李思騰 馬建立 陳明軒 李 林 仰美霖 邢峰華

1. 北京城市氣象研究院，北京，100089

2. 北京市氣象探測(cè)中心，北京，100089

3. 海南省人工影響天氣中心，海口，570203

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)越來越完善、承辦的國(guó)際活動(dòng)越來越多，對(duì)城市災(zāi)害天氣的觀測(cè)和預(yù)警需求越來越高（俞小鼎等，2005），對(duì)城市氣象觀測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性也有更高的要求，S/C波段大型多普勒雷達(dá)已經(jīng)不能完全滿足精細(xì)探測(cè)需求。為了克服這些問題，提高城市氣象災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和實(shí)效性，降低中小尺度危險(xiǎn)天氣對(duì)城市的影響，利用多部低成本、低功耗、短程的X波段雙偏振雷達(dá)密集組網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)提高空間和時(shí)間分辨率非常必要（陳洪濱等，2012）。在中國(guó)城市內(nèi)及周邊地區(qū)架設(shè)網(wǎng)絡(luò)化X波段雷達(dá)對(duì)提高今后的雷暴天氣、風(fēng)災(zāi)、冰雹、局地暴雨、山洪、下?lián)舯┝鳌⒈┭┑葰庀鬄?zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警質(zhì)量有重要意義。

在城市建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化X波段雷達(dá)也存在一些急需解決的問題，其中最重要的就是衰減對(duì)X波段雷達(dá)的嚴(yán)重影響（李兆明，2014）。相較于S/C波段雷達(dá)，X波段雷達(dá)的衰減更加明顯（吳仁彪等，2012）。如果不進(jìn)行衰減訂正，X波段雷達(dá)的波束在經(jīng)過強(qiáng)降水區(qū)后會(huì)急劇衰減，導(dǎo)致遠(yuǎn)端雨區(qū)的回波強(qiáng)度較小甚至無法探測(cè)到，嚴(yán)重影響雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，使很多數(shù)據(jù)資料無法使用，將影響城市強(qiáng)災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警質(zhì)量以及精細(xì)化探測(cè)發(fā)展，還會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合和協(xié)同自適應(yīng)觀測(cè)產(chǎn)生負(fù)面影響。所以X波段天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的衰減訂正是非常重要且必要的。

如何消除衰減對(duì)X波段天氣雷達(dá)的影響一直是個(gè)難題，各國(guó)學(xué)者很早就開始對(duì)此進(jìn)行探究。早期的衰減訂正方法是根據(jù)降水和衰減的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，利用測(cè)量的降雨量（R）調(diào)整雷達(dá)反射率因子（Z），再反推衰減率，這種方法在業(yè)務(wù)中應(yīng)用最多，方法相對(duì)成熟（王晗等，2016；紀(jì)奎秀等，2007），但是誤差較大，并且該方法只適用于單部雷達(dá)的訂正，并沒有考慮多雷達(dá)組網(wǎng)相互訂正。隨著雙偏振雷達(dá)的發(fā)展，利用差分相位（ φDP）數(shù)據(jù)計(jì)算出單位差分相位（KDP） 后，再用KDP對(duì)雷達(dá)反射率因子進(jìn)行訂正的方法（文中稱為 φDP訂正法）也被廣泛應(yīng)用（何宇翔等，2009；畢永恒等，2012）。該方法的優(yōu)勢(shì)是KDP受雷達(dá)波束充塞系數(shù)的影響較小，不受降水粒子衰減的影響，與衰減系數(shù)（a）成線性關(guān)系，并且計(jì)算速度較快，缺點(diǎn)是若不進(jìn)行后向差分傳播相移（δ）的質(zhì)量控制，則會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)觀測(cè)到的差分相位（ φDP）值出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致KDP產(chǎn)生顯著誤差，進(jìn)而影響訂正結(jié)果。Lim等（2005，2007，2011）提出了網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正法，基于美國(guó)協(xié)同自適應(yīng)大氣探測(cè)研究中心（Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere，CASA）網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)，用3部以上雷達(dá)相互進(jìn)行衰減訂正，根據(jù)Z-a關(guān)系并用積分方程求解，計(jì)算結(jié)果代入評(píng)估函數(shù)迭代運(yùn)算，直到找到最優(yōu)解。該方法（文中稱為網(wǎng)絡(luò)化訂正法）為網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)的衰減訂正提供了算法基礎(chǔ)和可行性。CASA網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)平臺(tái)采用該方法對(duì)反射率因子進(jìn)行訂正，結(jié)果比較理想。2013年，由南京電子14所與中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所合作，中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心與中國(guó)氣象科學(xué)研究院參與，籌建了中國(guó)第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)開展了一系列強(qiáng)天氣觀測(cè)試驗(yàn)，并發(fā)展相應(yīng)的衰減訂正算法，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。李兆明等（2015）對(duì)網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)的衰減訂正方法進(jìn)行了研究，利用南京網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)平臺(tái)中祿口、句容和古平崗雷達(dá)分別進(jìn)行訂正，與單部雷達(dá)自適應(yīng)約束算法的結(jié)果相比有一定的改進(jìn)。但是目前在中國(guó)，網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)的衰減訂正研究還較少。

