張玉潔，李恒昶，涂愛(ài)琴

摘要：以濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的層狀云降水資料為例，分析了信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、相關(guān)系數(shù)（ρhv）對(duì)偏振參量的影響以及近距離雙偏振參數(shù)的特征。利用雷達(dá)最高掃描仰角的層狀云降水資料，對(duì)小雨和干雪兩種自然目標(biāo)物差分反射率因子（ZDR）的訂正效果進(jìn)行分析。研究表明：（1）SNR小于21 dB時(shí)，ZDR、ρhv、差分傳播相移率（ΔΦDP）的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的變化波動(dòng)明顯，ZDR、ρhv、差分傳播相位（ΦDP）不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量差。SNR大于21 dB時(shí)，ZDR、ρhv、ΦDP才具有可信度，且隨著SNR的增大，ZDR、ρhv、ΦDP數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越來(lái)越好。（2）SNR大于21 dB，ρhv<0.965，ΔΦDP的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨ρhv的變化而波動(dòng)劇烈；SNR大于21 dB，ρhv>0.965，ρhv越大，ΦDP的值越穩(wěn)定。（3）受地面噪聲干擾、近距離地物以及天線旁瓣的影響，0～15 km的近距離偏振參數(shù)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量差，業(yè)務(wù)應(yīng)用中需特別注意。（4）利用小雨和干雪兩種自然目標(biāo)物對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，小雨粒子的ZDR系統(tǒng)誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差比干雪粒子小很多，且小雨粒子ZDR系統(tǒng)誤差訂正曲線比干雪粒子穩(wěn)定。小雨粒子相比于干雪粒子，其ZDR系統(tǒng)誤差訂正效果更穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差訂正后的降水粒子的ZDR值較訂正前更加合理。

關(guān)鍵詞：雙線偏振多普勒雷達(dá)；信噪比；差分反射率；數(shù)據(jù)質(zhì)量；系統(tǒng)誤差訂正

中圖分類號(hào)：P412.25? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2096-3599（2023）01-0001-10

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.01.006

Data quality analysis of S-band dual-linear polarization Doppler radar in Jining

ZHANG Yujie1，2， LI Hengchang1，2， TU Aiqin1，2

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Meteorological Engineering Technology Center， Jinan 250031， China）

Abstract： The effects of signal-to-noise ratio （SNR） and correlation coefficient （ρhv） on polarization parameters and characteristics of short-range dual-polarization parameters are analyzed based on the stratiform precipitation data observed by S-band dual-linear polarization Doppler radar in Jining. The correction results of the differential reflectivity （ZDR） for light rain and dry snow are analyzed by using the stratiform precipitation data of the highest scanning elevation of radar. The results are listed as follows. （1） When SNR is less than 21 dB， the mean values and standard deviations of ZDR， ρhv， and ΔΦDP fluctuate obviously with the change of SNR， ZDR， ρhv， and differential propagation phase （ΦDP） are unstable， and the data quality is poor. When SNR is higher than 21 dB， ZDR， ρhv， and ΦDP are reliable， and with the increase of SNR， the stability of ZDR， ρhv， and ΦDP data becomes better and better. （2） When SNR is higher than 21 dB and ρhv is less than 0.965， the mean value and standard deviation of ΔΦDP fluctuate sharply with the change of ρhv; when SNR is higher than 21 dB and ρhv is higher than 0.965， the greater the ρhv， the more stable the ΦDP. （3） Due to the interference of ground noise， ground objects in short range， and antenna sidelobe， the polarization parameters in short range of 0–15 km are unstable and the data quality is poor. Therefore， data with low elevation in short range should be noticed in business applications. （4） By using light rain and dry snow as two natural objects to calibrate the systematic errors of ZDR， it is found that the mean value and standard deviation of ZDR errors of light rain particles are much smaller than those of dry snow particles， and the correction curve of ZDR errors of light rain particles is more stable than that of dry snow particles. Compared with dry snow particles， the correction effect of ZDR errors of light rain particles is more stable. The ZDR values of precipitation particles after systematic error correction are more reasonable.

