李 豐 阮 征 王紅艷 葛潤生

(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081)

引 言

風(fēng)廓線雷達利用大氣湍流對電磁波的散射作用探測大氣風(fēng)場等要素，能對大氣垂直結(jié)構(gòu)進行長時間連續(xù)觀測，可以獲得較高時空分辨率的廓線資料，已經(jīng)成為測風(fēng)的主要探測手段，在數(shù)值預(yù)報、災(zāi)害天氣預(yù)警、污染監(jiān)測、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-9]。風(fēng)廓線雷達除了獲得風(fēng)場數(shù)據(jù)，還可以提供強度數(shù)據(jù)，用于降水結(jié)構(gòu)、類型分類、大氣折射率結(jié)構(gòu)等方面的研究。White等[10]使用風(fēng)廓線雷達強度、速度數(shù)據(jù)對亮帶高度進行識別，研究對預(yù)報效果的改進效果。Bianco等[11]基于模糊邏輯方法，使用信噪比數(shù)據(jù)對邊界層高度進行分析。Lerach等[12]使用北美季風(fēng)試驗觀測到的S波段風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)對降水類型進行分類，分析中尺度對流系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)。Williams等[13]、Rao等[14]對熱帶地區(qū)降水結(jié)構(gòu)特征進行統(tǒng)計。阮征等[15]使用風(fēng)廓線雷達不同探測模式數(shù)據(jù)，對大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)進行研究。阮征等[16]和何平等[17]使用風(fēng)廓線雷達產(chǎn)品中的速度、信噪比(signal to noise ratio，SNR)等數(shù)據(jù)對降水過程進行研究。王曉蕾等[18]進行雨滴譜反演試驗，估算云中含水量，得出含水量隨高度的分布。以上工作均需要對雷達返回信號功率進行準(zhǔn)確定標(biāo)。Lucas等[19]進行反演雨滴譜時，使用信噪比對回波強度進行定標(biāo)。鐘劉軍等[20]使用信號源對雷達系統(tǒng)進行測量，得到不同探測模式的定標(biāo)曲線，并將定標(biāo)后的回波強度與天氣雷達對比。王莎等[21]對風(fēng)廓線雷達大氣信號功率譜密度及系統(tǒng)噪聲幅度分布特征進行統(tǒng)計。何平等[22]依據(jù)風(fēng)廓線雷達功率譜估計方法，提出一種計算功率譜噪聲功率的方法。馬建立等[23]給出信噪比估算大氣返回信號功率的方法，并對環(huán)境噪聲進行剔除。May等[24]采用定標(biāo)后的天氣雷達進行比較，訂正返回信號，給出強度訂正大小。由于兩者的取樣空間及取樣時間不完全一致，訂正值的準(zhǔn)確度難以保證。

目前我國業(yè)務(wù)布網(wǎng)風(fēng)廓線雷達已超過100部，尚無可以直接使用、規(guī)范計算的返回信號強度特征數(shù)據(jù)產(chǎn)品，針對現(xiàn)有不同廠家的設(shè)備還未提出統(tǒng)一的定標(biāo)方法。形成返回信號強度的定標(biāo)曲線的方法用于現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達需要重新測量，工作量較大，且無法處理歷史數(shù)據(jù)，不能有效發(fā)揮歷史觀測數(shù)據(jù)的作用。為解決以上問題，本文提出僅使用風(fēng)廓線雷達返回信號功率譜數(shù)據(jù)的定標(biāo)方法，該方法基于雷達系統(tǒng)噪聲功率對返回信號進行定標(biāo)，能同時兼顧歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的處理，得到的強度產(chǎn)品可對現(xiàn)有業(yè)務(wù)產(chǎn)品進行有效補充。本文使用2017年北京(54399，型號CFL-03)、2016年南京(58235，型號CLC-11)和2018年梅州(59303，型號TWP8)3個不同廠家的業(yè)務(wù)布網(wǎng)風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)進行評估，并與使用信噪比定標(biāo)的方法進行對比。

1 方 法

1.1 基于噪聲功率的定標(biāo)方法

1.1.1 功率譜數(shù)據(jù)定標(biāo)

