毫米波云雷達(dá)距離旁瓣回波質(zhì)量控制及效果評(píng)估*

曾正茂 鄭佳鋒 呂巧誼 楊 暉 蔡藝友

1 福建省氣象信息中心，福州 350001 2 廈門(mén)市氣象局海峽氣象開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，廈門(mén) 362012 3 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350001 4 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225 5 平和縣氣象局，福建漳州 363700

提 要： 根據(jù)福建省平和縣布點(diǎn)的毫米波云雷達(dá)實(shí)際性能特點(diǎn)，且針對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行出現(xiàn)的距離旁瓣回波問(wèn)題，提出了改進(jìn)的質(zhì)量控制方法；并利用福建平和站2018年9月至2020年8月的觀測(cè)資料，定量評(píng)估質(zhì)量控制效果對(duì)云-降水探測(cè)的具體影響。結(jié)果表明：提出的質(zhì)量控制方法能較好改善雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，距離旁瓣回波被有效濾除。距離旁瓣回波顯著影響雷達(dá)對(duì)空中云雨回波的探測(cè)，影響最大集中在兩個(gè)寬脈沖模式的盲區(qū)以上起始高度附近，即1.50～2.28 km和3.63～7.74 km，且距離旁瓣回波出現(xiàn)頻次隨高度上升而逐漸下降；距離旁瓣回波主要會(huì)干擾雷達(dá)對(duì)中低空弱云的探測(cè)，會(huì)導(dǎo)致云底被低估、云頂和云厚被高估，三個(gè)云參數(shù)的平均誤差分別可達(dá)-0.53、0.74和0.73 km。

引 言

云對(duì)大氣輻射傳輸和能量平衡過(guò)程有重要影響，且是形成降水的前提，云的準(zhǔn)確和精細(xì)化探測(cè)有利于天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，也有助于提高云-降水物理過(guò)程研究，并能幫助人工影響天氣作業(yè)的開(kāi)展(劉黎平等,2014;黃興友等,2013;雷恒池等,2008;孫麗等，2019;程周杰等,2009)。

盡管目前已發(fā)展了多種觀測(cè)設(shè)備對(duì)云進(jìn)行探測(cè)，如衛(wèi)星、激光雷達(dá)和云高儀等，但它們的時(shí)空分辨率仍然有限，相較而言，毫米波云雷達(dá)是一種更有效的定點(diǎn)測(cè)云設(shè)備(鄭佳鋒等,2016；朱怡杰等,2019;張佃國(guó)等,2020;劉黎平等,2021)。毫米波云雷達(dá)具有波長(zhǎng)短、靈敏度高和時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供十分豐富的云回波信息和宏微觀物理參數(shù)，已被廣泛應(yīng)用于許多科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)和氣象業(yè)務(wù)(葛俊祥等,2018;劉黎平等,2015;王洪等,2020;吳舉秀等,2018;G?rsdorf et al,2015;丁虹鑫等,2018)。