Keywords： dual-linear polarization Doppler radar; signal-to-noise ratio （SNR）; differential reflectivity （ZDR）; data quality; systematic error correction

引言

雙偏振雷達(dá)與常規(guī)雷達(dá)相比能更好地觀測(cè)到各種云和降水，可獲取差分反射率因子（ZDR）、相關(guān)系數(shù)（ρhv）、差分傳播相位（ΦDP）、差分傳播相移率（KDP）等偏振參量，它們能很好地反映云、水凝物粒子相態(tài)、滴譜分布等特征，有利于提升雷達(dá)估測(cè)降水和粒子相態(tài)辨別的水平[1-5]。雙偏振天氣雷達(dá)的這些應(yīng)用，必須依賴于其系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)[6]，然而在雷達(dá)的工作過(guò)程中，其探測(cè)資料會(huì)因?yàn)槔走_(dá)自身系統(tǒng)及外界環(huán)境的噪聲、信號(hào)衰減、周邊的地物等因素而影響到雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，為確保雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性需要對(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行質(zhì)量分析與質(zhì)量控制。

眾多學(xué)者研究表明，雙線偏振多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可信度與信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）及ρhv密切相關(guān)[7-8]。杜牧云等[9]發(fā)現(xiàn)，SNR值較小時(shí)，噪聲對(duì)ZDR的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較為明顯，可導(dǎo)致ZDR數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。Lim等[10]指出，如果不考慮SNR對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，雷達(dá)探測(cè)到的ρhv將有可能出現(xiàn)“失真”，如：對(duì)于純降水，當(dāng)SNR為10 dB時(shí)，ρhv約為0.93，而對(duì)于融化層區(qū)域，當(dāng)SNR為35 dB時(shí)，ρhv約為0.95。因此，僅憑ρhv的值是無(wú)法準(zhǔn)確判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)降水粒子相態(tài)的。Melnikov等[11]對(duì)雙線偏振雷達(dá)開(kāi)展了大量的外場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ZDR的標(biāo)準(zhǔn)差與SNR和ρhv都存在緊密的聯(lián)系。

ZDR是識(shí)別降水粒子類型的最重要的偏振參量[12]。在雷達(dá)探測(cè)的過(guò)程中，接收機(jī)噪聲以及目標(biāo)粒子對(duì)水平和垂直電磁波衰減不同導(dǎo)致的偏振量的偏差[13]等因素都會(huì)造成ZDR的系統(tǒng)誤差。Ryzhkov等[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，ZDR誤差為0.2 dB時(shí)，定量估測(cè)降水的估測(cè)誤差可降到18%以下。因此，ZDR系統(tǒng)誤差的訂正是偏振參量精確應(yīng)用的關(guān)鍵要素，對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正，不但能提升降水量估測(cè)的精確度，而且對(duì)水凝物類型識(shí)別的準(zhǔn)確率也會(huì)大大提高。

本文利用濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的弱降水資料，分析了信噪比和相關(guān)系數(shù)對(duì)雙線偏振參量產(chǎn)生的影響，研究了雷達(dá)近距離雙線偏振參數(shù)的特征，研究結(jié)果可為雙線偏振多普勒雷達(dá)產(chǎn)品的準(zhǔn)確應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。利用自然目標(biāo)物法對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的訂正效果進(jìn)行分析，以期為業(yè)務(wù)運(yùn)行的S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)在無(wú)法進(jìn)行天頂垂直掃描時(shí)尋找一種較好的ZDR系統(tǒng)誤差訂正方法。

1 資料和研究方法

1.1資料

所用資料來(lái)自濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)的觀測(cè)資料，該雷達(dá)的觀測(cè)模式為WSR-88D的21體掃模式，每6 min完成9個(gè)仰角的體掃。雷達(dá)關(guān)鍵性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 ZDR系統(tǒng)誤差訂正方法

目前ZDR系統(tǒng)誤差的訂正方法主要有測(cè)試信號(hào)法、太陽(yáng)輻射法、自然目標(biāo)法，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[15-16]也采用這些方法對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行過(guò)訂正。Pratte等[17]在1989年采用太陽(yáng)標(biāo)定方法對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行了標(biāo)定。Giangrande等[18]利用自然目標(biāo)法訂正過(guò)ZDR的系統(tǒng)誤差，結(jié)果較理想。胡志群等[19]利用多種標(biāo)定方法對(duì)ZDR的系統(tǒng)誤差進(jìn)行過(guò)標(biāo)定，并進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果證實(shí)微雨滴法是最好的方法。

