毫米波云雷達雜波質控方法研究

李浩文，李懷宇，胡東明，張羽，張志堅，梁之彥，李立

（1.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2.廣東省氣象臺，廣東廣州 510640；3.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東廣州 511430）

云是影響降水的一個重要因子，由于其對輻射傳輸?shù)鹊挠绊?，云在氣候變化中也扮演了重要角色，因此云的觀測對于天氣和氣候都具有非常重要的意義［1-4］。云觀測有多種方式，無線電探空由于直接觀測的方式，能夠提供較可靠的云層結構信息，但是成本較高且時空分辨率較低［5］。激光云高儀和激光雷達都能提供較為準確的云層信息，但是降水時均衰減嚴重［6-7］。云雷達能夠提供連續(xù)、完整的云層結構信息，并且由于毫米波對于細粒子更敏感，能夠觀測到高時空分辨率的云結構特征［8］。許多研究表明，毫米波云雷達的探測結果可靠，與無線電探空等的探測結果一致性較高［9］，為云的宏觀和微物理結構研究提供了良好基礎［10］。但是相較于厘米波天氣雷達，工作在毫米波段的云雷達更加容易受到昆蟲、氣溶膠和湍流等非氣象目標物干擾而產(chǎn)生雜波［11］。懸浮回波通?；夭◤姸容^小，退偏振比較高，因此可以通過分析兩者的數(shù)值分布范圍提取相應的閾值對懸浮回波進行濾除［11-12］。

雖然針對毫米波云雷達的雜波質控已經(jīng)有了一些研究成果，但是長時間連續(xù)觀測的研究較少，并且對于華南地區(qū)的研究也相對缺乏。作為中國氣象局超大城市綜合氣象觀測試驗的一部分，布設在廣州市氣象局觀測場的毫米波云雷達和激光云高儀等設備自2019年以來獲取了大量的觀測數(shù)據(jù)。本研究基于上述長時間序列的觀測數(shù)據(jù)，對毫米波云雷達進行本地化的雜波質控方法研究，為其在華南地區(qū)的應用提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料及儀器

本研究所有數(shù)據(jù)時間段均為2019年11月至2020年10月，所有儀器均布設在廣州市氣象局觀測場。毫米波云雷達為HMB-KPS型Ka波段雷達，能夠探測120 m～20 km高度范圍內(nèi)的非降水云、弱降水云和弱降水等目標。觀測模式為固定90°仰角定點觀測，空間分辨率30 m，約1 min 6條探測廓線，可以得到不同高度的回波強度（Z）、退偏振比（LDR）等產(chǎn)品。激光云高儀為C12小型云高儀，能夠探測15 m～12 km范圍內(nèi)的云層信息，空間分辨率5 m，時間分辨率6 min。采用固定90°仰角定點觀測，輸出產(chǎn)品為云高、總云量、低云量等。降水數(shù)據(jù)來源于自動氣象觀測站，時間分辨率為5 min。本研究所用時間均為北京時。

1.2 研究方法

降水剔除：為防止降水影響，采用自動站的5 min降水數(shù)據(jù)，當有降水產(chǎn)生時，該時段內(nèi)的數(shù)據(jù)全部剔除，不計入數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

天空總云量：由于人工識別云量較為主觀，激光云高儀的觀測效果較為穩(wěn)定可靠［13-14］，激光云高儀有“天空總云量”這一產(chǎn)品，因此將該產(chǎn)品的數(shù)值定義為天空總云量。

晴空時段：根據(jù)氣象上的晴空定義，本研究參照肖佩等［12］的方法，將天空總云量＜1成并且持續(xù)至少1 h的時段視為晴空時段。

雜波：毫米波云雷達的雜波主要為昆蟲、氣溶膠和湍流等非氣象回波。當天空為晴空時，雷達觀測到回波全都是這些非氣象回波導致，因此將晴空時刻觀測到的回波定義為雜波。

對比分析雜波和云回波的特征，如Z和LDR的分布范圍等，提取出能夠將雜波和云回波進行區(qū)分的特征閾值，從而實現(xiàn)對雜波的濾除。

2 雜波特征

2.1 時空分布

雜波主要由昆蟲、氣溶膠等組成，其時空分布特征與云有所差異。根據(jù)廣州本地的氣候特點，本研究分前汛期、后汛期和非汛期共3個時段統(tǒng)計了所有雜波Z和LDR在不同高度和季節(jié)的占比（圖1），其中前汛期為每年4—6月、后汛期為7—9月、非汛期為10月至次年3月。

