河北省雙線偏振雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和衰減訂正

范根昌 樊嶸 王梧熠

(河北省人工影響天氣辦公室， 石家莊 050021)

引 言

雙偏振多普勒天氣雷達能在水平和垂直方向上發(fā)出偏振波，不僅可以得到回波強度(ZH)、徑向速度(V)、譜寬(W)等常用雷達參量，還可以通過比較其雙通道回波功率大小以及相移等獲取差分反射率因子(ZDR)、差分傳播相移(ΦDP)、差分傳播相移率(KDP)和零滯后相關(guān)系數(shù)(ρHV)等多個雷達偏振參量[1-3]，常用來研究降水粒子結(jié)構(gòu)和微物理機制。與普通雷達相比，該雷達在識別粒子相態(tài)等方面擁有較大優(yōu)勢。但在雷達運行過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量會因地物雜波、雷達內(nèi)部及外部噪聲、電磁波衰減等影響，在使用雙偏振多普勒雷達數(shù)據(jù)之前，評估資料質(zhì)量便顯得尤為重要，為數(shù)據(jù)有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

雙偏振多普勒雷達資料質(zhì)量評估和控制是保證數(shù)據(jù)可信和產(chǎn)品可靠性的前提，因此長期受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。ZDR作為關(guān)鍵的偏振參量，表示水平偏振和垂直偏振的反射率因子之比。Ryzhkov, et al[4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ZDR的誤差為0.2 dB時，將會產(chǎn)生18%的降水估測誤差，所以在應(yīng)用ZDR前，需要對其訂正系統(tǒng)誤差。在對ZDR的系統(tǒng)誤差訂正方面，國外許多學(xué)者使用了垂直天頂掃描、太陽標(biāo)定法和氣象回波法等訂正方法[5-6]。國內(nèi)吳林林等[7]將自然目標(biāo)物法應(yīng)用在訂正ZDR系統(tǒng)誤差之中，結(jié)果表明使用該方法訂正后的ZDR比訂正之前的數(shù)據(jù)質(zhì)量有了明顯提高。胡志群等[8]在將許多ZDR標(biāo)定法進行比較后，發(fā)現(xiàn)微雨滴法效果最好。杜牧云等[1]將垂直掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用于對C波段雙偏振雷達的ZDR系統(tǒng)誤差訂正中，對ZDR系統(tǒng)誤差進行了有效訂正。在雷達探測過程中，ΦDP會出現(xiàn)抖動起伏的情況。很多國外學(xué)者采用低通濾波器將高頻噪聲過濾掉，從而保留曲線平均趨勢，這方面的國內(nèi)研究較少，主要內(nèi)容是關(guān)于數(shù)據(jù)預(yù)處理部分[9-10]。胡明寶等[11]通過比較雷達衰減訂正的很多方法后，得出了KDP法效果最佳的結(jié)論。

河北于2016年在邢臺布設(shè)了1部724XSP雙偏振雷達。為了解和評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況，首先選取偏振雷達上空層狀云弱降水過程，對雙偏振雷達的ZDR、ρHV、ΦDP等偏振參量進行質(zhì)量以及穩(wěn)定性分析，并對ZH和ZDR進行簡單衰減訂正并和系統(tǒng)誤差訂正，并將訂正結(jié)果與位于石家莊新樂站(38.351 9°N，114.711 9°E，海拔134.8 m)的CINRAD/SA多普勒天氣雷達(簡稱SA天氣雷達)相對比，希望能夠深入了解724XSP雙偏振雷達對云、降水的觀測機制以及探測能力。

1 724XSP雙偏振雷達參數(shù)