2015年，北京市氣象局率先建設(shè)了4部X波段雙線偏振天氣雷達(dá)，組成網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達(dá)，目的是更快速、精確地對(duì)首都城市地區(qū)進(jìn)行精密探測(cè)，提升臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警的準(zhǔn)確度。文中利用北京布設(shè)的4部網(wǎng)絡(luò)化X波段雷達(dá)2017年夏季的觀測(cè)數(shù)據(jù)，用網(wǎng)絡(luò)化訂正算法，對(duì)觀測(cè)到的反射率因子數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正算法研究和試驗(yàn)。

2 北京網(wǎng)絡(luò)化X波段雷達(dá)概況

2.1 雷達(dá)布網(wǎng)情況

文中所使用的網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)由4部X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)組成，分別位于北京房山、昌平、順義和通州，每部雷達(dá)有效探測(cè)距離為150—230 km，南郊觀象臺(tái)部署一部S波段雷達(dá)，其探測(cè)范圍覆蓋X波段雷達(dá)網(wǎng)，為X波段雷達(dá)的探測(cè)提供基準(zhǔn)參考。網(wǎng)絡(luò)化X波段及S波段雷達(dá)分布及所在位置如圖1所示，其中X波段雷達(dá)探測(cè)距離圈為75 km，S波段雷達(dá)距離圈為130 km，色階代表海拔高度。

圖1 北京雷達(dá)分布概況 （色階：海拔高度，單位：m）Fig.1 Distribution of networked radars in Beijing（Color scale represents altitude，unit：m）

2.2 雷達(dá)運(yùn)行情況

2016年7月4部雷達(dá)全部建設(shè)完成并投入使用，運(yùn)行模式為VCP21，每個(gè)體掃有9層仰角，完成1個(gè)體掃時(shí)間為3 min。主要探測(cè)參量為：反射率因子（Z）、徑向速度（V）、速度譜寬（W）、差分反射率（ZDR）、相關(guān)系數(shù)（CC）、差分傳播相位（ φDP）、單位差分傳播相位（KDP）。2017年4月，對(duì)4部雷達(dá)采用太陽定標(biāo)法定標(biāo)，定標(biāo)后每部雷達(dá)反射率因子相差小于0.5 dB，確保探測(cè)一致性。

3 網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)反射率因子衰減訂正算法

理論上，多部雷達(dá)在不同位置觀測(cè)相同的天氣過程時(shí)，如果不存在衰減和不確定性因素，雷達(dá)性能指標(biāo)一樣，則各雷達(dá)對(duì)相同位置氣象目標(biāo)強(qiáng)度的觀測(cè)值（反射率因子）相同。但由于不同雷達(dá)觀測(cè)同一降水回波區(qū)的路徑不同，衰減也不同，造成其對(duì)相同位置氣象目標(biāo)的觀測(cè)值存在差異。圖2為網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)探測(cè)示意，其中A為需要訂正的雷達(dá)，B、C為輔助訂正雷達(dá)，V1—VN為A雷達(dá)探測(cè)徑向內(nèi)的距離庫。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)分布示意Fig.2 Schematic diagram of distribution of networked radars

研究（張培昌等，2001）表明，雷達(dá)衰減率（ αh，單位：dB/km）與水平反射率因子（Zh，單位：mm6/m3）之間存在冪函數(shù)關(guān)系

