Ka波段云雷達非云回波質(zhì)量控制及效果評估

曾正茂 鄭佳鋒 楊 暉 鄭 敏 曾穎婷

1)(福建省氣象信息中心，福州 350001) 2)(福建省災(zāi)害天氣重點實驗室，福州 350001) 3)(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225) 4)(福建省氣象服務(wù)中心，福州 350001)

引 言

云的探測對深入理解云-降水物理過程和提高人工影響天氣等具有重要意義[1-4]。近年毫米波云雷達發(fā)展迅速，逐漸成為云探測的主要設(shè)備。毫米波云雷達波長短、靈敏度高、時空分辨率高，能夠?qū)崟r穿透云層，獲取十分豐富的宏觀和微觀信息，目前已被用于許多科學(xué)觀測試驗和氣象業(yè)務(wù)[5-10]。但在實際觀測中，毫米波云雷達會接收到一些非云回波，導(dǎo)致資料質(zhì)量下降，影響資料應(yīng)用效果[11]。因此，研究非云回波資料質(zhì)量的改善方法，并評估其對云雨探測的影響，對提高資料質(zhì)量和資料后續(xù)應(yīng)用至關(guān)重要。

目前，毫米波云雷達大多采用垂直向上探測，主要定位于云和弱降水的廓線觀測等[12-16]。在雷達性能上，發(fā)射器件至關(guān)重要，國外大多采用高壽命的電子真空管[17-18]，國內(nèi)主要采用固態(tài)器件[19-21]。固態(tài)體制雷達的系統(tǒng)穩(wěn)定性好、觀測持續(xù)性強，但功率較小，探測距離和靈敏度有限。因此，為了提高雷達性能，通常會設(shè)計不同的探測模式，通過多種模式組合的方式最大程度提高雷達整體觀測能力[22]。多模式組合采用窄脈沖探測中/低空的云層，寬脈沖探測中/高空的云層；對信號進行脈沖壓縮和相干積累等提高靈敏度。寬脈沖可有效提高雷達探測距離和靈敏度，這對高云探測尤其關(guān)鍵，但也帶來副作用，如形成虛假氣象回波[23-24]。許多觀測還表明，毫米波云雷達在中緯度地區(qū)經(jīng)常觀測到低空懸浮物回波[25-27]。懸浮物回波是一種非云回波，通常由大顆粒灰霾、粉塵和昆蟲等組成，嚴重時會污染低空的云和降水。針對懸浮物回波的判斷和濾除，Luke等[25]研究昆蟲引起的雷達功率譜特征，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識別昆蟲雜波。G?rsdorf等[7]根據(jù)懸浮物回波整體具有反射率因子Z很弱、退偏振比R很強的特征，以Z<-10 dBZ且R>-20 dB為條件濾除雜波。鄭佳鋒等[28]統(tǒng)計我國西藏那曲和廣東陽江地區(qū)的懸浮物回波，發(fā)現(xiàn)這類回波具有顯著地域性，分別以Z<-15 dBZ且R>-22 dB，Z<-10 dBZ且R>-22 dB為閾值，可以有效濾除兩地的懸浮物回波。另外，雷達噪聲回波及個別徑向干擾雜波也較常見，但整體零散、體量有限，因此一般的濾波方法，如中值濾波、高斯濾波和K領(lǐng)域頻數(shù)濾波等均可使用[29-30]。

2018年福建省氣象局布設(shè)了3部Ka波段毫米波云雷達，該雷達以中國氣象局十三五規(guī)劃中加強云觀測為目標(biāo)而研制。本文根據(jù)雷達實際性能特點和非云回波特征，針對該型號毫米波云雷達在業(yè)務(wù)觀測中出現(xiàn)的非云回波資料質(zhì)量問題，提出改進的質(zhì)量控制方法。在此基礎(chǔ)上，利用福建平和雷達觀測資料，評估非云回波對低空云-降水探測的影響。

1 資料與設(shè)備

本文采用2018年9月—2020年8月福建省平和縣(24.4°N，117.3°E，海拔108.5 m)云雷達24 h連續(xù)觀測的基數(shù)據(jù)樣本(間隔1 h保存1個樣本)，總樣本量為16808。期間因設(shè)備升級及故障，存在712個樣本缺失，但不影響總體統(tǒng)計效果。