目前，大多數(shù)毫米波云雷達(dá)都采用垂直指向的探測(cè)方式，以連續(xù)探測(cè)頂空各類(lèi)非降水云和弱降水云的垂直廓線(黃興友等,2020;陶法等,2020;仲凌志等,2009;Lhermitte,1987;Kropfli and Kelly, 1996)。為了保持雷達(dá)運(yùn)行穩(wěn)定持久，國(guó)外大多采用高壽命的電子真空管(Pasqualucci et al,1983;Paulsen et al,1970)，而國(guó)內(nèi)主要采用穩(wěn)定性較好的固態(tài)發(fā)射器件。固態(tài)發(fā)射機(jī)的優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)穩(wěn)定性好、持續(xù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，缺點(diǎn)是功率小、探測(cè)距離和靈敏度有限(仲凌志,2009;宗蓉,2013;鄭佳鋒,2016)。為了提高固態(tài)體制云雷達(dá)的探測(cè)能力，通常設(shè)計(jì)多種不同探測(cè)模式，通過(guò)多種模式組合的方式在一定程度上提高雷達(dá)系統(tǒng)的綜合觀測(cè)能力(Liu et al,2019)。但對(duì)于每個(gè)模式而言，雷達(dá)靈敏度、探測(cè)范圍和多普勒速度范圍等核心指標(biāo)無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)選擇，如相干積累和脈沖壓縮技術(shù)雖能有效提高靈敏度，但會(huì)使雷達(dá)多普勒速度探測(cè)范圍縮小和盲區(qū)擴(kuò)大(鄭佳鋒等,2016)。更重要的是，脈沖壓縮技術(shù)還帶來(lái)了“副作用”，即引起距離旁瓣回波。這種距離旁瓣不是天線波束旁瓣引起的回波，而是強(qiáng)云雨目標(biāo)物回波信號(hào)在脈沖壓縮后，無(wú)法被加窗濾波等方法消除的旁瓣信號(hào)，這些旁瓣信號(hào)會(huì)疊加至鄰近高度其他距離庫(kù)，而形成的一種虛假氣象回波(Moran et al,1998;馬書(shū)迪,2019)。距離旁瓣信號(hào)嚴(yán)重時(shí)會(huì)污染正常的云雨回波。目前，通過(guò)改善脈沖壓縮后的信號(hào)處理技術(shù)是一種消除距離旁瓣信號(hào)的途徑。如Gray and Farley(1973)采用部分相關(guān)法來(lái)消除距離旁瓣，但因使用不同碼長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼導(dǎo)致消除旁瓣的效果較差。Kobayashi(1982)使用修正后的偽隨機(jī)碼，提高了旁瓣回波消除成功率，但同時(shí)附帶產(chǎn)生多余的信號(hào)。文必洋等(1998)利用偽隨機(jī)碼調(diào)相技術(shù)把距離旁瓣當(dāng)作系統(tǒng)性干擾，通過(guò)扣除這種系統(tǒng)性干擾，達(dá)到消除旁瓣回波的目的。從實(shí)用性方面，一般通過(guò)比較不同距離庫(kù)的信號(hào)或回波強(qiáng)弱對(duì)距離旁瓣進(jìn)行判斷。如Moran et al(1998)以30 dB為判斷閾值，通過(guò)檢測(cè)旁瓣影響范圍內(nèi)是否有回波信號(hào)差異超過(guò)該閾值進(jìn)而做出判斷。Clothiaux et al(2000)利用功率譜數(shù)據(jù)，采用不同觀測(cè)模式的融合算法進(jìn)行距離旁瓣回波的濾除。Liu et al(2019)從雷達(dá)功率譜密度資料出發(fā)，通過(guò)雷達(dá)實(shí)際參數(shù)設(shè)定判斷范圍和閾值進(jìn)行旁瓣濾除。

盡管上述方法對(duì)距離旁瓣回波濾除有一定效果，但由于不同毫米波云雷達(dá)在性能上的實(shí)際差異，實(shí)際應(yīng)用中仍需調(diào)整相關(guān)閾值等重要參數(shù)；另外，在過(guò)去研究中也很少開(kāi)展距離旁瓣回波對(duì)雷達(dá)探測(cè)云參數(shù)影響的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估。為了提高對(duì)云的自動(dòng)化觀測(cè)能力，福建省建設(shè)了3部毫米波云雷達(dá)，本文針對(duì)該雷達(dá)的實(shí)際性能，提出了改進(jìn)的距離旁瓣回波質(zhì)量控制方法；并利用福建平和站雷達(dá)2018年9月至2020年8月兩年的觀測(cè)資料，定量評(píng)估了距離旁瓣回波對(duì)空中云雨回波、云底高度、云頂高度和云厚度探測(cè)的影響。旨在為毫米波云雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和云自動(dòng)化觀測(cè)提供參考。