1.2.1 測(cè)試信號(hào)法

通過(guò)分別測(cè)量發(fā)射功率與測(cè)試信號(hào)的值來(lái)對(duì)ZDR的系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正[20]。訂正過(guò)程如下：在天線系統(tǒng)發(fā)射端分別測(cè)量水平通道和垂直通道的發(fā)射信號(hào)功率，計(jì)算得到發(fā)射系統(tǒng)的ZDR系統(tǒng)誤差；用雷達(dá)的內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器或外接信號(hào)源使其產(chǎn)生信噪比超過(guò)30 dB的信號(hào)[21]，然后測(cè)量出該信號(hào)到達(dá)水平通道和垂直通道的功率，用功率差計(jì)算得到接收系統(tǒng)的ZDR系統(tǒng)誤差。發(fā)射和接收系統(tǒng)ZDR系統(tǒng)誤差的和即為總的ZDR的系統(tǒng)誤差。

1.2.2 太陽(yáng)輻射法

太陽(yáng)輻射法利用太陽(yáng)輻射各向同性的特點(diǎn)，即其水平偏振方向的功率與垂直方向的一致。雷達(dá)天線的波束正對(duì)太陽(yáng)并接收其最大輻射時(shí)，ZDR等于0。該方法雖然能精準(zhǔn)的標(biāo)定雷達(dá)接收系統(tǒng)帶來(lái)的ZDR系統(tǒng)誤差，但無(wú)法獲取雷達(dá)整體系統(tǒng)總的ZDR系統(tǒng)誤差。不僅如此，要想將天線波束正對(duì)太陽(yáng)也很難。因此，該標(biāo)定方法很難應(yīng)用到實(shí)際業(yè)務(wù)中去。

1.2.3自然目標(biāo)法

雨滴落下的過(guò)程中，它的垂直方向近似為圓形，當(dāng)雷達(dá)天線90°垂直探測(cè)到它時(shí)，其ZDR的理論值為0，自然目標(biāo)法是ZDR系統(tǒng)誤差訂正的較好的方法。Ryzhkov等[14]的相關(guān)研究表明，雷達(dá)在高仰角探測(cè)時(shí)，小雨和干雪粒子的ZDR接近于0。因此，可選擇雷達(dá)高仰角探測(cè)下呈球形的降水粒子作為自然目標(biāo)物對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定。這種方法對(duì)于不支持垂直掃描模式的業(yè)務(wù)運(yùn)行雷達(dá)來(lái)說(shuō)，是對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正的較好替代方法，它包含了雷達(dá)接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)共同產(chǎn)生的ZDR系統(tǒng)誤差。本文即采用自然目標(biāo)物法對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正。

2 信噪比對(duì)雙偏振參數(shù)的影響分析

為研究SNR對(duì)雷達(dá)偏振參量的影響，選取濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)2021年9月4日的一次弱降水過(guò)程進(jìn)行分析。對(duì)于弱降水過(guò)程，ZDR的理論值接近0 dB，ρhv的理論值接近1，相鄰庫(kù)的ФDP增量接近0°?？紤]到近距離雜波干擾以及衰減等因素的影響，選取徑向距離位于15～50 km（距離庫(kù)位于60～200）的數(shù)據(jù)。因底層的遮擋以及零度層亮帶的影響，本研究選用1.5°仰角的數(shù)據(jù)資料。

圖1a為濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)2021年9月4日17：20（北京時(shí)，下同）反射率因子圖；圖1b為反射率因子的概率分布曲線，由圖1b可見(jiàn)，反射率因子概率密度的高值位于20 dBZ附近，合乎層狀云降水特征，符合本文要求的弱降水分析條件。

2.1 信噪比對(duì)ZDR的影響

考慮到非降水粒子的干擾，此處選取了ρhv≥0.95的數(shù)據(jù)。將SNR的值按照1 dB的間隔，求取每個(gè)SNR區(qū)間間隔內(nèi)ZDR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（下文2.2節(jié)與2.3節(jié)中SNR的處理方法類同）。若采用新一代雷達(dá)的I/Q數(shù)據(jù)計(jì)算ZDR的標(biāo)準(zhǔn)差，分析結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。但是，由于I/Q數(shù)據(jù)容量大，目前業(yè)務(wù)規(guī)定新一代雷達(dá)數(shù)據(jù)采集機(jī)不存儲(chǔ)I/Q數(shù)據(jù)。因此，在無(wú)法獲取到I/Q數(shù)據(jù)資料的情況下，本文利用雷達(dá)基數(shù)據(jù)中的ZDR值計(jì)算得到ZDR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