風(fēng)廓線雷達探測回波信號進入接收機后，接收機將混頻后的信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，對中頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字中頻信號送入數(shù)字中頻接收機，數(shù)字中頻信號分為兩路混頻后得到IQ(inphase and quadrature,正交兩路)信號送至信號處理單元。在信號處理單元，回波信號經(jīng)過相干積分、譜變換、譜平均等處理后得到功率譜數(shù)據(jù)；當(dāng)無環(huán)境雜波干擾時，功率譜數(shù)據(jù)由噪聲功率和大氣目標(biāo)信號兩部分組成。風(fēng)廓線雷達晴空探測時，返回信號是大氣湍流引起的布拉格散射；降水出現(xiàn)時，返回信號由云、降水粒子的瑞利散射和大氣湍流散射兩部分組成。

風(fēng)廓線雷達探測回波信號功率譜數(shù)據(jù)是經(jīng)過信號處理后的數(shù)據(jù)，提取氣象目標(biāo)真實大小時需進行還原處理，才能得到真實的氣象目標(biāo)功率譜分布。雷達系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，雷達系統(tǒng)的噪聲功率只與環(huán)境溫度有關(guān)，本文提出使用雷達系統(tǒng)噪聲功率對回波信號功率譜數(shù)據(jù)定標(biāo)(data calibration with noise power，DCNP)的方法，通過噪聲電平將功率譜數(shù)據(jù)分解為噪聲功率譜和氣象信號功率譜兩部分。利用雷達系統(tǒng)噪聲功率及噪聲功率譜計算單位幅度功率大小，從探測功率譜數(shù)據(jù)中獲取氣象目標(biāo)信號譜線分布幅度，聯(lián)合單位幅度功率，計算得到真實的氣象目標(biāo)譜分布，進而計算風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)中與強度相關(guān)的產(chǎn)品。圖1給出風(fēng)廓線雷達功率譜數(shù)據(jù)標(biāo)校計算流程圖。

圖1 風(fēng)廓線雷達DCNP流程圖

1.1.2 功率譜單位幅度功率計算

使用功率譜數(shù)據(jù)對單位幅度功率進行定標(biāo)的方法是通過雷達系統(tǒng)噪聲功率對功率譜中的噪聲信號幅度進行標(biāo)校計算。使用雷達噪聲系數(shù)、接收機帶寬等參數(shù)計算雷達系統(tǒng)噪聲功率，將噪聲功率分解到噪聲譜上，計算得到功率譜分布中單位幅度的功率大小。單位幅度功率的計算公式如下：

(1)

式(1)中，PN為雷達系統(tǒng)的噪聲功率，K是玻爾茲曼常數(shù)(取值為1.38×10-23J·K-1),T0是用絕對溫度表示的雷達接收機系統(tǒng)噪聲溫度,B0為接收機的帶寬,Nf為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，AN為雷達噪聲譜分布的累積幅度，CA為單位幅度功率。

為避免外界干擾帶來的影響，使用晴空時風(fēng)廓線雷達每個模式最遠端距離庫的功率譜分布數(shù)據(jù)，用分段法[25]確定功率譜分布中的噪聲電平幅度，噪聲電平幅度乘以快速傅里葉變換(FFT)點數(shù)得到噪聲功率的累積幅度AN。該方法可以得到功率譜每根譜線對應(yīng)的功率值，進而得到回波強度功率譜密度、回波強度等產(chǎn)品。計算時T0取300 K。接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性會引起噪聲幅度的漲落，為減弱其影響，AN取最遠端距離庫噪聲幅度的月平均值。

1.1.3 功率譜強度產(chǎn)品

回波強度譜密度分布是從功率譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的描述回波強度在不同多普勒速度上分布的變量，使用雷達氣象方程從定標(biāo)后的氣象信號譜分布計算得到。風(fēng)廓線雷達的回波強度是回波強度譜密度的全譜積分結(jié)果，也可以看作是計算功率譜分布的零階距。

氣象信號譜分布PVi由功率譜分布中噪聲電平上的信號譜計算得到：

PVi=(AVi-Af)×CA。

(2)