1 設(shè)備與資料介紹

本文使用的毫米波云雷達(dá)是一部Ka波段、多普勒、固態(tài)體制雷達(dá)，由中國(guó)航空科工集團(tuán)第23研究所研制。雷達(dá)垂直指向工作，頻率為35 GHz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為8.57 mm)，波束寬度為0.4°，探測(cè)高度范圍為0.12～20 km，空間和時(shí)間分辨率分別為30 m和1 min，觀測(cè)資料包括雷達(dá)反射率因子(Z)、徑向速度(V)、譜寬(σV)、線性退偏振比(LDR)和功率譜(SP)等。為提高雷達(dá)對(duì)不同高度、不同強(qiáng)弱云層的綜合探測(cè)能力，雷達(dá)設(shè)計(jì)了四種探測(cè)模式，包括邊界層模式(ML)、降水模式(MP)、中云模式(MM)和高云模式(MH)。四種模式采用不同的脈沖寬度、相干積累、非相干積累和脈沖壓縮等技術(shù)。ML通過(guò)相干積累來(lái)提高靈敏度，主要針對(duì)低空弱云的探測(cè)；MP則不采用相關(guān)積累，從而保持最大的速度測(cè)量范圍和抗飽和能力，因此較適合于弱降水的探測(cè)。MH采用遠(yuǎn)寬于其他模式的脈沖，可以獲得比MP高20.79 dB的靈敏度，適用于高空卷云等的探測(cè)；MM則介于窄脈沖模式和MH之間，適用于中云的探測(cè)。此外，ML和MP還具有更短的雷達(dá)盲區(qū)，而MM和MH盲區(qū)較大。雷達(dá)工作時(shí)，四個(gè)模式輪流運(yùn)行，最終四個(gè)模式的探測(cè)結(jié)果被進(jìn)一步融合形成融合數(shù)據(jù)(Liu et al,2019)。雷達(dá)四種探測(cè)模式的主要參數(shù)如表1所示。

表1 雷達(dá)四種探測(cè)模式主要參數(shù)Table 1 Major parameters of four radar detection modes

本文評(píng)估時(shí)采用2018年9月至2020年8月福建平和站毫米波云雷達(dá)24 h連續(xù)觀測(cè)所獲得的融合數(shù)據(jù)(每1小時(shí)的探測(cè)結(jié)果視為1個(gè)樣本)，樣本總量為16 808個(gè)。

2 方 法

2.1 距離旁瓣回波特征和形態(tài)特征

毫米波云雷達(dá)垂直探測(cè)時(shí)，若某個(gè)高度有很強(qiáng)的云雨信號(hào)，其脈沖壓縮后的旁瓣信號(hào)會(huì)疊加到上下一定范圍的距離庫(kù)內(nèi)，使得原來(lái)沒(méi)有回波的庫(kù)出現(xiàn)回波(或疊加)，即出現(xiàn)距離旁瓣回波。距離旁瓣回波的強(qiáng)弱和體量與附近強(qiáng)回波的強(qiáng)度、面積以及雷達(dá)脈沖壓縮比(PCR)有關(guān)。當(dāng)存在大面積的強(qiáng)云雨回波時(shí)，形成的旁瓣回波也將越顯著；而PCR越大，旁瓣回波出現(xiàn)的范圍也會(huì)越大。

普查實(shí)際觀測(cè)資料中距離旁瓣回波的雷達(dá)回波特征和形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)有兩類(lèi)。如圖1為2019年5月28日21:00—22:00(北京時(shí)，下同)多層云條件下雷達(dá)四種模式探測(cè)的反射率因子回波及融合結(jié)果。從圖1e可見(jiàn)，強(qiáng)回波附近在1.47 km和3.74 km 左右出現(xiàn)一種特殊外觀——“底部截面式”的弱回波(如箭頭所示)，這種弱回波即是因雷達(dá)采用脈沖壓縮技術(shù)所引起的距離旁瓣，然而因設(shè)備廠家將盲區(qū)以下的區(qū)域設(shè)置為無(wú)效回波，因此最終出現(xiàn)底部為截面的特殊形態(tài)。另外一種距離旁瓣，則底部沒(méi)有特殊形態(tài)，本文稱為“普通式”旁瓣回波，如圖3a中的A。對(duì)于本文雷達(dá)的MM和MH模式，它們的PCR分別為40和125，對(duì)應(yīng)旁瓣影響的高度范圍分別為1.20 km和3.60 km，對(duì)應(yīng)探測(cè)盲區(qū)分別為1.47 km和3.74 km；而ML和MP盲區(qū)僅為0.12 km。從圖1b和1c可見(jiàn)，由于采用脈沖壓縮，MM和MH模式分別在1.47 km和3.74 km左右發(fā)現(xiàn)“底部截面式”的距離旁瓣回波，而未采用脈沖壓縮的ML和MP模式均未出現(xiàn)。

圖1 2019年5月28日21:00—22:00福建平和多層云條件下雷達(dá)(a～d)四種模式探測(cè)及(e)融合結(jié)果的反射率因子回波(a)ML,(b)MM,(c)MH,(d)MPFig.1 Echo intensity graph of reflectivity factor by (a-d) four detection modes and (e) fusion products of radar under multi-cloud condition in Pinghe of Fujian Province from 21:00 BT to 22:00 BT 28 May 2019(a) ML, (b) MM, (c) MH, (d) MP