本文所使用的724XSP雙偏振雷達是一部車載X波段全固態(tài)雙線偏振多普勒天氣雷達。該雷達架設(shè)在河北邢臺市內(nèi)丘縣柳林氣象站內(nèi)(37.290 7°N，114.386 9°E，海拔67.9 m)，已經(jīng)進行多次降水個例觀測。該雷達采用新一代固態(tài)雷達發(fā)射機，主要技術(shù)參數(shù)見表1。X波段全固態(tài)雙線偏振多普勒天氣雷達長短脈沖一致性將影響到數(shù)據(jù)質(zhì)量和后續(xù)應(yīng)用，采用高仰角數(shù)據(jù)交界處以外的長短脈沖距離庫進行比較，求二者隨方位的均值來進行長短脈沖訂正，并對交界處的距離庫采用5點滑動平均進行平滑處理。該雷達終端軟件已經(jīng)對長短脈沖不連續(xù)進行了訂正，基數(shù)據(jù)輸出為訂正后產(chǎn)品。

表1 724XSP雙偏振雷達相關(guān)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of 724XSP dual-linear polarization radar

2 偏振數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1 系統(tǒng)初始相位分析

圖1 (a) 不同時刻初始相位隨方位角變化；(b) 不同仰角初始相位隨方位角變化；(c) 2017年7月28日08時09分(北京時，下同)PPI圖Fig.1 (a) Initial phase changes with azimuth angle at different time;(b) initial phase changes with azimuth angle at different elevation angles;(c) the PPI diagram at 08∶09 BST on 28 July 2017

圖2 2017年7月28日08時56分 90°仰角層狀云降水資料中小雨天氣SNR-ZDR(a,單位：dB)和SNR-CC(b,單位：dB)的散點分布Fig.2 Scatter distribution of SNR-ZDR (a, unit:dB) and SNR-CC (b, unit:dB) in light rain in stratified cloud precipitation data of90° elevation angle at 08∶56 BST on July 28， 2017

724XSP雙偏振雷達為雙發(fā)雙收模式，在實際探測過程中，兩個通道的不完全匹配將會引起ΦDP產(chǎn)生偏差。首先分析初始相位的穩(wěn)定性和偏差。本文參考杜牧云等[1]提出的沿徑向向外搜索連續(xù)10個庫CC大于0.9、且ΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差小于3°，那么這些庫的平均值便被定義成初始相位。以2017年7月28日體掃數(shù)據(jù)為例，獲得每根徑向上的ΦDP初始值，圖1a、b分別為不同時刻、不同仰角求取的0～360°方位角初始相位分布，其中圖1a是仰角為2.4°得到的相位變化。圖1a的ΦDP方差為0.302，圖1b的ΦDP方差為0.285，圖1c 是2017年7月28日08時09分(北京時，下同)時刻對應(yīng)的PPI圖。從圖1中可以看出不同時刻、不同仰角的初始相位在徑向上波動不大且變化趨勢基本一致，系統(tǒng)初始相位隨時間的變化率較小。將2017年6月21—22日、7月6—7日類似的層狀云降水過程分析后，也可得出相同結(jié)果。

2.2 信噪比對ZDR和CC影響分析

在信躁比(Signal Noise Ratio, SNR)小于15 dB時，ZDR離散值較多，且波動較大，其對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)CC也偏小很多，且隨SNR降低呈減小趨勢(圖2)。這表明當(dāng)SNR較低時所取得的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。當(dāng)信噪比變得越來越大時，ZDR的分布也越發(fā)穩(wěn)定，CC也大體上超過0.9，而且快速接近1。在SNR大于30 dB時，也可以看到CC有一段異常數(shù)據(jù)區(qū)域(圖2中紅框區(qū))，下面討論不同高度下的SNR-ZDR和SNR-CC分布。

圖3為3個不同高度區(qū)間下SNR-ZDR和SNR-CC的散點分布。從圖中可以看出，低層(H<3.6 km)時，數(shù)據(jù)信噪比較高，且ZDR數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，但圖2紅框數(shù)據(jù)異常區(qū)域出現(xiàn)在3.6 km以下，這是由于層狀云降水主要的微物理過程是冰晶聚合成為干雪，到融化層后變?yōu)闈裱?，濕雪進一步融化成為雨引起。不過圖3中大部分數(shù)據(jù)CC均大于0.8；當(dāng)高度偏高(H>5 km)時，因為和雷達相距較遠，SNR整體偏低(<15 dB)，CC也明顯偏下，大部分都小于0.9，這是由于噪聲對數(shù)據(jù)的干擾作用。此外，還可能是冰晶在高空風(fēng)取向的作用下，導(dǎo)致其離散度變大[12]；處于中間層(3.60.9。其他個例也得到相同結(jié)論。