本文所用Ka波段毫米波云雷達是一部多普勒固態(tài)體制極化雷達，由中國航空科工集團第23研究所研制。工作時天線垂直朝向，工作頻率為35 GHz(對應(yīng)波長為8.57 mm)，波束寬度為0.4°，探測高度范圍為0.12～20 km，空間和時間分辨率分別為30 m和1 min。觀測資料包括雷達反射率因子Z、徑向速度V、譜寬σV、退偏振比R。為同時滿足不同云類的探測，雷達設(shè)計4種探測模式，包括窄脈沖(0.2 μs)的邊界層模式、降水模式和寬脈沖(8 μs，24 μs)的中云模式和高云模式。邊界層模式通過相干積累提高靈敏度，主要針對低空弱云探測；降水模式則不采用相干積累保持寬的速度探測范圍，但保持信號飽和點處于更高的上限，因此更適合降水的探測。高云模式采用遠寬于其他模式的脈沖，可以獲得比降水模式高20.79 dB的靈敏度，因此適用于高空卷云等的探測；中云模式介于窄脈沖模式和高云模式之間，適用于中云的探測。此外，邊界模式和降水模式還具有更短的雷達盲區(qū)，但最大有效探測高度較小；中云模式和高云模式的盲區(qū)較大，最大有效探測高度更高。雷達系統(tǒng)和4種模式的主要參數(shù)如表1和表2所示。

表1 Ka波段毫米波云雷達主要性能參數(shù)

表2 4種探測模式主要參數(shù)

2 質(zhì)量控制方法簡介

盡管前人對非云回波引起的資料質(zhì)量問題開展了許多質(zhì)量控制研究，但其效果與適用性仍有待提高：一是方法本身與雷達性能息息相關(guān)，需根據(jù)雷達實際參數(shù)對方法進行調(diào)整；二是非云回波的出現(xiàn)和分布等特征具有很強地域性，在不同氣候背景地區(qū)，其變化和雷達回波等特征也表現(xiàn)不同。因此，借鑒前人方法，本文針對非云回波提出改進的質(zhì)量控制方法。

非云回波濾除：大氣層環(huán)境的地域差異導(dǎo)致不同地區(qū)非云回波的Z和R值差異顯著[21]，福建平和的非云回波與西藏、廣東等地區(qū)不同，但以往研究少有采用長時間連續(xù)觀測數(shù)據(jù)對云雨回波和非云回波的Z和R進行統(tǒng)計，本文利用2018年9月—2020年8月福建平和的連續(xù)觀測資料，對云雷達探測的所有低空(3 km高度以下)云雨回波和非云回波進行篩選，為避免篩選誤差，云雨回波選擇持續(xù)時間長的過程，非云回波選擇晴天條件下的樣本。對云雨回波和非云回波的Z和R進行統(tǒng)計，其概率分布如圖1所示。由圖1可見，兩類回波Z和R分布差異明顯，低空云雨回波的Z遠大于非云回波，R相反。因此本文借鑒鄭佳鋒等[28]和G?rsdorf等[7]的方法，通過設(shè)定Z和R的雙閾值濾除非云回波，即將Z<-5 dBZ且R>-22 dB的回波判斷為非云回波。統(tǒng)計非云回波的有效回波樣本量為1204486，云雨回波的有效樣本量為1641076。通過設(shè)置雙閾值，濾除非云回波的樣本量為1131856，其濾除率(濾除非云回波樣本量除以非云回波有效樣本量)達到93.97%，保留云雨回波的樣本量為1632542，其保留率(保留云雨回波樣本量除以云雨回波有效樣本量)達到99.48%。但考慮到雷達測量的R有效回波點數(shù)通常少于Z的有效回波點數(shù)，經(jīng)過雙閾值判斷并濾除后，還會剩余部分零散的雜波。因此，設(shè)定一個N×N的小窗(經(jīng)過實際測試，本文N取值為5)，以小窗中心為判斷目標(biāo)；若小窗中心為有效回波，且窗口內(nèi)有效回波數(shù)量總少于N×N/4，判斷為雜波，刪除；反之，則認為是正常云雨回波，保留。將小窗遍歷所有雷達徑向和距離庫。

