移動(dòng)式X波段雙偏振雷達(dá)資料處理

李 瑋，唐辟如，李 皓

(貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

移動(dòng)式X波段雙偏振雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱雷達(dá))可以發(fā)射和接收水平及垂直兩個(gè)方向的偏振波，除了可以得到回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬外，還可以獲得其特有的差分反射率因子、自相關(guān)系數(shù)和差分傳播相移等與水成物粒子類型、形狀及分布密切相關(guān)的獨(dú)立參量[1]。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)70年代，已開(kāi)始利用雙偏振雷達(dá)開(kāi)展降水相態(tài)識(shí)別的分析研究[2-4]，逐步形成了應(yīng)用較廣的模糊邏輯算法[5]，王致君等[6]提出了雙偏振雷達(dá)在人工影響天氣作業(yè)指揮及效果檢驗(yàn)方面的應(yīng)用前景。在冰雹外場(chǎng)觀測(cè)中，能夠提前布設(shè)在冰雹路徑之上，精準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)云系，探測(cè)云中各種相態(tài)粒子的分布，并做冰雹識(shí)別[7]。楊哲等[8]對(duì)比了雙偏振雷達(dá)和C波段天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度的差異，認(rèn)為兩者對(duì)距離較近的觀測(cè)目標(biāo)回波強(qiáng)度值一致性較好。曹水等[9]采用貴陽(yáng)C波段雷達(dá)和移動(dòng)X波段雷達(dá)數(shù)據(jù),通過(guò)分析兩部雷達(dá)回波強(qiáng)度的空間分布、時(shí)間變化波動(dòng)等特征參量,以驗(yàn)證在復(fù)雜山地環(huán)境下,移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)對(duì)冰雹云天氣過(guò)程的探測(cè)效果。由于雷達(dá)觀測(cè)位置的變化、雷達(dá)信號(hào)本身的漲落以及降水系統(tǒng)的演變和移動(dòng)等原因會(huì)造成雷達(dá)測(cè)量的參數(shù)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，為消除這種脈動(dòng)的影響，需事先對(duì)雷達(dá)探測(cè)到的資料進(jìn)行快速處理(差分反射率因子系統(tǒng)誤差標(biāo)定和原始資料平滑濾波處理)，以便及時(shí)進(jìn)行冰雹云監(jiān)測(cè)和識(shí)別，進(jìn)而科學(xué)指揮開(kāi)展人工防雹作業(yè)。

1 雙偏振雷達(dá)差分反射率因子(ZDR)系統(tǒng)誤差的標(biāo)定

差分反射率因子(ZDR)的大小取決于云中粒子的介點(diǎn)常數(shù)和形狀，是水平和垂直兩個(gè)方向回波的反射率因子之比的對(duì)數(shù)值，其精確與否，直接影響相態(tài)和冰雹的識(shí)別結(jié)果。因此,需對(duì)差分反射率進(jìn)行標(biāo)定處理，找出偏振雷達(dá)水平通道和垂直通道的系統(tǒng)誤差。目前主要的標(biāo)定方法有3種：太陽(yáng)法、信號(hào)源法和小雨法[10]，太陽(yáng)法是一種傳統(tǒng)的標(biāo)定方法，其原理是當(dāng)雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的水平和垂直極化功率相等，即ZDR為0 dB，ZDR的測(cè)量值即為系統(tǒng)誤差，該方法只能標(biāo)定雷達(dá)接收通道的ZDR系統(tǒng)誤差，而沒(méi)有考慮雷達(dá)發(fā)射通道的ZDR系統(tǒng)誤差，另外太陽(yáng)的噪聲功率太小，不利于獲得兩個(gè)方向通道的隔離度等信息。信號(hào)源法原理與太陽(yáng)法相似，將雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)外置水平偏振波信號(hào)源，垂直通道接收到的交叉偏振波與共偏振波強(qiáng)度之差就是ZDR系統(tǒng)誤差。由于貴州移動(dòng)式X波段雙偏振雷達(dá)天線掃描模式是VCP21模式，雷達(dá)天線不能采用垂直掃描的方式確定雷達(dá)ZDR系統(tǒng)誤差，為此采用小雨方法開(kāi)展偏振雷達(dá)系統(tǒng)誤差ZDR的標(biāo)定。具體方法為：采用仰角0.5°PPI和仰角1.5°PPI探測(cè)的小雨數(shù)據(jù)，通常認(rèn)為小于25 dBz的降水回波視為小雨回波，因此利用小于25 dBz的小雨氣象回波，測(cè)定ZDR系統(tǒng)誤差。由于差分反射率(ZDR)值隨仰角的抬升而減小，并趨近于零，見(jiàn)式(1)。