圖3 圖2中不同高度區(qū)間的SNR-ZDR和SNR-CC散點分布：(a、b) 3.6 km以下；(c、d) 3.6～5 km；(e、f)5 km以上Fig.3 Scatter distribution of SNR-ZDR and SNR-CC in different height intervals in fig.2： (a，b) less than 3.6 km；(c，d)3.6-5 km；(e，f) more than 5 km

2.3 ZDR系統(tǒng)誤差穩(wěn)定度分析

利用雷達垂直掃描數(shù)據(jù)對探測到的小雨資料ZDR進行系統(tǒng)誤差分析，為避免信噪比、融化層等的影響，選擇的數(shù)據(jù)高度在1 000 m附近，結(jié)合前文分析為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，樣本庫選擇SNR>20 dB、ZH<28 dBZ和CC>0.97。

圖4為小雨天氣下SNR-ZDR散點分布。信噪比SNR以0.5 dB為間隔求取每個信噪比區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的ZDR均值。該圖說明在信噪比變大的過程中，小雨的ZDR系統(tǒng)誤差訂正曲線變化幅度不大(其中>32 dB由于樣本數(shù)較小波動較大)，表明在雷達運行時系統(tǒng)較為穩(wěn)定，當(dāng)信噪比波動時，ZDR系統(tǒng)誤差波動不明顯。表2為2017年7月28日的降水過程資料得到的不同時刻ZDR系統(tǒng)誤差均值，可以看出ZDR系統(tǒng)誤差均值大都處于-0.2～-0.1 dB，且標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在0.4～0.5 dB。根據(jù)一次小雨過程共18 970個樣本數(shù)統(tǒng)計，ZDR系統(tǒng)誤差均值為-0.18 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.44 dB。

圖4 2017年7月28日08時56分90°仰角層狀云降水資料中小雨天氣零度層以下SNR-ZDR散點分布(其中紅色點線為均值，藍線為ZDR系統(tǒng)誤差訂正曲線)Fig.4 Scattered distribution of SNR-ZDR below zero layerin light rain in stratified cloud precipitation data of90° elevation angle at 08∶56 BST on July 28， 2017

表2 2017年7月28日不同時刻觀測個例中ZDR系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計Table 2 Statistics of ZDR system errors and standard deviationsin individual cases observed at different times on July 28， 2017

3 衰減訂正及結(jié)果評估

雨滴會吸收穿過降水粒子的電磁波，進而引起電磁波衰減情況的出現(xiàn)。對于波長越短的電磁波，被衰減的程度越大。由于ΦDP是相位變化，因此衰減對ΦDP的影響較小。所以采用ΦDP來對ZH及ZDR進行衰減訂正效果較好。

圖5 2017年7月16日08時58分：(a) 訂正前724XSP雙偏振雷達反射率因子、(b) 訂正后724XSP雙偏振雷達反射率因子和(c) SA天氣雷達3 000 m高度反射率CAPPI Fig.5 (a) 724XSP dual polarization radar reflectivity factor before revision;(b) 724XSP dual polarization radar reflectivity factor after revision;(c) 3 000 m altitude reflectance CAPPI chart of SA weather radar at 08∶58 BST on July 16， 2017

本文用ΦDP訂正ZH及ZDR的公式為：

(1)

(2)

為了客觀評估訂正前后724XSP雙偏振雷達回波反射率因子資料，需要把724XSP雙偏振雷達和位于新樂SA天氣雷達二者極坐標(biāo)下空間分辨率不等的回波數(shù)據(jù)統(tǒng)一插值到空間分布均勻的笛卡爾坐標(biāo)系下。本文參考張志強等[14]提出的格點對比法進行對比，格點對比法是把不同雷達的數(shù)據(jù)插值到同一高度層，然后比較它們的相交區(qū)域，該方法可以較好的找到其對應(yīng)點，但缺點在于不同雷達的庫長和波束寬度存在差異，或許會出現(xiàn)插值誤差。在2017年7月16日對流天氣過程中，選取(36.9°～37.7°N，114.1°～114.8°E)區(qū)域，作出該區(qū)域3 000 m高度處兩部雷達CAPPI圖像，并用雙線性差值法[14]插值成120×100網(wǎng)格，格點分辨率約為3 km。3 000 m高度CAPPI數(shù)據(jù)避開了地物及遮擋的影響，且回波較為連續(xù)，圖5a、b空白圓圈為雷達站所在位置。