圖1 2018年9月—2020年10月福建平和雷達觀測的非云回波和云-降水回波Z與R概率分布

3 非云回波對云探測影響評估

3.1 非云回波對低空云-降水探測影響

由非氣象目標(biāo)物造成的非云回波高度通常較低，因此對3 km高度以下非云回波濾除前后的Z和R分別進行統(tǒng)計。觀測期間，雷達共探測到26846397和6773902個有效的Z和R回波樣本，非云回波濾除前后的Z和R頻次分布見圖2。對比可見，非云回波對低空弱的云-降水探測的影響較顯著。Z<-5 dBZ的雷達回波中，非云回波占樣本的67.20%，其中Z=-20 dBZ處頻次最多，占該處樣本的12.02%。R>-22 dB的雷達回波中，非云回波占雷達回波樣本的60.77%，R=-2 dB處頻次最多，該處非云回波占樣本的79.25%。非云回波濾除后，雷達測量弱回波比例整體下降，Z在總樣本中比例下降9.20%，而R分布更加集中，在總樣本中比例下降34.05%。

圖2 2018年9月—2020年8月福建平和3 km高度以下質(zhì)量控制前后的Z和R頻次分布

非云回波具有明顯地域性，其成分與大氣邊界層環(huán)境條件相關(guān)[31-32]。為了研究非云回波是否存在隨邊界層出現(xiàn)日變化，對非云回波的時間-高度的頻次分布進行統(tǒng)計(圖3)。由圖3中時間-高度頻次分布可見，非云回波主要分布在0.12～1 km和1.47～2.2 km兩個高度層。理論上，隨著探測高度升高，雷達的靈敏度隨之下降，使得對懸浮物的探測概率也逐漸減小，這與1.47 km高度以下的實際分布相符；但對于1.47 km高度以上，由于雷達切換至寬脈沖的中云模式，靈敏度比低層提升13.5 dB，因此可以探測到較多非云回波。下層非云回波還表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律。從整層高度總頻次曲線看，非云回波在04:00(北京時，下同)最少，一直到14:00 逐漸增加，在15:00—21:00頻次增幅更加明顯，21:00—次日04:00頻次又逐漸減弱。這種日變化規(guī)律與邊界層湍流日變化相似，白天湍流受熱力和動力作用下，污染物向大氣層擴散，而夜間因受大氣層結(jié)的抑制作用，湍流強度變?nèi)?，污染物不易向上擴散[33]。午后湍流活動的加強使得邊界層內(nèi)大顆粒的灰霾和粉塵等顆粒更多并且擴散至更高的高度，造成雷達探測到更多的非云回波。通過普查回波還發(fā)現(xiàn)，上層的非云回波大多表現(xiàn)為橫線狀的特點，這種懸浮物是否為非氣象顆粒物亦或由雷達自身缺點引起尚有待研究。

圖3 2018年9月—2020年8月福建平和非云回波的時間-高度頻次分布和整層高度總頻次

3.2 質(zhì)量控制前后云-降水回波垂直分布差異

為了分析非云回波對云-降水回波垂直分布的影響，對非云回波濾除前后的Z和R分別進行統(tǒng)計。雷達探測的Z和R有效回波樣本量分別為63790928和17857538，非云回波濾除前后Z和R的高度-頻次分布如圖4所示。由圖4可知，Z的概率分布在不同探測模式交屆高度層出現(xiàn)頻次分布不連續(xù)，主要受雷達的性能參數(shù)(如寬脈沖和相干積累數(shù))影響，4種探測模式中雷達靈敏度高云模式最高，中云模式、邊界層模式和降水模式依次降低，因此在雷達靈敏度不同的高度交界處存在不連續(xù)。對比可見，在0.12～2.5 km的高度層中Z的頻次主要集中在-45～15 dBZ范圍，其中-45～5 dBZ最多，占總樣本的25.46%，且Z的頻次隨高度升高逐漸下降。對于R，0.12～4 km高度層出現(xiàn)的頻次主要集中在-35～10 dB，5.5～8.5 km 高度層的頻次主要集中在-30～20 dB，其中-33～25 dB出現(xiàn)的頻次最多，占總樣本的2.57%。非云回波濾除后，Z在0.12～2.5 km高度層樣本量明顯下降，減少的樣本量占總樣本量的17.68%，而R在0.12～4 km高度層減少的樣本量占總樣本量的15.29%。

