黃　勤，龍亞星，任　芳

(1.陜西省氣象信息中心，西安　710014；2.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安　710014；

3.陜西省氣象服務(wù)中心，西安　710014)

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陜西新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

黃勤1，龍亞星2，任芳3

(1.陜西省氣象信息中心，西安710014；2.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安710014；

3.陜西省氣象服務(wù)中心，西安710014)

摘要：統(tǒng)計(jì)分析了陜西新一代天氣雷達(dá)資料中的固定地物、超折射和徑向干擾回波分布情況，并介紹了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，重點(diǎn)對(duì)西安雷達(dá)數(shù)據(jù)中的強(qiáng)地物、超折射和徑向干擾回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，結(jié)果表明：(1)利用模板匹配和回波紋理結(jié)構(gòu)能夠有效識(shí)別抑制固定地物回波；(2)傾斜測(cè)試法結(jié)合回波強(qiáng)度和徑向速度識(shí)別抑制超折射回波效果明顯；(3)采用相鄰徑向有效庫(kù)數(shù)比較和中值濾波識(shí)別抑制徑向電磁干擾效果明顯。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；固定地物；超折射；徑向干擾

天氣雷達(dá)資料在估測(cè)降水、短時(shí)預(yù)報(bào)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料同化等科研和業(yè)務(wù)中取得了廣泛應(yīng)用，目前，已有多種方法用于識(shí)別和抑制天氣雷達(dá)中的非氣象回波來提高雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量。陳媛[1]介紹了幾種雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。宗蓉等[2]基于地物和超折射的水平、垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行非降水回波識(shí)別。李豐等[3-6]開展了基于模糊邏輯識(shí)別和回波分塊的非降水氣象回波識(shí)別算法研究。江源等[7-8]對(duì)天氣雷達(dá)出現(xiàn)的電磁干擾回波進(jìn)行分析處理。莊旭東等[9-10]對(duì)超折射回波進(jìn)行了分析抑制。目前，陜西省氣象部門已經(jīng)運(yùn)行榆林、延安、西安、寶雞、商洛、安康、漢中共7部CB型天氣雷達(dá)。由于陜西地勢(shì)南北高、中間低，多部天氣雷達(dá)資料中存在地物回波和回波遮擋的問題，另外還存在徑向掉線和固定方向的電磁干擾。以上問題對(duì)雷達(dá)資料深入應(yīng)用有較大影響。因此，針對(duì)陜西新一代天氣雷達(dá)資料中的固定地物、超折射和徑向干擾的回波問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，重點(diǎn)對(duì)西安雷達(dá)站數(shù)據(jù)的強(qiáng)固定地物雜波、超折射回波和徑向干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1雷達(dá)資料預(yù)處理

在對(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和控制前，需進(jìn)行雷達(dá)徑向掉線預(yù)處理。陜西雷達(dá)的徑向掉線分為掉線1個(gè)和超過10個(gè)兩種情況，本文采用相鄰兩個(gè)徑向平均值對(duì)1個(gè)徑向掉線數(shù)據(jù)做插值處理，對(duì)超過10個(gè)徑向掉線數(shù)據(jù)不做處理。

2數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和質(zhì)量控制

2.1固定地物雜波

統(tǒng)計(jì)陜西7部天氣雷達(dá)地物回波分布情況，其中西安、寶雞、安康和榆林4站雷達(dá)有較明顯的地物回波，其徑向速度和速度譜寬趨近于零，反射率因子具有較高的值，回波形態(tài)基本不變(見45頁(yè)圖1)。其中，西安、寶雞和安康的地物均為秦嶺山脈，榆林的地物為陜北高原。由于秦嶺山脈的平均海拔高度在2 km以上，西安雷達(dá)站海拔高度為456 m，西安雷達(dá)在最低仰角時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到山脈后被山體吸收，出現(xiàn)方位角超過50°的波束遮擋，1.5°仰角沒有出現(xiàn)地物回波，分析其原因?yàn)槔走_(dá)對(duì)該仰角層回波進(jìn)行了雜波抑制，地物回波僅出現(xiàn)在2.4°仰角，位于雷達(dá)站以南60～80 km。寶雞雷達(dá)同樣受秦嶺山脈的影響，在0.5°、1.5°、2.4°仰角中受到不同程度的地物遮擋，且自西北向東南方向，存在長(zhǎng)度達(dá)300 km、最大回波強(qiáng)度達(dá)15 dBz的地物回波帶。在2.4°仰角中出現(xiàn)較強(qiáng)地物回波，回波強(qiáng)度達(dá)到60 dBz，位于雷達(dá)站以南40～80 km。安康雷達(dá)資料中地物回波在0.5°～2.4°仰角中均有，最大回波強(qiáng)度大于60 dBz，位于雷達(dá)站西北方向，方位角為270°～310°。榆林雷達(dá)的地物回波只存在于0.5°仰角中，位于雷達(dá)站附近及雷達(dá)站西南40～80 km。