圖1 雜波回波強度Z（a）和退偏振比LDR（b）的時間-高度分布

由圖1a可知，雜波大多集中在低層。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，約98%雜波分布在3 km以下，其中約72%在1 km以下。并且不論是汛期和非汛期，雜波都主要分布在3 km以下的低層，其中前汛期的雜波有79%出現(xiàn)在1 km以下，可見云雷達觀測到的雜波主要分布在大氣低層。季節(jié)分布方面，非汛期雜波的數(shù)量約占全年所有雜波的64%，后汛期占比21%，前汛期最少。此外，非汛期雜波出現(xiàn)高度明顯高于汛期，在1 km以上出現(xiàn)雜波的概率非汛期為汛期的3～6倍，所有雜波中約19%出現(xiàn)在非汛期1 km高度以上。

而LDR分布與Z大致相似（圖1b）。約89%的LDR分布在0～1 km，在1～2 km占比約9%。LDR比Z更加集中在大氣低層，這可能是隨著高度增加，弱回波在垂直信道信噪比太低從而無法產(chǎn)生LDR所致?？傮w來說，雜波LDR也主要分布在1 km以下的低層，非汛期雜波占比達到約63%，前汛期、后汛期占比分別為15%和22%，雜波的LDR跟Z的時空分布情況較為一致。

2.2 回波強度和退偏振比

根據(jù)已有的研究，雜波與云回波在Z和LDR等參數(shù)方面存在一定差異，這也是進行質量控制的一個重要基礎。圖2為雜波分別在各個季節(jié)的Z和LDR分布特征圖。由圖2可知，雜波Z的高頻分布區(qū)域均小于-10 dBz。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，雜波的Z普遍較小，不論是汛期還是非汛期均有90%以上Z＜-10 dB。非汛期雜波Z強度在-5～30 dBz區(qū)域的頻率相對于汛期更高，但這部分雜波占比不到4%。3個季節(jié)雜波Z出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間均為-15～-20 dBz，在-30 dBz左右還有一個次峰值。雜波的Z普遍較小，并且主要集中在-10 dBz以下。

雜波的LDR高頻區(qū)為-25～5 dB，3個季節(jié)約85%～86%的LDR＞-20 dB。非汛期雜波Z＞-10 dBz，且LDR＜-20 dB的頻率比前汛期和后汛期高，這可能是廣州地區(qū)非汛期氣溶膠濃度相對較大，而3月左右昆蟲和花粉等粒子較多所導致的。大部分雜波的LDR與Z呈現(xiàn)較為明顯的線性關系，LDR隨Z減小而增大。前汛期和后汛期雜波LDR均在-5～-10 dB出現(xiàn)高頻中心，并有2個次峰值，非汛期高頻區(qū)與汛期大致相同，但是分布相對更加分散。多個相對獨立的高頻分布中心，可能對應著不同種類的目標物的回波特征，如氣溶膠和昆蟲等。

圖2 雜波Z和LDR分布

3 低云回波特征

根據(jù)2.1節(jié)的結果可知雜波主要分布在3 km以下的低層，主要為低云分布的區(qū)域。因此本研究選取了天空有低云存在時毫米波云雷達3 km以下的回波數(shù)據(jù)進行分析。

由圖3可知，有低云時3 km以下的回波分為兩個部分，為Z分別大致低于和高于-10 dBz的類型A和B。類型A退偏振比LDR為-25～10 dB，并且LDR和Z呈現(xiàn)較為明顯的線性關系。回波高頻區(qū)是Z為-15～-20 dBz、LDR為-5～-10 dB的區(qū)域。類型A的特征與雜波的分布特征不僅是分布范圍還是高頻中心均（圖2）高度重合，可以判斷類型A為雜波信號。