式(2)中，AVi是功率譜數(shù)據(jù)中速度Vi對應(yīng)的信號幅度，Af為使用分段法得到的最遠端距離庫噪聲電平幅度(量綱為1)，CA為單位幅度功率。

使用云及降水的雷達氣象方程計算氣象信號功率譜分布，得到回波強度譜密度分布ZVi和回波強度ZDCNP(用DCNP方法得到的回波強度)，單位分別為dBZ·(m·s-1)-1和dBZ：

(3)

式(3)中，C為雷達常數(shù)，Pt為發(fā)射功率，G為天線增益，θ為雷達波束寬度，Δh為庫長，m為復(fù)折射指數(shù)，λ為波長，R為目標(biāo)物到雷達的距離，L為饋線損耗，ΔV為功率譜數(shù)據(jù)的速度分辨率，n為FFT點數(shù)。

(4)

式(4)中，η為雷達反射率。

圖2為北京風(fēng)廓線雷達(54399)2017年8月22日07:05:03(世界時，下同)、南京風(fēng)廓線雷達(58235)2016年7月1日01:30:00、梅州風(fēng)廓線雷達(59303)2018年6月6日10:20:18使用DCNP方法定標(biāo)后的回波強度譜密度。

圖2 DCNP定標(biāo)后的回波強度譜密度

1.2 基于信噪比的回波強度計算

使用基于信噪比的方法(reflectivity calculated with SNR，RCSNR)計算回波強度時，噪聲功率乘信噪比SNR得到返回信號功率，代入雷達氣象方程計算出回波強度ZSNR(基于信噪比得到的回波強度)，公式如下：

ZSNR=PN·RSN·R2/C。

(5)

在無外界干擾時，RCSNR計算出的回波強度與DCNP方法基本一致。使用RSN計算回波信號功率時，會出現(xiàn)大氣信號幅度相同，但噪聲幅度不同，從而RSN不同，最后導(dǎo)致回波信號功率不同，即RCSNR方法會導(dǎo)致相同的信號幅度計算出不同的回波強度。DCNP方法先求出單位信號幅度對應(yīng)的功率，再計算信號功率，保證相同的信號幅度對應(yīng)的功率相同，計算出的回波強度也相同。

2 誤差分析

計算回波強度用到的所有變量中，K為常數(shù)，與雷達系統(tǒng)有關(guān)的天線增益、波束寬度、饋線損耗等參數(shù)從譜數(shù)據(jù)中讀取，對于同一部風(fēng)廓線雷達，上述參數(shù)在不同探測模式中的值相同，對不同模式之間的一致性無影響，因此不對上述參數(shù)的誤差進行分析，只分析噪聲溫度T0、噪聲幅度AN帶來的誤差。

圖3為T0取300 K時，實際噪聲溫度在280～320 K之間的誤差分布。由圖3可以看到，噪聲溫度取300 K，實際為280～320 K時，引起的誤差范圍為-0.28～0.3 dB。T0的取值對DCNP，RCSNR計算結(jié)果的準(zhǔn)確度均產(chǎn)生影響，由于多個模式的取值相同，對不同模式之間的一致性不產(chǎn)生影響。

