相關(guān)系數(shù)就高；信噪比小時(shí)，氣象信息相關(guān)部分占的比例小，相關(guān)系數(shù)就變小。從相關(guān)函數(shù)應(yīng)反映氣象目標(biāo)特性而言，這個(gè)變小就是一種誤差，必須通過信噪比的比值加以校正(張培昌等，2018)。ρhv(0)的訂正公式如下所示：

ρcor(0)=ρhv(0)×(1+1/snr)

(2)

式中:snr=100.1SNR。圖5為2019年8月11日03時(shí)1.5°仰角信噪比訂正前后的相關(guān)系數(shù)。從圖4a中可知，該時(shí)刻觀測(cè)回波均為降水回波。圖5a中50 km之外，受信噪比下降的影響，降水回波的相關(guān)系數(shù)降低到0.7左右，經(jīng)過訂正后，恢復(fù)到0.9以上。

圖4 2019年8月11日03時(shí)1.5°仰角反射率因子(a)和信噪比計(jì)算值(b)Fig.4 Values of reflectivity (a) and SNR (b) at 1.5° elevation angle at 03:00 BT 11 August 2019

圖5 2019年8月11日03時(shí)1.5°仰角信噪比訂正前后的相關(guān)系數(shù)(a)訂正前，(b)訂正后Fig.5 The SNR correction of correlation coefficient of 1.5° elevation angle at 03:00 BT 11 August 2019(a) before correction, (b) after correction

根據(jù)S波段WSR-88D雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程(張林和楊洪平，2018)中的非降水回波識(shí)別方法，將經(jīng)過訂正后的Zdr和ρhv(0)數(shù)據(jù)作為輸入，識(shí)別和消除地物、生物等非降水回波。

3.3 差分傳播相位φdp訂正

差分傳播相位：

φdp=φhh-φvv=δ+φdp

(3)

式中：φhh和φvv分別表示水平及垂直偏振發(fā)射波通過相同長度的一個(gè)降水區(qū)后，散射回天線處的相位值；δ為由于散射造成的雙程差分后向散射相移；φdp為前向傳播相位差，這里前向是指輻射源到接收體的方向，故粒子散射波射向天線也屬于這種情況，它也是由于水平及垂直偏振波經(jīng)過非球形粒子組成的降水區(qū)時(shí)造成的。

差分傳播相位φdp是傳播過程中非球形降水粒子對(duì)水平及垂直偏振波的傳播相位變化不同而引起的，故φdp值的大小既與粒子形狀、相態(tài)、取向有關(guān)，也與通過降水區(qū)的長度有關(guān)。φdp的大小能反映降水粒子的狀況，其值隨雨區(qū)增大而變大，當(dāng)通過百千米以上的非球形雨區(qū)時(shí)，φdp值可達(dá)上百度(張培昌等，2018)。

φdp的準(zhǔn)確與否，直接影響差分傳播相移率Kdp的估計(jì)，在反射率因子Zh和差分反射率因子Zdr的衰減訂正中，都要使用準(zhǔn)確的φdp，因此需要對(duì)φdp數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，包括去折疊、抖動(dòng)和濾波處理。

相位折疊是指當(dāng)遇到大范圍強(qiáng)降水時(shí)，降水回波遠(yuǎn)端的φdp可能會(huì)大于最大可測(cè)值而引起的折疊。肖艷姣等(2012)利用模糊邏輯區(qū)分地雜波和降水后，然后再看是否要對(duì)φdp值退折疊。本文選擇將反射率因子和信噪比訂正后的相關(guān)系數(shù)及差分反射率因子作為輸入，進(jìn)入雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程消除地物、生物回波等雜波(張林和楊洪平，2018)，然后根據(jù)徑向連續(xù)性檢查對(duì)φdp退折疊處理(張培昌等，2018)。

設(shè)徑向上相鄰兩個(gè)非雜波點(diǎn)的有效差分傳播相位為φdp(i-1)、φdp(i)，若φdp(i-1)-φdp(i)≥140°，那么φdp(i)就被認(rèn)為是折疊的，對(duì)其值加上180°(最大、最小可測(cè)量值之間的間隔)就完成了退折疊。