2.2 驗(yàn)證距離旁瓣回波的真實(shí)性

研究表明，雷達(dá)的脈沖寬度與主副瓣比是息息相關(guān)的，脈沖寬度增加，其相應(yīng)的主副瓣比也提高，而雷達(dá)主副瓣比的值是衡量抑制副瓣效果好壞的重要指標(biāo)(董彥達(dá),2009;鄭巖,2011;李紅霞,2018)。因此為了更好地驗(yàn)證距離旁瓣回波的真實(shí)性，利用仿真的方式分析福建平和毫米波云雷達(dá)MM和MH模式不同脈沖寬度的主副瓣分布。如圖2所示，采用8 μs和24 μs的脈沖寬度，其雷達(dá)的主副瓣比分布為-32.31 dB和-41.67 dB,表明隨著脈沖寬度的增加，雷達(dá)的主副瓣比也相應(yīng)的提高。根據(jù)丁留貫(2007)，在雷達(dá)整體設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好地抑制距離旁瓣，理論上雷達(dá)的主副瓣比需達(dá)到45 dB以上，才能將副瓣減少到最小，但實(shí)際往往是做不到的。一方面是由于雷達(dá)實(shí)際帶寬是有限的，信號(hào)能量會(huì)從主瓣泄露出來(lái)，另一方面是受雷達(dá)本身的實(shí)際性能所限。因此本文在MM和MH模式中所使用的脈沖寬度是會(huì)引起距離旁瓣的。

圖2 福建平和毫米波云雷達(dá)(a)MM和(b)MH模式的主副瓣分布結(jié)果Fig.2 Distribution results of main and side lobes of (a) MM and (b) MH modes of millimeter wave cloud radar in Pinghe of Fujian Province

2.3 質(zhì)量控制方法

以往研究主要從雷達(dá)的信號(hào)處理角度對(duì)脈沖壓縮附帶的旁瓣信號(hào)進(jìn)行抑制，本文從雷達(dá)的基數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)毫米波云雷達(dá)實(shí)際性能參數(shù)，并結(jié)合上述距離旁瓣的回波特征和形態(tài)特征，提出了改進(jìn)的質(zhì)量控制方法。詳細(xì)描述如下：

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，圖紙繪制是重要的流程。在圖紙繪制過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常要將暖通空調(diào)系統(tǒng)中的水泵和空調(diào)機(jī)組運(yùn)行圖進(jìn)行繪制，在該過(guò)程中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以從BIM技術(shù)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中直接調(diào)用與空調(diào)暖通設(shè)計(jì)各參數(shù)與性能相匹配的原件，提高工作效率。此外，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)人員可以利用BIM技術(shù)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求調(diào)整設(shè)計(jì)模型，使設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。此外，應(yīng)用BIM技術(shù)可以詳細(xì)查看設(shè)計(jì)模型的任意剖面，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，減少了施工期間的設(shè)計(jì)變更。

以雷達(dá)融合數(shù)據(jù)作為質(zhì)量控制數(shù)據(jù)對(duì)象。首先，根據(jù)“底部截面式”距離旁瓣回波的形態(tài)特征，檢測(cè)MM和MH模式第一個(gè)有效距離庫(kù)是否有前后時(shí)次連續(xù)7個(gè)以上的徑向有效回波，且其下方是否都為無(wú)效回波；若兩個(gè)條件都滿足，則認(rèn)為其上部存在“底部截面式”的旁瓣回波，從旁瓣底部一直將回波刪除至頂部。其次，借鑒Moran et al(1998)和Liu et al(2019)的閾值法，對(duì)兩個(gè)模式的“普通式”旁瓣回波進(jìn)一步識(shí)別，如式(1)所示:

Z(i,x)>Z(i,j)+T，

j-PCR

(1)