對(duì)于弱降水過(guò)程，ZDR的理論值接近0。因此，若ZDR出現(xiàn)不為0的觀測(cè)值時(shí)則可看作為ZDR的系統(tǒng)誤差。由圖2可見(jiàn)，ZDR的系統(tǒng)誤差介于-0.3～0.5 dB之間。當(dāng)SNR小于21 dB時(shí)，隨著SNR的減小，ZDR標(biāo)準(zhǔn)差和平均值變化顯著，其標(biāo)準(zhǔn)差快速增大，數(shù)據(jù)質(zhì)量變差。當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，隨著SNR的增大，ZDR平均值呈穩(wěn)中略微上升的趨勢(shì)，ZDR標(biāo)準(zhǔn)差略微減小且逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越來(lái)越好。吳林林[22]利用雷達(dá)基數(shù)據(jù)計(jì)算了偏振參量的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)X波段雙偏振雷達(dá)的不同信噪比對(duì)雙偏振參量的影響研究發(fā)現(xiàn)，只有SNR大于20 dB的雙偏振參量才具有可信度。姚曉娟[23]利用雷達(dá)基數(shù)據(jù)對(duì)C波段雷達(dá)ZDR標(biāo)準(zhǔn)差與SNR的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SNR大于20 dB時(shí)，隨著信噪比的增大，ZDR的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由于不同波段的雷達(dá)性能參數(shù)存在差異，影響其雙偏振參量數(shù)據(jù)可信度的SNR閾值也有所差異。本文研究結(jié)果顯示當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，隨著SNR的增大，ZDR的數(shù)據(jù)越來(lái)越穩(wěn)定。

2.2 信噪比對(duì)ρhv的影響

圖3為ρhv的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的變化曲線。對(duì)于弱降水過(guò)程，ρhv的值理論上應(yīng)大于0.95并趨近1。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)SNR小于21 dB時(shí)，隨著SNR的不斷減小，ρhv的平均值迅速減小，ρhv的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值出現(xiàn)明顯波動(dòng)，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，ρhv的標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的增大緩慢遞減并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，ρhv的平均值也緩慢增加且逐漸趨近于1，表明隨著SNR的增大，ρhv的數(shù)據(jù)會(huì)越來(lái)越穩(wěn)定。

2.3 信噪比對(duì)ΦDP的影響

圖4為相關(guān)系數(shù)ρhv≥0.95時(shí)，ΔΦDP的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差與SNR的變化圖。理論上弱降水過(guò)程相鄰距離庫(kù)間的ΦDP變化甚微，即ΔΦDP近似為0°。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)SNR小于21 dB時(shí)，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的變化波動(dòng)劇烈，數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差快速變小，隨著SNR的增大，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差趨于穩(wěn)定，ΔΦDP的平均值也趨于穩(wěn)定且趨近于0°，表明伴隨著SNR的增大，ΦDP數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越好。

3 相關(guān)系數(shù)ρhv對(duì)ΦDP的影響分析

選取2021年8月20日濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的一次弱降水過(guò)程，選擇1.5°仰角，徑向距離位于15～50 km范圍的數(shù)據(jù)資料研究相關(guān)系數(shù)ρhv對(duì)ΦDP的影響。由于雙偏振參量受SNR的影響較大，根據(jù)前文的分析結(jié)果，此處將信噪比的閾值范圍設(shè)定為SNR大于21 dB。

圖5為2021年8月20日08：02ΔΦDP的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差隨ρhv的變化圖。將ρhv按0.001的間隔，分析ρhv的相應(yīng)區(qū)間內(nèi)ΔΦDP的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨ρhv的變化情況。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)ρhv＜0.965時(shí)，隨著ρhv的減小，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值變化大。當(dāng)ρhv＞0.965，隨ρhv的增大，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)平緩且呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，ΔΦDP的平均值略微增加并趨近于0°，表明ρhv越大，ΦDP的值越穩(wěn)定。

4 近距離雙偏振參數(shù)特征分析

為了分析研究雙線偏振多普勒雷達(dá)近距離的雙偏振參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取2021年8月23日11：45徑向距離0～15 km、15～50 km的雷達(dá)觀測(cè)資料，分析了信噪比對(duì)差分反射率因子與差分傳播相位的影響。