圖3 噪聲溫度引起的誤差范圍

圖4為北京風(fēng)廓線雷達(54399，型號CFL-03)2017年8月、南京風(fēng)廓線雷達(58235，型號CLC-11)2016年6月和梅州風(fēng)廓線雷達(59303，型號TWP8)2018年6月晴空時每個模式垂直波束最遠端距離庫噪聲幅度的小時平均值，所用數(shù)據(jù)為當(dāng)月全部數(shù)據(jù)。不同雷達不同模式的噪聲幅度量級差距較大，是由不同的信號處理策略引起。由圖4可以看到，每個觀測模式最遠端距離庫的噪聲幅度漲落比較穩(wěn)定，基本呈正態(tài)分布。梅州風(fēng)廓線雷達(59303)高模式噪聲幅度的分布最集中，在月平均值±0.1 dB 范圍內(nèi)，低模式在月平均值±0.2 dB范圍內(nèi)的比例為88.8%。南京風(fēng)廓線雷達(58235)的低中高3個模式在平均值±0.1 dB 范圍內(nèi)的比例分別為89.0%，91.6% 和89.4%。北京風(fēng)廓線雷達(54399)的噪聲幅度在3部雷達中分布最寬，平均值±0.3 dB范圍內(nèi)的比例分別為88.5%，86.3%和90.7%。噪聲幅度AN使用月平均值時，梅州風(fēng)廓線雷達(59303)的誤差一般在±0.2 dB內(nèi)，南京風(fēng)廓線雷達(58235)的誤差基本在±0.1 dB 內(nèi)，北京風(fēng)廓線雷達(54399)的誤差范圍最大，多在±0.3 dB內(nèi)。AN的取值對DCNP方法計算結(jié)果的準(zhǔn)確度及不同模式之間的一致性均產(chǎn)生影響。RCSNR方法使用信噪比得到信號功率，不受AN影響。

圖4 噪聲幅度

3 檢驗評估

相同雷達不同探測模式采用不同信號處理策略，導(dǎo)致探測相同氣象目標(biāo)獲取的信號強度存在差異。為評估DCNP和RCSNR兩種方法，本文比較DCNP和RCSNR得到的降水云結(jié)構(gòu)，同時也與風(fēng)廓線雷達現(xiàn)有業(yè)務(wù)產(chǎn)品中的SNR、天氣雷達強度廓線進行比較。定量評估方面，進行不同模式一致性分析，比較了DCNP和RCSNR兩種方法每個模式的差異，同時也與天氣雷達強度廓線對比。所有的評估均使用風(fēng)廓線雷達垂直波束產(chǎn)品。

3部風(fēng)廓線雷達分別與北京(Z9010)、南京(Z9250)、梅州(Z9753)天氣雷達數(shù)據(jù)對比，風(fēng)廓線雷達與天氣雷達的距離分別為25.1，24.6，45.9 km。天氣雷達型號均為CINRAD/SA，波束寬度為0.95°。3部天氣雷達在風(fēng)廓線雷達上空的垂直分辨率分別為422，406，754 m，取樣體積分別約為0.14，0.13，0.45 km3。按照天氣雷達在風(fēng)廓線上空的垂直分辨率計算風(fēng)廓線雷達的取樣體積，從低模式到高模式，風(fēng)廓線雷達的取樣體積變化較大，分布范圍分別為0.002～0.07，0.002～0.13，0.008～0.21 km3。由于風(fēng)廓線雷達與天氣雷達取樣體積差異較大，取樣時間也存在差異，兩者對比只能驗證定標(biāo)方法是否合理，不能評估定標(biāo)結(jié)果準(zhǔn)確度。

3.1 降水云體結(jié)構(gòu)特征比較

對于每個測站，分別選擇1次層云降水過程進行檢驗。比較時，除了使用DCNP和RCSNR兩種方法定標(biāo)計算外，還給出風(fēng)廓線雷達與強度相關(guān)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品信噪比(單位：dB)，以及相鄰天氣雷達在測站上空9個探測仰角的回波強度。降水過程分別為北京風(fēng)廓線雷達(54399)的2017年8月22日 05:00—17:00、南京風(fēng)廓線雷達(58235)的2016年6月30日20:00—7月1日12:00、梅州風(fēng)廓線雷達(59303)的2018年6月6日06:00—24:00。3次降水過程時序圖見圖5～圖7。其中圖5a、圖6a和圖7a為使用DCNP方法定標(biāo)計算后，進行多模式銜接處理輸出的3站回波強度ZDCNP時序圖；圖5b、圖6b和圖7b為使用SNR方法得到的回波強度ZSNR時序圖；圖5c、圖6c和圖7c為風(fēng)廓線雷達業(yè)務(wù)產(chǎn)品中的垂直波束SNR時序圖，圖中已經(jīng)過距離訂正[11]；圖5d、圖6d和圖7d為與3部風(fēng)廓線雷達相鄰天氣雷達提取的測站上空9個掃描仰角數(shù)據(jù)插值輸出結(jié)果。