類型B為Z＞-10 dBz，LDR介于-10～-30 dB之間，回波高頻區(qū)是Z為20～40 dBz，LDR為-20～-25 dB的區(qū)域。類型B的Z比類型A明顯增大，根據(jù)已有研究，云雷達的云回波強度基本在-10～5 dBz以上，而非云回波大多在-10 dBz以下［15］。云雷達雜波主要在3 km以下，對3 km以上回波數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有99%以上Z＞-5 dBz，98%以上LDR＜-10 dB。類型B的回波特征與云回波高度重合，因此類型B為云回波。前汛期和后汛期云回波強度較大，這說明云層較厚或云滴密度較大，可能是因為汛期的云層多為降水云。非汛期的云回波強度較汛期偏弱，可能是因為非汛期的云大都為相對較薄非降水云，云滴數(shù)密度小且粒子半徑小。

圖3 有低云時3 km以下回波Z和LDR的分布

4 質控閾值及應用

通過第3章分析可知，與云回波相比，雜波的Z偏小、LDR偏大。因此結合Z和LDR即可濾除大部分雜波并保留云回波。針對雜波在各個季節(jié)特點，本研究分別制定了濾波閾值：前汛期，當Z＜-5 dBz且LDR＞-10 dB時，則視為雜波；后汛期，當Z＜-10 dBz且LDR＞-10 dB時，則視為雜波；非汛期，當Z＜-5 dBz且LDR＞-15 dB時，則視為雜波；

為檢驗濾波效果，將該方法應用到所有的晴空回波中，結果顯示，質控后約96%雜波被濾除，濾波效果較好。

圖4 為毫米波云雷達2020年10月28日質控前后回波強度Z。由圖4可見，質控前地面附近和2 km左右高度存在幾乎全天持續(xù)且強度基本不變的雜波，質控后地面附近的雜波基本被濾除，個別孤立雜波點也得到較好控制。中午和傍晚前后有云層發(fā)展時導致云回波和雜波混雜時，該算法能夠較好識別出雜波。可見，該濾波方法能濾除雜波并較好保留云回波。圖4中某些高度有一些裂縫是云雷達在不同高度采用不同觀測模式輸出的結果，而觀測模式參數(shù)存在一定差異所致。

圖4 2020年10月28日番禺毫米波云雷達質控前（a）和質控后（b）回波強度分布

5 結論

本研究通過統(tǒng)計對比毫米波云雷達雜波和云回波的數(shù)據(jù)特征，根據(jù)兩者回波強度Z和退偏振比LDR的差異制定了一套濾波方法進行濾波質控，結果表明：

1）毫米波云雷達的雜波主要出現(xiàn)在3 km以下的低層，尤其是1 km以下的近地層。雜波有98%的Z分布在3 km以下，其中72%在1 km以下，89%的雜波LDR在1 km以下。雜波在非汛期數(shù)量最多，約占總數(shù)的64%，后汛期占21%，前汛期出現(xiàn)概率最低。

2）雜波Z較小，LDR較大，兩者存在線性關系。雜波90%以上Z＜-10 dBz，高頻區(qū)間為-15～-20 dBz。LDR分布在-40～20 dB，約86%的LDR＞-20 dB。前汛期和后汛期均在-5～-10 dB出現(xiàn)峰值中心，并伴有兩個次峰值。LDR在非汛期與汛期分布大致相同，但分布更加分散。

3）相比雜波來說云回波Z較大，LDR較小。有低云時云雷達回波有兩個相對獨立的部分，分別對應雜波和低云回波。低云回波頻率峰值區(qū)間是Z為20～40 dBz，LDR為-20～-25 dB。3 km以上中高云的在各個季節(jié)均有99%以上的Z＞-5 dBz，98%以上的LDR＜-10 dB。

基于雜波和云回波的回波特征，本研究開發(fā)了一種濾波質控方法。應用結果表明，該方法對晴空雜波濾除率約96%，而在天空有云條件下能夠濾除近地層連續(xù)的懸浮雜波并較好地保留云回波，對于一些孤立的懸浮雜波也能較好地濾除。