式中：Z(i,j)為當(dāng)前第i個(gè)徑向第j距離庫(kù)的反射率因子，Z(i,x)為前后第i個(gè)徑向第x距離庫(kù)的反射率因子。若檢測(cè)到旁瓣影響范圍上下PCR個(gè)距離庫(kù)內(nèi)存在高出閾值T的回波,則認(rèn)為當(dāng)前回波受距離旁瓣回波污染，則將其刪除。關(guān)于T的取值，本文通過(guò)多次試驗(yàn)，將閾值T設(shè)置為30 dB。圖3為2019年5月19日20:00 至20日04:00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)的低空層云、積云和高空卷積云質(zhì)量控制前后回波強(qiáng)度對(duì)比。圖3b，3c和3d分別為把T閾值設(shè)置成25、30和35 dB的結(jié)果。對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)T為25 dB有所偏高，云底和云頂?shù)娜趸夭ū贿^(guò)度濾除(A和B箭頭所指)；而T為30 dB時(shí)，結(jié)果較合適，質(zhì)量控制后云底和碎云都保留完好，且旁瓣回波也被濾除較好；當(dāng)T增大為35 dB時(shí)，云底相連的旁瓣回波大部分未能被濾除。因此本文將閾值T設(shè)置為30 dB較為合理。

2.4 質(zhì)量控制方法有效性驗(yàn)證

因福建平和站的毫米波云雷達(dá)在同址未布設(shè)相關(guān)的對(duì)比設(shè)備，因此，為了驗(yàn)證質(zhì)量控制方法，利用廣東陽(yáng)江布設(shè)的Ka波段毫米波云雷達(dá)和一部同址觀測(cè)的C波段連續(xù)波雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比分析。需要說(shuō)明的是，該毫米波云雷達(dá)同由中國(guó)航空科工集團(tuán)第23研究所研制，在體制和性能特點(diǎn)上相似；C波段連續(xù)波雷達(dá)也采用垂直指向的觀測(cè)方式，且不受距離旁瓣的影響；此外，C波段連續(xù)波雷達(dá)實(shí)際在2.04 km 以下的靈敏度比毫米波云雷達(dá)高7 dB，2.04 km 以上則低8 dB，因此也具備測(cè)云能力。以下給出2個(gè)不同典型云類(lèi)個(gè)例對(duì)毫米波云雷達(dá)質(zhì)量控制方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 2019年5月19日20：00至20日04：00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)的低空層云、積云和高空卷積云質(zhì)量控制前后回波強(qiáng)度對(duì)比(a)質(zhì)量控制前，(b)質(zhì)量控制后T=25 dB，(c)質(zhì)量控制后T=30 dB，(d)質(zhì)量控制后T=35 dBFig.3 Echo intensity comparison before and after radar quality control of low altitude stratus clouds, cumulus and high altitude cirrocumulus observed in Pinghe of Fujian Province from 20:00 BT 19 to 04:00 BT 20 May 2019 (a) before quality control, (b, c, d) after quality control in T= 25 dB, (c) T= 30 dB, (d) T= 35 dB

個(gè)例1 (積云)：圖4為2014年6月6日03:00—06:00廣東陽(yáng)江Ka波段毫米波云雷達(dá)和同址C波段連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)的反射率因子回波對(duì)比。C波段連續(xù)波雷達(dá)對(duì)晴空湍流有更強(qiáng)的探測(cè)能力(阮征等,2015)，因此在低空存在湍流回波(圖4a中箭頭A所示)。由圖4b可見(jiàn)，毫米波云雷達(dá)圖像中，積云云頂出現(xiàn)顯著的旁瓣回波，在2.04～3.2 km存在“底部截面式”的旁瓣回波A；積云頂部還有厚度在2 km 左右的“普通式”旁瓣回波B，它們的形成主要由下方強(qiáng)回波信號(hào)導(dǎo)致。而從圖4c可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)本文質(zhì)量控制方法處理后，該個(gè)例兩類(lèi)距離旁瓣回波都被較有效濾除；質(zhì)量控制后積云的云頂和整體形態(tài)顯然與C波段連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)結(jié)果更為吻合。

個(gè)例2 (濃積云)：圖5為2014年6月6日03:50—04:40廣東陽(yáng)江Ka波段毫米波云雷達(dá)和同址C波段連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)的反射率因子回波對(duì)比。由圖可見(jiàn)，該濃積云回波較強(qiáng)，最強(qiáng)可接近25 dBz，C波段連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)到的云頂高度和毫米波云雷達(dá)基本一致，但云底卻存在差異；毫米波云雷達(dá)云底部分下伸的回波與上部強(qiáng)回波形態(tài)十分一致，因此可判斷毫米波雷達(dá)測(cè)量的濃積云底部存在厚度約為1 km的“普通式”旁瓣回波A。經(jīng)過(guò)本文質(zhì)量控制方法處理后，濃積云的云底及回波結(jié)構(gòu)與C波段連續(xù)波觀測(cè)結(jié)果更為吻合。