式中，r為觀測(cè)目標(biāo)與雷達(dá)的距離，a、b為衰減和反射率之間的擬合系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)（Delrieu，et al，1997；Testud，et al，2000；Bringi，et al，2001；畢永恒，2012；李兆明，2014；黃浩，2018），對(duì)于X波段雷達(dá)，文中b取0.8。雷達(dá)探測(cè)的反射率因子與真實(shí)反射率因子有如下關(guān)系

式中，Zh為雷達(dá)探測(cè)反射率因子，Zh為真實(shí)反射率因子，s為距離?？偮窂剿p的積分表達(dá)式由雷達(dá)探測(cè)到的反射率因子和真實(shí)的反射率因子表示

式中，r0表示雷達(dá)回波起始的距離。

其中

式中，I(r0,rm)和I(r,rm) 為 中間變量，r0和rm分別為訂正回波區(qū)域的起始位置和結(jié)束位置， ΔZ(rm)（單位：dB）為回波區(qū)結(jié)束位置上真實(shí)反射率因子與觀測(cè)反射率因子的差，稱為雙向累積衰減。

其中

圖3 網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正算法流程Fig.3 Flow diagram of attenuation correction algorithm for networked radars

4 衰減訂正算法的測(cè)試應(yīng)用

4.1 個(gè)例選取

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正算法對(duì)北京2017年夏季X波段雷達(dá)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正試驗(yàn)，并與南郊S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，文中所有數(shù)據(jù)的時(shí)間均為北京時(shí)。

訂正個(gè)例選用2017年8月11日雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)日，受發(fā)展加強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán)影響，北京地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣，短時(shí)雨強(qiáng)較大，局地有短時(shí)大風(fēng)、冰雹，雨區(qū)由西北向東南移動(dòng)，強(qiáng)降水主要集中在房山、大興、通州區(qū)，X波段雷達(dá)可探測(cè)到較強(qiáng)的降水回波，同時(shí)南郊S波段雷達(dá)也可觀測(cè)到該范圍內(nèi)的降水回波。文中選取11日12時(shí)通州、昌平、房山X波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，以該時(shí)刻南郊S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)照。

4.2 訂正效果分析

通州、昌平、房山雷達(dá)1.5°仰角的PPI數(shù)據(jù)如圖4a—c所示，通州雷達(dá)站為圖4a射線處，對(duì)比觀測(cè)結(jié)果可以看到，受到大興區(qū)上空的強(qiáng)降水影響，導(dǎo)致通州雷達(dá)觀測(cè)房山地區(qū)時(shí)，回波反射率因子衰減較大。采用網(wǎng)絡(luò)化衰減訂正方法對(duì)通州雷達(dá)進(jìn)行訂正，以通州雷達(dá)為基準(zhǔn)雷達(dá)，昌平、房山雷達(dá)輔助校準(zhǔn)，訂正結(jié)果如圖4d所示，并將訂正結(jié)果與南郊S波段雷達(dá)（圖4e）進(jìn)行對(duì)比，可以看到在房山和大興地區(qū)都有較為明顯的訂正效果，其中房山區(qū)東邊訂正最明顯，將圖4a—e內(nèi)紅框區(qū)域放大得到圖4f—j，可以更為清晰地看到衰減訂正前、后的對(duì)比以及和S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，房山地區(qū)（圖4i左側(cè)區(qū)域）訂正后的結(jié)果與S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果更為接近。

圖4 2017年8月11日12時(shí)通州、昌平、房山X波段雷達(dá)、S波段雷達(dá)在1.5°仰角的PPI （a. 通州雷達(dá)觀測(cè)，b. 昌平雷達(dá)觀測(cè)，c. 房山雷達(dá)觀測(cè)，d. 通州雷達(dá)訂正后結(jié)果，e. S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果，f. 通州雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果放大區(qū)域，g. 昌平雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果放大區(qū)域，h. 房山雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果放大區(qū)域，i. 通州雷達(dá)訂正后結(jié)果放大區(qū)域，j. S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果放大區(qū)域）Fig.4 PPIs of radars at Tongzhou （a），Changping （b），F(xiàn)angshan （c） and S-band （e） radar at elevation of 1.5°，correction result of Tongzhou radar （d） and the corresponding zoom areas are shown at （f—j） at 12:00 BT 11 August 2017