由圖5可見，724XSP雙偏振雷達與SA天氣雷達回波強度分布及結(jié)構(gòu)特征大致相似。將系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的明顯不合理點剔除后得到的訂正后的反射率因子相關(guān)系數(shù)達到0.78，與訂正前相比，訂正后的擬合結(jié)果得到明顯提高，如圖6所示。從訂正后的擬合情況來看，在回波較弱時724XSP雙偏振雷達存在低估而回波較強時存在高估現(xiàn)象，但整體偏差不大，后續(xù)工作將結(jié)合雨滴譜對選取更優(yōu)化的α值進行研究。訂正前724XSP雙偏振雷達探測到的強回波(>40 dBZ)面積要小于SA天氣雷達，雷達所缺失的回波主要集中在遠離724XSP雙偏振雷達一側(cè)，主要原因是724XSP雷達波束穿過回波強中心后被衰減，影響其探測強回波后的區(qū)域。訂正后，ZH得到改善，與SA天氣雷達對比強回波中心位置及強度基本相同，而且在強回波區(qū)域后部的回波區(qū)衰減也得到了了明顯改善。

通過ZH和ZDR兩者間的理論表達式來更好的說明訂正前和訂正后的區(qū)別以及效果，表達式為Bringi[18]使用散射模式計算出的理論結(jié)果。圖7為訂正前、后ZDR-ZH的散點分布。從圖中可以看出經(jīng)過訂正后，其離散度減小了很多。當(dāng)ZH<25 dBZ時，其ZDR值均較小，集中在0值波動。當(dāng)ZH值處于25～45 dBZ時，訂正后的ZDR值大都處于0.2～2 dB，并且當(dāng)ZH值增大時，訂正后的ZDR具有上升趨勢，這種變化同Ryzhkov， et al[3]的結(jié)論一致。通過對該雷達探測到的其它過程數(shù)據(jù)的分析，也可以得出同樣的結(jié)論。

4 結(jié)論

(1)724XSP雙偏振雷達初始相位ΦDP(0)隨仰角、方位的變化都是較為穩(wěn)定的，波動較小。分析垂直掃描數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ZDR系統(tǒng)偏差較為穩(wěn)定，變化不大。說明724XSP雙偏振雷達系統(tǒng)較為穩(wěn)定，分析結(jié)論可以作為一段時間內(nèi)的系統(tǒng)誤差進行訂正[14-16]。

(2)小雨天氣，ZDR、CC隨信噪比SNR變化穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可信度高，隨信噪比SNR增大數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，尤其當(dāng)SNR>10 dB時。

(3)724XSP雙偏振雷達與SA天氣雷達對同一回波區(qū)域，觀測結(jié)果大體相似，經(jīng)過衰減訂正后724XSP雙偏振雷達反射率因子ZH衰減訂正結(jié)果與S波段雷達更為接近，尤其強回波區(qū)改善明顯。經(jīng)過衰減訂正和系統(tǒng)誤差訂正后ZDR-ZH散點分布更接近理論值，說明訂正效果好。

圖6 SA天氣雷達和訂正前雙偏振雷達反射率因子散點對比：(a)訂正前；(b)訂正后Fig.6 The scatter plot of reflectivity factor between SA weather radar and unrevised dual polarization radar：(a) before revision;(b) after revision

圖7 2017年8月12日18時37分4.3°仰角下ZDR-ZH散點分布：(a) 訂正前；(b) 訂正后Fig.7 Scatter distribution of ZDR-ZH at 4.3° elevation angle at 18∶37 BST on 12 August， 2017 ： (a) before revision;(b) after revision