根據(jù)以上地物回波的分布特征，在晴空條件下，設(shè)定雷達(dá)回波強(qiáng)度大于10 dBz，徑向速度和速度譜寬趨近0 m/s，并結(jié)合地物回波出現(xiàn)的方位角區(qū)間，制作適合本雷達(dá)站的地物模板，采用地物模板匹配方法[10]自動(dòng)識(shí)別晴空條件下的地物雜波。當(dāng)?shù)匚镫s波在降水區(qū)域時(shí)，根據(jù)在晴空條件下統(tǒng)計(jì)的地物模板，利用以下公式[5]計(jì)算模板區(qū)域回波紋理識(shí)別地物回波，公式如下：

(1)

其中，TDBz表示回波強(qiáng)度紋理，反映回波強(qiáng)度的局地變化大小，單位為dB2，本文中設(shè)定滿足TDBz>40dB2的回波為地物回波；NA、NR表示在方位和距離方向定義的計(jì)算范圍，本文規(guī)定NA=NR=3；Zi,j為任意點(diǎn)的回波強(qiáng)度。當(dāng)識(shí)別出地物回波后，將回波強(qiáng)度值賦值為無效值(如：-999或999)達(dá)到抑制效果。

根據(jù)上述識(shí)別和抑制地物回波的方法，分別選取了西安雷達(dá)2015年4月1日19：47和16：13數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

西安雷達(dá)2.4°仰角存在地物回波，位于雷達(dá)站以南60～80 km處。當(dāng)?shù)匚镫s波(見45頁(yè)圖2a中白色虛線區(qū)域)不在降水區(qū)域時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)形成的地物回波模板，對(duì)該數(shù)據(jù)中的地物雜波進(jìn)行識(shí)別抑制。效果見圖2b，圖2a中白色虛線部分地物回波已明顯得到抑制，可見地物模板匹配方法能夠有效地抑制地物雜波。

選取2015年4月1日16時(shí)13分西安雷達(dá)站數(shù)據(jù)分析地物雜波在降水區(qū)域中識(shí)別和抑制情況。雜波(見46頁(yè)圖3a黑色虛線區(qū)域)形態(tài)不如在非降水區(qū)域時(shí)規(guī)則清晰，且部分雜波淹沒在降水回波中，但仍可見隨時(shí)間推移而固定不變的回波區(qū)域，最大回波強(qiáng)度為71 dBz，徑向速度和速度譜寬趨近于0 m/s。由于雜波在降水回波區(qū)域中，需結(jié)合該區(qū)域的回波紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別。抑制后效果見圖3b，圖3a黑色虛線中強(qiáng)回波已被抑制，且避免了該區(qū)域中滿足徑向速度和速度譜寬趨近于0 m/s的有效回波被抑制。

2.2超折射回波

當(dāng)大氣層中出現(xiàn)溫度隨高度的增加而升高或濕度隨高度的增加而減小時(shí)，雷達(dá)的電磁波方向因大氣折射指數(shù)的變化而折向地面，形成超折射回波。根據(jù)陜西目前的雷達(dá)資料，僅發(fā)現(xiàn)西安雷達(dá)在晴天的早間和傍晚時(shí)常存在較明顯的超折射，超折射回波出現(xiàn)在0.5°仰角未被山體遮擋的區(qū)域，本文采用傾斜測(cè)試法[11]，并結(jié)合回波強(qiáng)度和速度值自動(dòng)識(shí)別超折射回波。具體方法：首先，采用傾斜測(cè)試方法計(jì)算1.5°仰角相對(duì)于0.5°仰角在相同距離圈內(nèi)回波面積差值的百分比值，并設(shè)定超折射閾值為50%，若計(jì)算值≥50%，則判定0.5°仰角回波為“可疑超折射回波”；然后，根據(jù)徑向速度和速度譜寬是否趨近0 m/s識(shí)別出超折射回波；最后，將回波值賦值為無效值達(dá)到抑制超折射回波效果。