續(xù)圖4Fig.4 Continued

為了驗(yàn)證訂正效果，對(duì)單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，對(duì)比X波段雷達(dá)觀測(cè)、衰減訂正后及S波段雷達(dá)的反射率因子。先將S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)按格點(diǎn)匹配到X波段雷達(dá)徑向上。因?yàn)閄波段雷達(dá)的分辨率為75 m，S波段雷達(dá)的分辨率為1 km，所以進(jìn)行插值處理，1個(gè)S波段雷達(dá)距離庫對(duì)應(yīng)13.3個(gè)X波段雷達(dá)距離庫，向上取整為14個(gè)距離庫。

選取通州雷達(dá)230°、235°、240°、245°方位角（圖4a中標(biāo)注）的徑向反射率因子進(jìn)行對(duì)比分析（圖5）。由圖5可見，雷達(dá)探測(cè)在30—40 km時(shí)遇到大于40 dBz的強(qiáng)回波，最強(qiáng)達(dá)55 dBz，經(jīng)過強(qiáng)回波區(qū)后反射率因子出現(xiàn)明顯的衰減。經(jīng)過衰減訂正后，雷達(dá)反射率因子在40 km后訂正效果明顯，訂正后比訂正前平均提高了7—17 dB，在230°方位角（圖5a）的平均訂正效果達(dá)到17.2 dB，240°方位角（圖5c）的平均訂正效果達(dá)到12.2 dB。與S波段雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，訂正后比訂正前更接近觀測(cè)，經(jīng)過強(qiáng)回波區(qū)后更加明顯。根據(jù)訂正后與訂正前的差值曲線（圖5虛線），可以看出在30 km以內(nèi)幾乎沒有增長(zhǎng)，說明在探測(cè)距離小于30 km時(shí)，反射率因子的衰減很小，而在30 km處曲線都有明顯增長(zhǎng)，在40 km后訂正效果都超過7 dB，最大值達(dá)25 dB（圖5a），說明經(jīng)過強(qiáng)回波后衰減訂正算法具有明顯的訂正效果。與S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比（圖5b）顯示，在大于40 km時(shí)，訂正前的數(shù)據(jù)平均相差7.7 dB，訂正后的數(shù)據(jù)平均相差只有0.08 dB，吻合效果非常好。圖5a、c、d訂正前的數(shù)據(jù)與S波段觀測(cè)數(shù)據(jù)平均相差分別為16.3 dB、10.7 dB、7.2 dB，訂正后的數(shù)據(jù)與S波段觀測(cè)平均相差分別為0.7 dB、-1.5 dB、0.2 dB，都有較為明顯的訂正效果。圖5c訂正后與S波段觀測(cè)數(shù)據(jù)相差-1.5 dB，可能是訂正誤差累積導(dǎo)致出現(xiàn)輕微過訂正所致，也可能是X波段與S波段雷達(dá)的觀測(cè)值存在差異所致。由此可見，訂正算法對(duì)于雷達(dá)探測(cè)信號(hào)經(jīng)過強(qiáng)回波后的衰減具有較好的訂正效果。

圖5 通州雷達(dá)單幀反射率因子衰減訂正對(duì)比 （a. 230°，b. 235，c. 240°，d. 245°；右側(cè)縱坐標(biāo)為差值）Fig.5 Comparison of single radial reflectivity factor attenuation correction at azimuth angles of （a） 230°，（b） 235°，（c） 240° and （d） 245° relative to Tongzhou radar at 12:00 BT 11 August 2017

圖6 通州雷達(dá)訂正迭代次數(shù)與評(píng)估函數(shù)的關(guān)系 （a. 230°，b. 235°）Fig.6 Comparison of δk at the azimuth angle of （a） 230° and （b） 235° relative to Tongzhou radar at 12:00 BT 11 August 2017

5 衰減訂正效果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證訂正效果，對(duì)比分析了不同訂正方法的訂正結(jié)果，并對(duì)10個(gè)降水過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析。分別對(duì)X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化衰減訂正和 φDP衰減訂正（杜牧云等2012；李宗飛等，2019），分析不同訂正方法訂正結(jié)果的差異；同時(shí)與南郊S波段雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)訂正效果。