圖5c顯示北京風(fēng)廓線雷達(54399)個例中的業(yè)務(wù)SNR產(chǎn)品在融化層無明顯亮帶特征，且分布不連續(xù)，降水結(jié)構(gòu)不清晰。圖6c南京風(fēng)廓線雷達(58235)降水過程中的SNR產(chǎn)品中盡管可以看到融化層的結(jié)構(gòu)特征，但在3.2 km高度出現(xiàn)明顯的不同模式銜接引起的不連續(xù)，下部強度明顯大于上部，與實際的降水結(jié)構(gòu)不一致。圖7c梅州風(fēng)廓線雷達(59303)個例中的SNR在5 km高度出現(xiàn)兩層距離較近的亮帶特征，且低層強度大于高層，云體的強度特征描述失真。圖5c、圖6c、圖7c中的風(fēng)廓線雷達業(yè)務(wù)SNR產(chǎn)品呈現(xiàn)的云體結(jié)構(gòu)特征差異很大，不同模式之間存在銜接的連續(xù)性問題，表明不同型號雷達的信號處理策略不同，產(chǎn)品生成算法也存在差異，因此無法有效使用此產(chǎn)品進行降水云體的結(jié)構(gòu)特征分析。

圖5a、圖6a、圖7a中DCNP方法計算的風(fēng)廓線雷達回波強度與圖5d、圖6d、圖7d中的天氣雷達廓線強度相近，反映的降水結(jié)構(gòu)相似。圖5a與圖5d在05:00—08:00呈現(xiàn)亮帶特征，09:00—13:00為整個過程中回波較弱時段。天氣雷達廓線無數(shù)據(jù)的空白區(qū)域與風(fēng)廓線雷達弱回波區(qū)相對應(yīng)。圖6a、圖6d中的強回波出現(xiàn)時間基本一致，高度也相近。圖6a中7月1日02:30—04:00,05:00—06:00,08:50—09:40為低層回波較弱階段，圖6d中的天氣雷達廓線與之對應(yīng)較好。圖7a與圖7d中的強度較強時段及較弱時段均吻合較好。圖7d中天氣雷達廓線在17:15—19:08出現(xiàn)大片空白無回波區(qū)域，圖7a中的弱回波區(qū)與之對應(yīng)時間較好。

圖5 北京風(fēng)廓線雷達(54399)觀測的2017年8月22日 05:00—17:00降水過程與天氣雷達對比

圖6 南京風(fēng)廓線雷達(58235)觀測的2016年6月30日 20:00—7月1日12:00降水過程與天氣雷達對比

圖7 梅州風(fēng)廓線雷達(59303)觀測的2018年6月6日06:00—24:00降水過程與天氣雷達對比

總體上，DCNP計算的回波強度與相鄰天氣雷達提取的測站上空廓線產(chǎn)品的回波強度變化趨勢基本一致。風(fēng)廓線雷達的垂直分辨率優(yōu)于天氣雷達，得到的云體結(jié)構(gòu)特征更清晰，能夠為降水云垂直精細結(jié)構(gòu)及垂直演變特征的研究提供更細致的數(shù)據(jù)支持。

圖6b、圖7b中RCSNR方法計算的回波強度變化趨勢與DCNP方法一致，強度略低于DCNP方法。圖5b中RCSNR方法計算的回波強度在5 km附近存在明顯的不連續(xù)，原因見3.4節(jié)。