因?yàn)楹笙蛏⑸湎嘁埔约霸肼?、地物及旁瓣等因素，引起φdp的值顯著抖動(dòng)。對(duì)φdp濾波的基本思路是，對(duì)偏離φdp平均趨勢(shì)較大的值，本文通過比較每個(gè)φdp點(diǎn)與其鄰近方位和距離庫的窗口(可選5×5或9×9)上的φdp值，偏差較大者進(jìn)行濾波處理。對(duì)顯著抖動(dòng)的φdp值進(jìn)行濾波方法是，首先沿徑向?qū)ν苏郫B后的φdp進(jìn)行4 km窗口的滑動(dòng)平均，然后比較退折疊后的每個(gè)庫中的φdp和其滑動(dòng)平均值，如果二者的絕對(duì)差大于給定的閾值(本文取10°)，那么就用滑動(dòng)平均值取代該距離庫的φdp值。2019年8月11日03時(shí)觀測(cè)時(shí)刻，0.5°仰角上φdp去抖動(dòng)和濾波處理前后圖像(圖6)，紅色圈內(nèi)顯示，濾波后的圖像剔除了一些φdp抖動(dòng)點(diǎn)。圖7為該時(shí)刻239°方位上的φdp隨距離的變化曲線，經(jīng)過濾波后，該方位上消除了一些折疊或抖動(dòng)的異常值。

圖6 2019年8月11日03時(shí)1.5°仰角差分傳播相位φdp去抖動(dòng)和濾波處理(紅色圈內(nèi)存在一些抖動(dòng)點(diǎn))(a)濾波前，(b)濾波后Fig.6 The de-jitter and filter processing of differential propagation phase at 1.5° elevation angle at 03:00 BT 11 August 2019(a) before filtering, (b) after filtering(The red cicle indicates the presence of some wobble points)

圖7 2019年8月11日03時(shí)1.5°仰角差分傳播相位φdp(239°方位)隨距離變化曲線(a)濾波前，(b)濾波后Fig.7 Variation curve of differential propagation phase (239° azimuth) at 1.5° elevation angle with distance at 03:00 BT 11 August 2019(a) before filtering, (b) after filtering

3.4 衰減訂正

Bringi and Chandrasekar(2010)通過散射的數(shù)值模擬表明：衰減率Ah和差分衰減率Adp=Ah-Av(Ah、Av分別為水平和垂直偏振波在降水區(qū)中的衰減率，單位：dB·km-1)與差分傳播相移率Kdp之間基本上為線性關(guān)系。因此，可利用Kdp或總差分傳播相位φdp來表達(dá)在雨中距離雷達(dá)R處的總雙向水平反射率因子衰減訂正值ΔZh(R)和差分反射率因子的差分衰減訂正ΔZdr(R)，其表達(dá)式如下：

ΔZh(R)=2α1·ΔR∑Kdp(i)=α1[φ(R)-φ(0)]

(4)

式中：i=0,1,2，…，N；∑為求i所有對(duì)應(yīng)的Kdp之和。

ΔZdr(R)=2α2·ΔR∑Kdp(i)=α2[φ(R) -φ(0)]

(5)

式中：i=0,1,2，…，N；∑為求i所有對(duì)應(yīng)的Kdp之和。

式(4)和式(5)中：N為雷達(dá)到距離R處的總探測(cè)庫數(shù)；ΔR為庫長(單位：km)，系數(shù)α1和α2依賴于雨滴橢球率。對(duì)于X波段雙線偏振雷達(dá)而言，可取α1=0.25 dB·(°)-1，α2=0.033 dB·(°)-1(Matrosov et al，2002；張培昌等，2018)。φ(0)為沿徑向的初始差分傳播相位，由于離雷達(dá)2 km內(nèi)差分傳播相位受地物雜波和旁瓣等因素影響造成觀測(cè)值不穩(wěn)定，因此通過沿徑向?qū)ふ? km以外的一段距離，要求在該段距離上自第一個(gè)1 km開始連續(xù)向下，其φdp(經(jīng)過去抖動(dòng)和濾波處理后)在該段上的相關(guān)系數(shù)(經(jīng)過訂正后)都大于0.9，而且φdp在該段上的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10°(即取φdp波動(dòng)小的一段)，當(dāng)選到這樣一段距離后，就取該段上的所有φdp的平均值，作為初始相位φ(0)。

采用式(4)和式(5)對(duì)反射率因子和差分反射率因子(經(jīng)過信噪比訂正后)進(jìn)行衰減訂正(圖8和圖9)。圖8為反射率因子衰減訂正效果，1.5°仰角反射率因子觀測(cè)數(shù)據(jù)在方位300°附近存在缺測(cè)值，經(jīng)過衰減訂正后，采用2.5°仰角訂正后的值補(bǔ)充1.5°仰角層上的缺測(cè)值。