選取5月22日10時(shí)房山雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)1.5°仰角PPI反射率因子用 φDP衰減訂正法進(jìn)行訂正。首先對(duì) φDP數(shù)據(jù)采用線性規(guī)劃方法進(jìn)行質(zhì)量控制（馬建立等，2019），圖7a為線性規(guī)劃前的 φDP數(shù)據(jù)，圖7b為線性規(guī)劃后的 φDP數(shù)據(jù)，可以看到質(zhì)量控制前φDP數(shù)據(jù)在很多方向上是起伏的，不滿足單調(diào)遞增屬性，質(zhì)量控制后滿足各方向上單調(diào)增加。用線性規(guī)劃后的 φDP數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率因子衰減訂正，結(jié)果如圖8c所示，與訂正前（圖8a）相比，在雷達(dá)北方和東北方向上效果明顯。

圖7 2017年8月11日12時(shí)房山X波段偏振雷達(dá)1.5° PPI線性規(guī)劃前 （a） 和后 （b）φDPFig.7 Comparison of φ DP LP results for Fangshan radar in Beijing，1.5° PPI at 12:00 BT 11 May 2017（a，b，are φ DP of Fangshan radar in Beijing before and after LP，respectively）

對(duì)原始反射率因子用網(wǎng)絡(luò)化衰減訂正法進(jìn)行訂正，結(jié)果如圖8a（訂正前）、b（訂正后）所示，S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)匹配值見圖8d。由圖8b可以看出，訂正后的數(shù)據(jù)在雷達(dá)正北方向（昌平、延慶、懷柔區(qū)）和東北方向（通州、順義、密云區(qū)）均有比較明顯的效果，與S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，訂正后的數(shù)據(jù)更為吻合（圖8d），并且與 φDP訂正法結(jié)果基本一致。

為了驗(yàn)證整體的訂正效果，分別對(duì)未訂正數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化訂正法訂正數(shù)據(jù)和 φDP訂正法訂正數(shù)據(jù)與S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值，結(jié)果如圖8e—g所示。可以看到，未訂正數(shù)據(jù)與S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，在觀測(cè)的西南、東北、正北方向的遠(yuǎn)端衰減嚴(yán)重（圖8e），訂正后對(duì)于反射率衰減都有明顯的改善效果（圖8f、g），但 φDP訂正法在東北方向的訂正結(jié)果相比網(wǎng)絡(luò)化訂正法更接近觀測(cè)值，在正北方向和西南方向出現(xiàn)了較為明顯的過訂正情況，而網(wǎng)絡(luò)化訂正的結(jié)果在正北方向與S波段雷達(dá)觀測(cè)更接近。

圖8 2017年5月22日10時(shí)房山X波段雷達(dá)在1.5°仰角反射率因子衰減訂正前后結(jié)果及與S波段雷達(dá)觀測(cè)對(duì)比（a. 房山X波段雷達(dá)觀測(cè)，b. 網(wǎng)絡(luò)化衰減訂正，c. 差分相位法衰減訂正，d. S波段雷達(dá)觀測(cè)，e. S波段雷達(dá)與未訂正差值，f. S波段雷達(dá)與網(wǎng)絡(luò)化訂正后差值，g. S波段雷達(dá)與差分相位法訂正后差值）Fig.8 （a） PPIs of Fangshan radar，（b） attenuation correction results using the network method，（c） attenuation correction results using the differential phase method，（d） reflectivity of S-band radar observations，（e） difference between S-band Radar and raw data，（f） difference between S-band radar data and output of the network attenuation correction method，（g） difference between S-band radar and attenuation correction data of differential phase method for elevation of 1.5° at 10:00 BT 11 May 2017