3.2 多模式探測的一致性檢驗

為定量評估DCNP，RCSNR兩種方法對不同探測模式的定標(biāo)結(jié)果差異，對比不同探測模式探測重疊高度范圍內(nèi)的回波強度數(shù)據(jù)，使用的樣本數(shù)據(jù)強度在15 dBZ以上。圖8為DCNP，RCSNR兩種方法得到的3部風(fēng)廓線雷達不同模式強度散點圖。圖8中虛線由用于對比的兩種模式回波強度擬合得到?？紤]到不同模式探測空間和時間的差異以及每個模式自身的定標(biāo)誤差，可以認為同一部風(fēng)廓線雷達的不同模式定標(biāo)結(jié)果具有較好一致性。從DCNP方法計算結(jié)果可知，梅州風(fēng)廓線雷達(59303)高低模式的一致性最好，北京風(fēng)廓線雷達(54399)不同模式之間的差異比梅州和南京略大。噪聲分布寬度也是梅州風(fēng)廓線雷達(59303)最窄，北京風(fēng)廓線雷達(54399)最寬(圖4)。不同模式的一致性與噪聲幅度穩(wěn)定度相關(guān)聯(lián)，即噪聲幅度漲落范圍窄的雷達多模式一致性較好。

圖8 DCNP，RCSNR方法得到的同一風(fēng)廓線雷達不同模式一致性對比

從RCSNR方法計算結(jié)果可知，圖8中RCSNR方法的南京風(fēng)廓線雷達(58235)中低模式一致性略好于DCNP方法，其他模式的一致性均低于DCNP方法，特別是北京風(fēng)廓線雷達(54399)的中低、高中模式一致性明顯低于DCNP方法。DCNP方法的模式一致性整體好于RCSNR方法。

3.3 與天氣雷達的一致性檢驗

為定量評估風(fēng)廓線雷達功率譜定標(biāo)計算結(jié)果，將DCNP，RCSNR方法計算的風(fēng)廓線雷達強度與天氣雷達廓線數(shù)據(jù)進行對比。數(shù)據(jù)使用圖5～圖7的3次降水過程全部時段內(nèi)的廓線數(shù)據(jù)，樣本的回波強度均在15 dBZ以上。對比使用風(fēng)廓線雷達多模式拼接后的數(shù)據(jù)，并將風(fēng)廓線回波強度在天氣雷達某個仰角對應(yīng)高度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)平均，結(jié)果見圖9。

圖9 風(fēng)廓線雷達定標(biāo)結(jié)果與天氣雷達對比

考慮到風(fēng)廓線雷達與天氣雷達觀測時間難以保持一致，兩者掃描角度、取樣空間差異較大，可以認為DCNP方法計算的風(fēng)廓線雷達回波強度與天氣雷達有較好一致性。對同一部風(fēng)廓線雷達，DCNP方法的一致性略好于RCSNR方法。對于不同的定標(biāo)方法，梅州風(fēng)廓線雷達(59303)與天氣雷達一致性最好，北京風(fēng)廓線雷達(54399)的一致性相對較差。北京風(fēng)廓線雷達(54399)與天氣雷達一致性比另兩部風(fēng)廓線雷達差可能由以下原因引起：一是北京風(fēng)廓線雷達(54399)的遠端距離庫噪聲分布寬度大于另兩部雷達，接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如另兩部雷達，計算得到的平均值用于定標(biāo)時帶來的誤差略大，北京風(fēng)廓線雷達(54399)多模式一致性不如另兩部雷達也由該原因引起。另一個原因是北京風(fēng)廓線雷達(54399)與天氣雷達比較的樣本量僅為另兩部雷達的60%，會對代表性造成一定影響。

3.4 DCNP與RCSNR方法對比

為定量比較DCNP與RCSNR兩種方法，將3部風(fēng)廓線雷達每個模式使用兩種方法得到的數(shù)據(jù)進行對比，用于對比的樣本回波強度均在15 dBZ以上(圖10)。大部分情況下兩種方法的結(jié)果基本一致。對于南京風(fēng)廓線雷達(58235)中模式、梅州風(fēng)廓線雷達(59303)低模式，DCNP方法的強度一般要高于RCSNR方法，特別是30 dBZ以上的數(shù)據(jù)。兩種方法計算的北京風(fēng)廓線雷達(54399)中模式數(shù)據(jù)差異較大，RCSNR方法計算的強度明顯小于DCNP方法，有的差異達到10 dB以上。為分析兩種方法結(jié)果差異的原因，計算風(fēng)廓線雷達不同模式每個高度上由分段法得到的噪聲幅度平均值(圖11)。