3 福建平和典型云類(lèi)的質(zhì)量控制效果分析

圖4 2014年6月6日03：00—06：00廣東陽(yáng)江毫米波云雷達(dá)和同址一部C波段連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)的反射率因子回波對(duì)比(a)C波段連續(xù)波雷達(dá)，(b)毫米波云雷達(dá)，(c)質(zhì)量控制后的毫米波云雷達(dá)Fig.4 Comparison of reflectivity factor echoes detected by millimeter wave cloud radar and C-band continuous wave radar in Yangjiang of Guangdong Province from 03:00 BT to 06:00 BT 6 June 2014(a) C-band continuous wave radar, (b) millimeter wave cloud radar, (c) millimeter wave cloud radar image after quality control

圖5 同圖4，但為2014年6月6日03:50—04:40Fig.5 Same as Fig.4, but from 03:50 BT to 04:40 BT 6 June 2014

3.1 弱對(duì)流性降水云個(gè)例

圖6為2019年5月29日02:00—04:00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)到的弱對(duì)流性降水云質(zhì)量控制前后效果對(duì)比。由圖5a1，5b1，5c1可見(jiàn)，弱對(duì)流云在3.87～7.2 km存在“底部截面式”的距離旁瓣回波A，頂部則存在厚度約為3 km的“普通式”距離旁瓣回波B，這些旁瓣回波均出現(xiàn)在Z、V和σV的圖像中。同時(shí)，觀察到弱對(duì)流降水云頂部的距離旁瓣還表現(xiàn)出較大的σV，這是因疊加了其下方3.75 km范圍內(nèi)的強(qiáng)回波旁瓣信號(hào)，使得整體的信號(hào)譜較寬且分散。如圖6a2，6b2，6c2所示，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后兩類(lèi)距離旁瓣回波均被有效濾除。

3.2 弱層狀降水云個(gè)例

圖7為2019年4月11日00:00—02:00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)到的低空弱層狀降水云質(zhì)量控制前后效果對(duì)比。由圖7a1，7b1，7c1可見(jiàn)，質(zhì)量控制前層狀云上空1.47～2 km存在“底部截面式”的距離旁瓣回波A，旁瓣回波均在Z、V和σV中出現(xiàn)。而圖7a2，7b2，7c2表明，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后距離旁瓣回波在Z、V和σV回波中均被有效濾除。

3.3 高空卷積云個(gè)例

圖8為2019年5月20日00:00—02:00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)到的高空卷積云質(zhì)量控制前后效果對(duì)比。由圖8a1,8b1,8c1可見(jiàn)，在高度約6～14 km的卷積云回波中，觀測(cè)到強(qiáng)回波底部存在厚度約為2.5 km 的“普通式”旁瓣回波A，旁瓣回波同樣在Z、V和σV的圖像中都出現(xiàn)。且從圖8c1發(fā)現(xiàn)卷積云底部的譜寬值較大，主要也是因旁瓣信號(hào)的疊加造成。從圖8a2，8b2，8c2的質(zhì)量控制效果來(lái)看，卷積云底部的距離旁瓣回波被有效濾除。

圖6 2019年5月29日02:00—04:00福建平和雷達(dá)上空觀測(cè)到的弱對(duì)流性降水云(a1,b1,c1)質(zhì)量控制前和(a2,b2,c2)質(zhì)量控制后效果對(duì)比(a1,a2)Z,(b1,b2)V,(c1,c2)σVFig.6 Comparison of effects (a1, b1, c1) before and (a2, b2, c2) after radar quality control of weak convective precipitation cloud observed in Pinghe of Fujian Province from 02:00 BT to 04:00 BT 29 May 2019(a1, a2) Z, (b1, b2) V, (c1, c2) σV

圖7 同圖6，但為2019年4月11日00:00—02:00的弱層狀降水云Fig.7 Same as Fig.6, but for weak stratiform precipitation cloud from 00:00 BT to 02:00 BT 11 April 2019