選取正北方向20°和東北方向80°方位角的單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9a—d所示，其中圖9b、d是圖9a、c中S波段觀測(cè)值與未訂正、網(wǎng)絡(luò)化訂正法、 φDP訂正法的差值。在20°方位角上（圖9a），雷達(dá)站的前40 km衰減很小，40 km后衰減變大，80 km后出現(xiàn)明顯的衰減，大于80 km時(shí)網(wǎng)絡(luò)化訂正法訂正前后平均相差6.1 dB，訂正前與S波段雷達(dá)觀測(cè)值平均相差5.4 dB，訂正后平均相差-0.69 dB，訂正后的反射率因子與S波段雷達(dá)的觀測(cè)值比較接近，訂正效果較好，而 φDP訂正法的訂正結(jié)果與S波段觀測(cè)值平均相差-3.8 dB。兩種訂正法都具有較為明顯的訂正效果，但 φDP訂正法在60 km后出現(xiàn)了過訂正情況（圖9b），與S波段雷達(dá)的最大差值達(dá)到-10 dB，這可能是 φDP的累計(jì)誤差導(dǎo)致。網(wǎng)絡(luò)化訂正算法也出現(xiàn)過訂正情況，但與 φDP訂正法相比更接近S波段雷達(dá)的觀測(cè)值。在80°方位角上（圖9c），雷達(dá)探測(cè)距離在30 km處開始出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象，而經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化訂正和 φDP訂正后都顯示了較好的訂正效果，與S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果相比，未訂正的反射率因子與S波段雷達(dá)觀測(cè)反射率因子平均相差10.4 dB，而網(wǎng)絡(luò)化訂正與 φDP訂正后的結(jié)果與S波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果平均相差分別為2.7 dB和-0.81 dB，相比于訂正前，2種訂正方法的結(jié)果都更加接近S波段雷達(dá)的觀測(cè)值。由圖9d可見，網(wǎng)絡(luò)化訂正結(jié)果略低于S波段雷達(dá)的觀測(cè)值，φDP法則出現(xiàn)過訂正情況，但 φDP訂正相比網(wǎng)絡(luò)化訂正更接近S波段雷達(dá)的觀測(cè)值。

圖9 2017年5月11日10時(shí)房山X波段雷達(dá)單幀反射率因子衰減訂正對(duì)比 （a. 20°方位角、c. 80°方位角單幀訂正結(jié)果，b. 20°方位角、d. 80°方位角S波段雷達(dá)觀測(cè)值與訂正前后差值結(jié)果）Fig.9 Comparison of single radial reflectivity factor attenuation correction for Fangshan radar at 10:00 BT 11 May 2017（the attenuation correction results single radial at the azimuth angles of （a） 20° and （c） 80°，the difference between the S-band radar observations and corrected at the azimuth angles of （b） 20° and （d） 80°）

為了進(jìn)一步驗(yàn)證訂正效果，選取2017年5月22日—8月11日10次觀測(cè)過程（5月22日09—11時(shí)、5月28日17—19時(shí)、6月2日08時(shí)36分—10時(shí)36分、6月18日14—16時(shí)、6月22日13—15時(shí)、6月22日16—18時(shí)、7月6日13—15時(shí)、7月8日17—19時(shí)、7月13日22時(shí)—23時(shí)54分、8月11日09—11時(shí)）反射率因子數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，時(shí)間間隔6 min（每個(gè)時(shí)次共20個(gè)體掃數(shù)據(jù)）（圖10）。具體方法：（1）對(duì)每個(gè)體掃內(nèi)1.5°的PPI數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正，分別用網(wǎng)絡(luò)化訂正法和 φDP訂正法進(jìn)行訂正；（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)格點(diǎn)匹配，把S波段雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)匹配到X波段雷達(dá)（方法同上）；（3）計(jì)算S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)與X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)訂正前、后差值，得到該P(yáng)PI數(shù)據(jù)內(nèi)的3組差值數(shù)據(jù)；（4）對(duì)3組差值數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到每個(gè)時(shí)刻訂正前后的平均差值。

由圖10 可見，隨著時(shí)間延長(zhǎng)衰減訂正后比訂正前平均值更接近S波段雷達(dá)觀測(cè)值，兩種訂正方法都具有比較明顯的訂正效果。網(wǎng)格化訂正后的數(shù)據(jù)與S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)差值 ±2 dB，比訂正前改善了2—5 dB，訂正前總平均差值為3.23 dB，訂正后總平均差值為0.1 dB。 φDP訂正后比訂正前改善了3—8 dB，訂正后總平均差值為-1.7 dB，但相比于網(wǎng)絡(luò)化訂正法， φDP訂正后的數(shù)據(jù)比S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)普遍偏高，這可能是某些徑向上 φDP的累積誤差而導(dǎo)致的過訂正。綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)化訂正法的訂正結(jié)果與S波段雷達(dá)觀測(cè)更接近。