(1)

由于目前移動(dòng)式X波段偏振雷達(dá)天線掃描模式是VCP21模式，天線0°、0.5°、1.5°掃描時(shí)，若ZDR(0°)=1 dB，根據(jù)(1)式ZDR(0.5°)=1.000 08 dB,ZDR(1.5°)=1.000 73 dB，因此可以認(rèn)為0.5°和1.5°的仰角對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的測(cè)定幾乎沒(méi)有影響。

為了測(cè)定ZDR系統(tǒng)誤差，對(duì)2016年8月15日20時(shí)16分雷達(dá)觀測(cè)的層狀云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。雷達(dá)回波見(jiàn)圖1：

圖1 2016年8月15日20時(shí)16分雷達(dá)回波強(qiáng)度

為了降低大于25 dBz的回波對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的標(biāo)定，對(duì)上述回波進(jìn)行如下處理，選取方位215°～270°，距離在15～30 km回波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如圖2。

圖2 小于25 dBz時(shí)Z-ZDR分布

從圖2中可以看出，回波強(qiáng)度Z在0～10 dBz時(shí)，差分反射率因子均值A(chǔ)vg(ZDR)=-0.410 9，方差Var(ZDR)=0.871 9；回波強(qiáng)度Z>10 dBz時(shí)，差分反射率因子均值A(chǔ)vg(ZDR)=-0.421 5，Var(ZDR)=0.768 0，結(jié)果表明，差分反射率因子均值都為負(fù)值，與理論結(jié)果接近零值相悖。為了降低非氣象回波對(duì)標(biāo)定的影響，在剔除非氣象回波的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3a，得出的ZDR均值后，對(duì)ZDR進(jìn)行平移處理見(jiàn)圖3b，圖3b中，均值A(chǔ)vg(ZDR)=-0.059，方差Var(ZDR)=0.5，滿足理論ZDR的波動(dòng)范圍。

圖3 剔除非氣象回波的情況下Z-ZDR分布

在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ZDR系統(tǒng)誤差，需要對(duì)ZDR實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，供后續(xù)冰雹識(shí)別用，標(biāo)定方法如下：在0.5°和1.5°仰角，將ZDR值從-8～8 dB按0.2 dB間隔分級(jí)，統(tǒng)計(jì)各級(jí)ZDR個(gè)數(shù)，ZDR個(gè)數(shù)百分比大于5的計(jì)入ZDR平均值計(jì)算，排除ZDR奇異值對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的影響。

2 雙偏振雷達(dá)資料平滑方法的分析

對(duì)雷達(dá)探測(cè)到的原始資料需要進(jìn)行平滑濾波處理，這是目前在進(jìn)行雷達(dá)資料質(zhì)量控制中的重要一步，對(duì)于雙偏振雷達(dá)來(lái)說(shuō)，這種處理就顯得更為重要，如何選擇合適的窗口和尺度，對(duì)資料的后續(xù)應(yīng)用有著重要的意義。在雷達(dá)資料的預(yù)處理中，對(duì)雷達(dá)資料沿徑向的平滑是一個(gè)最基本也是最重要的步驟，合適距離上的平滑對(duì)于有效消除雷達(dá)資料的脈動(dòng)、消除回波信號(hào)的漲落都有很好的作用。但是如果徑向平滑的距離太短，就不能達(dá)到很好的效果，平滑的距離太長(zhǎng)，又會(huì)損失實(shí)際回波的信號(hào)，給后面的分析帶來(lái)誤差。因此如何選擇合適的徑向平滑距離是一個(gè)需要討論的問(wèn)題[11]。

為了研究問(wèn)題的方便，選取層狀云RHI中1.44°仰角徑向回波分析處理，見(jiàn)圖4a和圖4b，從回波強(qiáng)度(ZH)，差分反射率因子(ZDR)、自相關(guān)系數(shù)(ρhv)和差分傳播相移(φDP)分布圖(圖略)中可以看出，4個(gè)參量都有毛刺存在，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的毛刺處理，處理方式為直接將奇異值剔除。經(jīng)過(guò)消除奇異數(shù)據(jù)后4個(gè)參量的分布見(jiàn)圖5，從圖中可以看出，奇異數(shù)據(jù)剔除后，各個(gè)數(shù)據(jù)分布連貫性較好，符合預(yù)期。