圖10 DCNP與RCSNR方法不同模式對比

由圖11可以看到，北京風(fēng)廓線雷達(54399)、南京風(fēng)廓線雷達(58235)的中模式噪聲幅度隨高度不斷變化，最大幅度在10 dB以上。北京風(fēng)廓線雷達(54399)的中模式遠端噪聲幅度較大，引起SNR降低，使RCSNR方法的計算結(jié)果明顯低于DCNP方法。由圖11還可以看到，融化層高度附近，3部風(fēng)廓線雷達的噪聲幅度均明顯升高，變化幅度最大可達15 dB以上，北京風(fēng)廓線雷達(54399)的中模式遠端距離庫正好在亮帶附近。風(fēng)廓線雷達融化層附近噪聲幅度升高的原因還需要進一步分析。

圖11 降水過程噪聲幅度值平均值隨高度的分布

3.5 湍流散射對定標(biāo)的影響

降水時，風(fēng)廓線雷達探測返回信號除了降水粒子散射，也含有大氣湍流散射。對于UHF(ultra high frequency，超高頻)波段，降水強度達到中雨以上時，1.5 km高度以上返回信號基本由降水粒子散射引起[19，26]。本文使用的3個個例時段累積降水量分別為13.6，50.3，72.5 mm，降水強度均在中雨以上。

梅州風(fēng)廓線雷達(59303)個例部分時段功率譜數(shù)據(jù)在1.5 km以下出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。對于L波段雷達，降水強度在中雨以上時，準(zhǔn)確分離湍流譜與降水粒子譜比較困難[26-27]，本文使用0 m·s-1作為分界，將出現(xiàn)雙峰的功率譜簡單分為湍流散射區(qū)與降水粒子區(qū)，用于定性分析湍流、降水粒子散射信號的強度差異。圖12為雙峰譜中湍流散射、降水粒子散射強度對比。Zair為湍流區(qū)強度，Zrain為降水粒子區(qū)強度，Z為使用式(3)全譜積分得到的回波強度。Zair相對于Zrain的占比最大為10%，平均為1.8%。對于圖12使用的譜數(shù)據(jù)，湍流區(qū)對應(yīng)的強度基本可以忽略，由圖12中也可以看到，降水粒子區(qū)的強度與全譜積分的強度基本一致。此外，湍流區(qū)中也可能存在小粒徑降水粒子引起的散射[27-28]，湍流散射形成的回波強度會更小。因此，對于本文個例，湍流散射形成的返回信號可以忽略。

圖12 雙峰譜湍流區(qū)與降水回波強度對比

4 小 結(jié)

不同廠家對風(fēng)廓線雷達信號處理算法不同，業(yè)務(wù)產(chǎn)品中的強度產(chǎn)品不能有效反映降水云體結(jié)構(gòu)，本文提出基于雷達系統(tǒng)噪聲功率的風(fēng)廓線雷達功率譜數(shù)據(jù)定標(biāo)方法(DCNP)，使用我國業(yè)務(wù)布網(wǎng)的3種主要型號測站數(shù)據(jù)對該算法評估分析，與SNR定標(biāo)方法進行比較，并使用相鄰天氣雷達進行定標(biāo)結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗，形成以下結(jié)論：

1)風(fēng)廓線雷達返回信號強度定標(biāo)，使得風(fēng)廓線雷達除了輸出測風(fēng)產(chǎn)品外，對返回信號強度的處理算法可以增加回波強度譜密度分布、回波強度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)3種強度產(chǎn)品。

2)使用雷達系統(tǒng)噪聲功率對返回信號譜單位幅度進行標(biāo)校，可保持相同探測雷達系統(tǒng)不同探測模式間信號處理的數(shù)據(jù)一致性；同時也解決了采用不同信號處理策略的不同型號業(yè)務(wù)雷達多探測模式數(shù)據(jù)的銜接問題。

3)DCNP方法計算的回波強度不同模式的一致性較好，與天氣雷達數(shù)據(jù)也有較好的一致性，定標(biāo)方法合理。

4)與SNR定標(biāo)方法相比，DCNP方法受異常噪聲電平的影響較小，計算結(jié)果更為穩(wěn)定可靠。