圖10 不同時(shí)次雷達(dá)衰減訂正結(jié)果統(tǒng)計(jì) （單位：dB）（Sob-Xob表示S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)與X波段雷達(dá)衰減訂正前的數(shù)據(jù)之差的平均值，Sob-Cnet表示S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)與用網(wǎng)絡(luò)化訂正法訂正后的X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)之差的平均值，Sob-Cφ表示S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)與用φ DP訂正法訂正后的X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)之差的平均值）Fig.10 Statistical results of radar attenuation correction data at different times （unit：dB） （Sob-Xob is the average value of the difference between S-band radar observations and X-band radar observations，Sob-Cnet is the average value of the difference between S-band radar observations and network attenuation correction，Sob-Cφ is the average value of the difference between S-band radar observations and attenuation correction data of differential phase）

6 結(jié)論與討論

文中對(duì)網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正算法進(jìn)行了初步研究，并對(duì)北京X波段雷達(dá)的反射率因子進(jìn)行了衰減訂正，訂正結(jié)果分別與 φDP訂正法以及北京南郊S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）X波段雷達(dá)易受到衰減的影響，尤其雷達(dá)探測(cè)經(jīng)過強(qiáng)回波后的衰減非常嚴(yán)重，甚至無法探測(cè)到。網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正方法利用不同雷達(dá)探測(cè)路徑不同、衰減率不同的特點(diǎn)，在共同觀測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行相互訂正，彌補(bǔ)了單部雷達(dá)探測(cè)的不足，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正方法的優(yōu)勢(shì)。

（2）單幀訂正結(jié)果表明：在探測(cè)未經(jīng)過強(qiáng)回波區(qū)域時(shí)，訂正前后相差很小，平均相差1 dB；探測(cè)經(jīng)過強(qiáng)回波區(qū)域后，反射率因子開始出現(xiàn)嚴(yán)重衰減，此時(shí)的訂正效果比較明顯，訂正后比訂正前平均強(qiáng)度提高7—17 dB，并且與S波段雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，訂正前的反射率因子與S波段雷達(dá)平均相差7—10 dB，訂正后的反射率因子平均相差最小為0.08 dB，訂正后比訂正前更接近S波段雷達(dá)觀測(cè)值，網(wǎng)絡(luò)化訂正法和 φDP訂正法都對(duì)原始回波具有較好的訂正效果，訂正后的結(jié)果都更接近S波段雷達(dá)觀測(cè)值，但在徑向末端 φDP訂正法有時(shí)會(huì)因累積誤差而出現(xiàn)過訂正。

（3）整體訂正結(jié)果表明：雷達(dá)探測(cè)較遠(yuǎn)處的天氣回波，或者經(jīng)過較強(qiáng)回波之后，訂正效果比較明顯，網(wǎng)絡(luò)化訂正法和 φDP訂正法在整體PPI上都具有較好的訂正效果。連續(xù)時(shí)間的數(shù)據(jù)訂正統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，兩種訂正法訂正后的反射率因子都比訂正前更接近S波段雷達(dá)觀測(cè)值，但 φDP訂正法出現(xiàn)過訂正的情況較多，訂正后比S波段雷達(dá)觀測(cè)值平均高1.7 dB左右。

網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)衰減訂正方法可以有效地對(duì)雷達(dá)反射率因子衰減進(jìn)行訂正，但還存在如下問題：（1）在某些區(qū)域出現(xiàn)過訂正，例如地物雜波、非氣象雜波附近，這可能是雜波剔除不干凈導(dǎo)致訂正算法誤認(rèn)為是強(qiáng)降水回波；降水區(qū)域結(jié)束的地方有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生過訂正，這可能是訂正算法誤差累積所致。（2）文中以S波段雷達(dá)作為觀測(cè)基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，但S波段雷達(dá)本身的距離庫長(zhǎng)較大，導(dǎo)致分辨率不夠精細(xì)，以及不同仰角、距離、方位的回波探測(cè)會(huì)與實(shí)際存在差異。（3）對(duì)于已經(jīng)衰減很強(qiáng)以至于觀測(cè)不到的回波該算法無法進(jìn)行有效訂正，這個(gè)問題可以利用多雷達(dá)訂正后進(jìn)行優(yōu)化融合來解決，是今后的研究方向。（4）網(wǎng)絡(luò)化訂正法和 φDP訂正法如何有效結(jié)合以期獲得最佳訂正效果，是今后的研究重點(diǎn)。（5）網(wǎng)絡(luò)化衰減訂正法的計(jì)算效率和并行，是業(yè)務(wù)應(yīng)用需要進(jìn)一步優(yōu)化完善的方面。