圖8 同圖6，但為2019年5月20日00:00—02:00的高空卷積云Fig.8 Same as Fig.6, but for high altitude cirrocumulus from 00:00 BT to 02:00 BT 20 May 2019

以上三個(gè)不同典型云類(lèi)的個(gè)例分析說(shuō)明本文的距離旁瓣回波質(zhì)量控制方法對(duì)雷達(dá)資料有明顯改善，同時(shí)普適性也較好。

4 距離旁瓣回波對(duì)云探測(cè)影響的評(píng)估

利用本文方法對(duì)2018年9月至2020年8月福建平和站兩年的雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制，并將質(zhì)量控制前后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估距離旁瓣回波對(duì)空中云雨回波、云底高度、云頂高度和云厚度探測(cè)的具體影響。

4.1 距離旁瓣回波對(duì)空中云雨回波的影響

距離旁瓣回波會(huì)污染正常的云雨回波，一種是它們會(huì)疊加到正常的云雨回波信號(hào)上，從而引起測(cè)量誤差；另一種是出現(xiàn)在正常云層的底部和頂部，導(dǎo)致回波體量增多且顯著影響云的宏觀參數(shù)，如云底高度、云頂高度和云厚度等。對(duì)于第一種，試圖將旁瓣信號(hào)從正常云雨信號(hào)中分離是十分困難的，因此本文主要討論第二種情況對(duì)云雨探測(cè)的影響。

統(tǒng)計(jì)觀測(cè)期間雷達(dá)回波頻次在濾除旁瓣回波前后的高度變化，結(jié)果如圖9所示。質(zhì)量控制前后雷達(dá)回波頻次的差異可反映出旁瓣對(duì)云雨回波體量的影響，旁瓣回波占總回波頻次10%以上的影響高度分布在1.5～2.28 km和3.63～7.74 km，這兩個(gè)高度區(qū)間正好靠近MM和MH兩個(gè)寬脈沖模式的盲區(qū)以上起始高度，且隨著高度增高旁瓣回波的比例逐漸下降。在這兩個(gè)高度區(qū)間，旁瓣回波占雷達(dá)總回波頻次的比例分別為10.06%～27.12%和10.00%～34.75%，最大比例高度分別在1.53 km和3.96 km，因此距離旁瓣回波對(duì)中低云的探測(cè)有較顯著的影響。

為了進(jìn)一步分析距離旁瓣對(duì)空中云雨回波空間分布的影響，統(tǒng)計(jì)雷達(dá)探測(cè)到的Z、V和σV的高度-頻次分布(圖10)。由圖10可見(jiàn)，距離旁瓣影響云雨回波空間分布明顯，濾除旁瓣回波后Z、V和σV樣本量整體減少，距離旁瓣的回波強(qiáng)度Z分布在-42～18 dBz，占總樣本量的9.91%，在Z=-20 dBz時(shí)達(dá)到最大值(2.35×105)，占Z總樣本量的3.98%；徑向速度V分布在-5.3～0.48 m·s-1,占總樣本量的9.64%，在V=-0.8 m·s-1時(shí)達(dá)到最大值(4.66×105)，占V總樣本量的8.70%；譜寬σV分布在0～2.0 m·s-1，占總樣本量的10.72%，在σV=0.2 m·s-1時(shí)達(dá)到最大值(8.03×105)，占σV總樣本量的14.77%。距離旁瓣的Z、V和σV分布特征說(shuō)明，其主要影響對(duì)弱云的探測(cè)。

圖9 2018年9月至2020年8月福建平和距離質(zhì)量控制前后雷達(dá)有效回波頻次隨高度的變化Fig.9 Frequency distribution of valid radar echoes at different heights before and after quality control in Pinghe of Fujian Province from September 2018 to August 2020

4.2 距離旁瓣回波對(duì)云底高度、云頂高度和云厚度的影響

為了進(jìn)一步評(píng)估距離旁瓣對(duì)云宏觀參數(shù)探測(cè)的影響，首先分別利用質(zhì)量控制前后的反射率因子資料反演出云層的云底高度(CBH)、云頂高度(CTH)和云厚度(CTK)，隨后再對(duì)比兩種反演結(jié)果的差異。CBH、CTH和CTK的反演方法借鑒王喆等(2016)的云邊界檢測(cè)法：即根據(jù)雷達(dá)探測(cè)的反射率因子回波檢測(cè)每根徑向上連續(xù)回波的底部和頂部邊界 (以-40 dBz作為入云和出云判斷條件)，并將邊界視為云底和云頂，而將兩者的差視為云厚度；考慮到實(shí)際中松散云系可能帶來(lái)的誤判，將CTK<210 m做進(jìn)一步判斷，如果該薄云與上下云層間隔小于720 m，則認(rèn)為它不是可靠的獨(dú)立云層，否則將其與相鄰云層合并。