圖4 層狀云降水回波(a),1.44°仰角回波(b)

ZH-ZDR變化廓線 ZH-ρhv變化廓線 ZH-φDP變化廓線

將所有參量疊加在一張圖上(見(jiàn)圖6)，當(dāng)信噪比SNR<10 dB時(shí)，相關(guān)系數(shù)開(kāi)始逐漸減小，且脈動(dòng)范圍明顯增大，ZDR和ρhv在SNR<10 dB時(shí)也同樣具有脈動(dòng)范圍增大的特征。根據(jù)上述特征，可以初步認(rèn)為當(dāng)信噪比SNR≥10 dB時(shí)，雷達(dá)測(cè)量的各偏振參量值可信。

圖6 消除奇異數(shù)據(jù)后層狀云降水1.44°仰角參數(shù)隨徑向變化疊加

從圖6中可知，各個(gè)參量值還是有一定的脈動(dòng)性，為了降低脈動(dòng)性，對(duì) RHI層狀云降水1.44°仰角各參數(shù)分別進(jìn)行3、5、7、9、11點(diǎn)平滑處理，平滑處理后的結(jié)果見(jiàn)圖7，從圖中可以看出，平滑點(diǎn)數(shù)越多，參量的脈動(dòng)性減小，但是這個(gè)并不是意味著平滑點(diǎn)數(shù)越多越好，如差分反射率，其值本來(lái)就偏小，平滑過(guò)多，將丟失真實(shí)的差分反射率信息。

圖7能較好地反映出整體趨勢(shì)，卻無(wú)法直接顯示具體平滑效果，為了對(duì)平滑結(jié)果進(jìn)行更直觀的對(duì)比，通過(guò)調(diào)整縱坐標(biāo)值，分別對(duì)ZH、ZDR、φDP和ρhv重畫(huà)，見(jiàn)圖8。

圖7 ZH、ZDR、φDP 和ρhv在徑向上分別經(jīng)過(guò)3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)、9點(diǎn)、11點(diǎn)平滑后得到的分布廓線

從圖8可知，隨著平滑點(diǎn)數(shù)的增加，資料的脈動(dòng)性減弱，經(jīng)過(guò)平滑后得到的廓線就基本上能消除掉單庫(kù)之間的資料脈動(dòng)，同時(shí)還能顯示出與原始資料相似的廓線分布趨勢(shì)。隨著平滑點(diǎn)數(shù)的增加，雖然有效地消除庫(kù)間的資料脈動(dòng)現(xiàn)象，但是此時(shí)的廓線過(guò)于平直，無(wú)法反應(yīng)原始數(shù)據(jù)廓線上的一些大梯度區(qū)，表明隨著平滑點(diǎn)數(shù)的增加會(huì)損失實(shí)際回波的信號(hào)，不能有效地反映實(shí)際的回波變化特點(diǎn)。從圖8中可以看出，3點(diǎn)平滑，各參量脈動(dòng)性仍不能有效消除，7點(diǎn)平滑基本上可以反映出原始資料的特性，11點(diǎn)平滑后，各參量都過(guò)于平直，尤其是相關(guān)系數(shù)，因此，本雷達(dá)中采用7點(diǎn)平滑。

圖8 ZH、ZDR、φDP 和ρHV平滑后分布廓線

3 結(jié)論與討論

①對(duì)于天線掃描模式是VCP21模式的移動(dòng)式X波段雙偏振雷達(dá)，使用小雨法來(lái)標(biāo)定差分反射率因子(ZDR)系統(tǒng)誤差是有效的。

②在實(shí)際冰雹探測(cè)過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ZDR系統(tǒng)誤差，并對(duì)ZDR實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，以排除ZDR奇異值對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的影響。

③將各參量奇異值剔除后，當(dāng)信噪比SNR≥10 dB時(shí)，雷達(dá)測(cè)量的各偏振參量值可信。

④平滑處理既要考慮減小參量的脈動(dòng)性，也要避免丟失真實(shí)信息，尤其對(duì)于數(shù)值本來(lái)就偏小的差分反射率，故本雷達(dá)中采用7點(diǎn)平滑。