根據(jù)上述識(shí)別抑制方法，確定西安2015年4月22日07：31數(shù)據(jù)的0.5°仰角存在超折射回波，測(cè)試閾值為0.67。超折射回波強(qiáng)度大，呈放射狀(見46頁(yè)圖4a)。抑制后，超折射回波得到明顯抑制(圖4b)。但仍存在未抑制的強(qiáng)度大于40 dBz的雜波，主要是由于原雜波的徑向速度為-14 m/s，超折射回波抑制條件為徑向速度趨近0 m/s，因此造成雜波抑制不完全。

2.3徑向干擾

目前，從陜西部分雷達(dá)圖像中可以看到呈直線狀的干擾回波，且方向比較固定，判斷應(yīng)為來自遠(yuǎn)距離的單頻點(diǎn)電磁干擾。西安雷達(dá)回波中，徑向干擾較為嚴(yán)重，主要來自以下4個(gè)方位角附近：45°、105°、160°和357°，當(dāng)發(fā)生超折射時(shí)，在275°方位角附近也會(huì)出現(xiàn)徑向干擾。寶雞雷達(dá)回波中，干擾主要來自148°方位角附近。安康和商洛雷達(dá)徑向干擾主要來自20°和295°方位角附近，偶爾有來自320°方位角附近的干擾。榆林雷達(dá)有來自225°方位角附近的干擾。首先將相鄰兩個(gè)徑向的有效回波距離庫(kù)數(shù)進(jìn)行分析，得到其有效差值距離庫(kù)數(shù)，定義差值超過200的為干擾回波，然后采用中值濾波[8]對(duì)干擾回波進(jìn)行抑制。

圖1　雷達(dá)固定地物回波反射率(虛線內(nèi)為固定地物回波；a 西安，2.4°；b 寶雞，2.4°；c 安康，0.5°；d 榆林，0.5°)

選取西安雷達(dá)2015年4月1日19時(shí)41分?jǐn)?shù)據(jù)做徑向干擾抑制分析，可以看出，徑向干擾出現(xiàn)在方位角105°和160°附近(見46頁(yè)圖5a)，呈條幅狀。其中，在方位105°附近存在連續(xù)兩個(gè)徑向的干擾波。采用相鄰徑向比較和中值濾波方法，徑向干擾抑制效果明顯(圖5b)。由于有效差值距離庫(kù)數(shù)的閾值為固定值，所以圖5b中仍存在徑向距離庫(kù)數(shù)較少的干擾回波。

圖3　2015-04-01T16：13西安雷達(dá)2.4°仰角反射率圖 (a 抑制前；b 抑制后)(黑色虛線內(nèi)為地物雜波)

圖4　2015-04-22T07：31西安雷達(dá)0.5°仰角反射率圖(a 抑制前；b 抑制后)

圖5　2015-04-01T19:41西安雷達(dá)0.5°仰角反射率圖 (a 抑制前；b 抑制后)

3結(jié)論

(1)根據(jù)陜西7部天氣雷達(dá)出現(xiàn)的固定地物雜波，統(tǒng)計(jì)制作地物回波模板，采用模板匹配和區(qū)域回波紋理結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別和抑制雷達(dá)回波中的固定地物。

(2)西安雷達(dá)超折射回波均出現(xiàn)在晴天的早間和傍晚，采用傾斜測(cè)試抑制超折射回波效果明顯，但仍有部分殘留，處理方法還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

(3)統(tǒng)計(jì)分析出陜西天氣雷達(dá)普遍存在著來自固定方位的徑向干擾，采用相鄰徑向比較和中值濾波的方法識(shí)別抑制徑向干擾效果明顯，但方法還需改進(jìn)。

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中圖分類號(hào)：P415.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金(2015M-57)

作者簡(jiǎn)介：黃勤(1987—)，女，漢，四川眉山人，助工，碩士，主要從事氣象信息與技術(shù)保障。

收稿日期：2015-09-07

文章編號(hào)：1006-4354(2016)01-0043-05

黃勤，龍亞星，任芳. 陜西新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].陜西氣象，2016(1)：43-47.