質(zhì)量控制前(OR)和質(zhì)量控制后(QC)的CBH、CTH和CTK誤差如圖11和表2所示。旁瓣回波使得CBH被低估，CTH和CTK被高估。90%的CBH誤差分布于-1.8～-0.15 km，平均誤差為-0.53 km；90%的CTH和CTK誤差均分布于0.15～2.7 km，平均誤差分別則為0.74 km和0.73 km。誤差整體說(shuō)明，距離旁瓣對(duì)云宏觀參數(shù)的影響是非常顯著的。

圖10 2018年9月至2020年8月福建平和雷達(dá)探測(cè)到的(a1,a2)Z,(b1,b2)V和(c1,c2)σV的頻次-高度分布(a1,b1,c1)質(zhì)量控制前后，(a2,b2,c2)距離旁瓣Fig.10 Frequency-height distributions of radar measured (a1, a2) Z, (b1, b2) V and (c1, c2) σV in Pinghe of Fujian Province from September 2018 to August 2020,(a1, b1, c1) before and after quality control, (a2, b2, c2) Z, V and σV of range sidelobes

圖11 2018年9月至2020年8月福建平和距離旁瓣回波引起的(a)云底高度(CBH),(b)云頂高度(CTH)和(c)云厚度(CTK)的誤差分布Fig.11 Error distributions of (a) cloud base height (CBH), (b) cloud top height (CTH), and (c) cloud thickness (CTK) caused by radar range sidelobes in Pinghe of Fujian Province from September 2018 to August 2020

表2 2018年9月至2020年8月福建平和距離旁瓣引起的云宏觀參數(shù)探測(cè)誤差(單位：km)Table 2 Detection errors of cloud macrophysical parameters caused by radar range sidelobes in Pinghe of Fujian Province from September 2018 to August 2020 (unit: km)

5 結(jié) 論

采用福建省平和縣獲取的2018年9月至2020年8月連續(xù)觀測(cè)的毫米波云雷達(dá)數(shù)據(jù)，針對(duì)毫米波云雷達(dá)在業(yè)務(wù)觀測(cè)中出現(xiàn)的距離旁瓣回波質(zhì)量問(wèn)題，結(jié)合雷達(dá)回波特征，提出改進(jìn)的質(zhì)量控制方法，并詳細(xì)評(píng)估它們對(duì)云探測(cè)的具體影響。主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)福建平和站出現(xiàn)的兩種不同形態(tài)(即“底部截面式”和“普通式”)的距離旁瓣回波，提出了改進(jìn)的質(zhì)量控制方法，該方法可以有效濾除兩類(lèi)距離旁瓣，且具有較好的普適性。

(2)距離旁瓣回波會(huì)顯著影響雷達(dá)對(duì)空中云雨回波的探測(cè)，但影響高度主要集中在寬脈沖模式的盲區(qū)附近，即1.5～2.28 km和3.63～7.74 km的兩個(gè)高度區(qū)間，距離旁瓣回波分別可占總回波量的10.06%～27.12%和10.00%～34.75%。距離旁瓣出現(xiàn)頻次還會(huì)隨高度升高而逐漸下降，因此距離旁瓣回波主要影響對(duì)中低云的探測(cè)。

(3)距離旁瓣回波的Z主要分布在-42～18 dBz，占總樣本量的9.91%；V主要分布在-5.3～0.48 m·s-1,占總樣本量的9.64%；σV分布在0～2.0 m·s-1，占總樣本量的10.72%，其主要污染對(duì)弱云的探測(cè)。

(4)距離旁瓣回波對(duì)云底高度、云頂高度和云厚度的探測(cè)也有重要影響，它使得云底高度被低估,云頂高度和云厚度被高估。引起三種云參數(shù)探測(cè)的平均誤差分別可達(dá)-0.53、0.74和0.73 km。