圖4 2018年9月—2020年8月福建平和非云回波質(zhì)量控制前后Z和R的頻次-高度分布

4 典型個例驗證

根據(jù)非云回波伴隨的高度低、Z很小和R很大等特征，通過挑選具備這些特征的樣本，以3個典型個例對質(zhì)量控制方法可靠性進行驗證。

4.1 典型個例1

圖5為2019年4月18日12:00—20:00福建平和雷達上空包含低空碎積云和深對流降水云的回波質(zhì)量控制前后效果對比圖。從質(zhì)量控制前的Z可見，A位置所在3 km高度以下明顯存在一層非云回波，其強度低于-20 dBZ，V和σV也相對較低，且R高于-10 dB,這些非云回波甚至圍繞在碎積云附近。在對流卷云砧的B位置和C位置附近存在少量散點回波，這是由于云邊界的信噪比剛好達到雷達靈敏度的臨界點而被誤判為噪聲回波。質(zhì)量控制后，3 km高度以下的非云回波、孤立的散點回波均被有效濾除。

圖5 2019年4月18日12:00—20:00福建平和雷達上空觀測的包含低空碎積云和深對流降水云的質(zhì)量控制前后回波對比

4.2 典型個例2

圖6為2019年5月19日17:00—23:00雷達上空包含低空層云、積云和高空卷積云的回波質(zhì)量控制前后效果對比圖。由圖6可見，低空層云中A位置存在非云回波，其Z也低于-20 dBZ，R高于-10 dB，B位置的孤立噪聲回波主要由灰塵和云邊界的噪聲回波造成。同樣，質(zhì)量控制前1 km高度附近的非云回波V約為0，σV約為0.2 m·s-1，相對較小，表明低層非云回波主要由灰塵等物質(zhì)組成。質(zhì)量控制后，低空層云的非云回波和孤立回波均被有效濾除。

圖6 2019年5月19日17:00—23:00福建平和雷達上空觀測的包含低空層云、積云和高空卷積云的回波質(zhì)量控制前后回波對比

4.3 典型個例3

圖7為2018年9月2日15:00—23:00雷達上空觀測的包含低空積云和弱對流降水云的回波質(zhì)量控制前后效果對比圖。由圖7可見，在2 km高度附近A位置同樣能觀察到明顯的散狀非云回波，表現(xiàn)為較弱的Z和很強的R，同時，在2 km高度以下非云回波的V和σV均較小，這些雜波在質(zhì)量控制后也被有效濾除。此外，在積云附近的一些弱信噪比的噪聲雜波也被濾除。

圖7 2018年9月2日15:00—23:00福建平和雷達上空觀測的包含低空積云和弱對流性降水云的質(zhì)量控制前后回波對比

通過以上3個包含不同類型云的典型個例可以看到，非云回波對云探測資料的可靠性有重要影響，質(zhì)量控制方法對雷達資料改善明顯。

5 結(jié) 論

本文利用2018年9月—2020年8月福建平和獲取的毫米波云雷達資料，針對毫米波云雷達在業(yè)務(wù)觀測中出現(xiàn)的非云回波資料質(zhì)量問題，提出改進的質(zhì)量控制方法，并詳細評估對云探測的影響。主要結(jié)論如下：

1)福建平和地區(qū)的非云回波表現(xiàn)出Z弱、R強的特點，但統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)它們與青藏高原和廣東地區(qū)存在差異，以Z<-5 dBZ且R>-22 dB為判斷條件，通過濾波輔助，可濾除大部分非云回波。典型個例進行驗證表明，質(zhì)量控制方法對非云回波的濾除效果較好。

2)非云回波對3 km高度以下的云和降水探測影響顯著，非云回波濾除后，Z的總樣本量下降9.20%，R的總樣本量下降34.05%；對低于-5 dBZ的弱回波，非云回波的影響更甚，可占Z總樣本量的67.20%。

3)非云回波的探測率與雷達的靈敏度有關(guān)，且探測率整體隨高度升高而下降。非云回波與邊界層有一定關(guān)系，存在顯著日變化：午后—前半夜湍流活動較強，對應(yīng)非云回波的探測率也較高，最高出現(xiàn)在17：00；后半夜—日出前湍流活動減弱，對應(yīng)非云回波的探測率也逐漸下降，最低出現(xiàn)在04：00。

4)非云回波質(zhì)量控制前后的雷達回波垂直分布的統(tǒng)計結(jié)果表明：質(zhì)量控制后在0.12～2.5 km高度層樣本量明顯下降，減少了17.68%，R在0.12～4 km高度層減少的樣本量比例為15.29%。