圖8 2019年8月11日03時(shí)衰減訂正前后的1.5°仰角反射率因子(紅色圓圈表示訂正前后效果明顯)(a)訂正前，(b)訂正后Fig.8 Reflectivity factor of before and after attenuation correction at 1.5° elevation angle at 03:00 BT 11 August 2019(a) before correction, (b) after correction(The red cicles indicate that the improvement effect is obvious before and after the revision)

圖9 同圖8，但為差分反射率因子Fig.9 Same as Fig.8, but for differential reflectivity factor

3.5 兩部雷達(dá)觀測(cè)定量對(duì)比

關(guān)于如何將兩部不同地理位置、不同分辨率的雷達(dá)反射率因子進(jìn)行匹配后定量對(duì)比，可采用雷達(dá)極坐標(biāo)與經(jīng)緯度坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式(張林和楊洪平，2018；吳翀等，2014)，首先將新一代SA天氣雷達(dá)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)為經(jīng)緯度坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換為X波段雙線偏振雷達(dá)的極坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)新一代SA天氣雷達(dá)極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為X波段雷達(dá)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后直接定量對(duì)比。

圖10是0～30和30～60 km范圍的兩部雷達(dá)衰減訂正前后觀測(cè)反射率因子數(shù)據(jù)的定量對(duì)比散點(diǎn)圖，橫軸為鹽城新一代SA天氣雷達(dá)觀測(cè)值，縱軸為X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)值。如圖所示，在弱回波區(qū)間，X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)值略大于S波段新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)值，隨著回波值的增大，S波段新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)值大于X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)值的比例逐漸變大，這種現(xiàn)象在30～60 km 區(qū)間比在0～30 km區(qū)間更明顯。

圖10 兩部雷達(dá)衰減0～30 km(a，b)、30～60 km(c，d)范圍訂正前(a，c)和訂正后(b，d)觀測(cè)反射率因子定量對(duì)比Fig.10 Quantitative comparison of reflectivity factor between two radars before attenuation correction (a, c) and after attenuation correction (b, d) in the ranges of 0-30 km (a, b) and 30-60 km (c, d)

經(jīng)過衰減訂正后，由衰減造成的觀測(cè)誤差在整體上得到了改善。表5為統(tǒng)計(jì)S波段新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)值大于X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)值所占的比例，0～30和30～60 km范圍內(nèi)在訂正前的比例分別為48.18%和71.78%。經(jīng)過衰減訂正后，該比例分別降低為42.56%和63.41%，30～60 km范圍內(nèi)的改善更為明顯。

表5 S波段新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)值大于X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)值所占比例(單位：%)Table 5 Percentages of observation value by S-band weather radar larger than that by X-band dual-polarization weather radar (unit: %)

4 結(jié)論與討論

本文首先分析了GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后利用信噪比對(duì)Zdr和ρhv(0)進(jìn)行偏差訂正，再對(duì)φdp數(shù)據(jù)做去折疊、抖動(dòng)和濾波處理，將偏差訂正后的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程，消除地物、生物回波等雜波，最終利用Kdp完成了衰減訂正。結(jié)論如下：

(1)移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)距離分辨率高，利于觀測(cè)強(qiáng)對(duì)流、冰雹和龍卷的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變，且回波結(jié)構(gòu)和輪廓與新一代SA天氣雷達(dá)基本一致；

(2)與鹽城新一代SA天氣雷達(dá)和6個(gè)雨量站數(shù)據(jù)定量對(duì)比分析，表明移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)在0～30 km僅在回波強(qiáng)度高值區(qū)存在一定的衰減，但在30 km之外衰減嚴(yán)重；

(3)利用信噪比對(duì)Zdr和ρhv(0)進(jìn)行訂正后，作為輸入數(shù)據(jù)代入雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程，識(shí)別除地物、生物等非降水回波；

(4)根據(jù)徑向連續(xù)性檢查對(duì)φdp去折疊處理，再進(jìn)行抖動(dòng)和濾波處理，確定初始差分傳播相位φdp(0),利用Kdp或總差分傳播相位φdp完成Zh和Zdr衰減訂正；

(5)統(tǒng)計(jì)分析表明，30～60 km范圍內(nèi)，由衰減造成的水平反射率因子觀測(cè)誤差得到了改善。

本文分析了GLC-12A型移動(dòng)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，提出了Zdr、ρhv(0)和φdp的偏差訂正方法，完成了該型號(hào)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和衰減訂正，可為在龍卷風(fēng)觀測(cè)區(qū)域多部雷達(dá)組網(wǎng)拼圖提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，也為更好地分析龍卷及強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。