圖6和圖7分別為徑向距離0～15 km和15～50 km的ZDR和ΔΦDP標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的變化曲線。將SNR按照1 dB的間隔，求取每個(gè)SNR區(qū)間間隔內(nèi)ZDR和ΔΦDP標(biāo)準(zhǔn)差。由前文2.1節(jié)和2.3節(jié)的分析可知，當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，隨著SNR的增大，ZDR和ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差略微減小且逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，ZDR和ΦDP的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好。由圖6和圖7中徑向距離15～50 km的ZDR和ΔΦDP標(biāo)準(zhǔn)差的紅色曲線可見(jiàn)，15～50 km的ZDR和ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差曲線滿足這個(gè)特征。而0～15 km的ZDR和ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差曲線均波動(dòng)很大，數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，且SNR越小，曲線波動(dòng)越劇烈，表明雷達(dá)近距離0～15 km觀測(cè)的雙偏振參數(shù)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量差。這與地面噪聲干擾、近距離地物以及天線旁瓣的影響有關(guān)。因此，在實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用過(guò)程中，要特別注意雷達(dá)近距離低仰角的觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇合理的數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。

5 差分反射率因子系統(tǒng)誤差訂正個(gè)例分析

基于自然目標(biāo)法，利用濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)最高仰角掃描下的小雨和干雪粒子對(duì)ZDR的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了訂正，并且對(duì)比分析了小雨粒子和干雪粒子的訂正效果。ZDR系統(tǒng)誤差訂正方法的介紹已在1.2節(jié)中給出。

有關(guān)研究表明，小雨和干雪的差分反射率因子ZDR與掃描仰角存在公式（1）所示的關(guān)系[8，14]，即ZDR隨著雷達(dá)掃描仰角的升高而逐漸減少，并趨近于0。因而，在當(dāng)前業(yè)務(wù)運(yùn)行的雙線偏振雷達(dá)不允許開(kāi)展垂直掃描模式時(shí)，利用雷達(dá)最高仰角探測(cè)的小雨或干雪粒子的數(shù)據(jù)對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差開(kāi)展訂正是一種較好的方法。

，? ? ?（1）

式中：ZDR（0）和ZDR（θ）分別表示仰角為0°和θ°時(shí)的差分反射率因子。

信噪比、地物雜波以及融化層等是選擇小雨和干雪數(shù)據(jù)時(shí)需要考慮的因素。選取2021年9月4日濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的一次伴有零度層亮帶的層狀云降水過(guò)程。此處選用雷達(dá)19.5°的最高掃描仰角探測(cè)到的小雨和干雪數(shù)據(jù)對(duì)ZDR的系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正。根據(jù)前文的分析，將SNR的閾值設(shè)為21 dB，且小雨資料需滿足雷達(dá)反射率因子Z <28 dBZ，ρhv>0.97；干雪資料需滿足Z<35 dBZ，ρhv>0.99。研究表明，小雨和干雪數(shù)據(jù)的高度宜選取融化層以下1 km左右和融化層以上1～2 km，因該區(qū)域內(nèi)的ZDR值保持在0 dB左右[24]。參照距離濟(jì)寧雷達(dá)最近的徐州探空雷達(dá)的零度層高度，2021年9月3日20：00和4日08：00徐州探空雷達(dá)觀測(cè)到的零度層高度分別為4 937 m和4 964 m。小雨數(shù)據(jù)選取的高度為3.0～3.9 km，干雪數(shù)據(jù)選取的高度為4.9～6.9 km。

圖8為2021年9月4日01：26篩選出的19.5°仰角的小雨和干雪粒子對(duì)應(yīng)的信噪比與差分反射率因子的散點(diǎn)圖。將SNR以0.5 dB的區(qū)間進(jìn)行劃分，計(jì)算得到每一個(gè)SNR區(qū)間的ZDR的平均值，對(duì)應(yīng)圖中的綠色曲線，即為差分反射率因子系統(tǒng)誤差的訂正曲線。在計(jì)算每個(gè)SNR區(qū)間的ZDR的平均值時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，對(duì)樣本數(shù)小于10的SNR區(qū)間進(jìn)行剔除。ZDR系統(tǒng)誤差訂正的平均值對(duì)應(yīng)圖中的紅色虛線。由圖可見(jiàn)，小雨與干雪兩種自然目標(biāo)物的ZDR系統(tǒng)誤差的訂正曲線隨著SNR的增大，其波動(dòng)幅度變化都不大，表明雷達(dá)觀測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。小雨與干雪粒子相比，干雪粒子ZDR系統(tǒng)誤差的訂正曲線較小雨粒子的波動(dòng)幅度大一些，也進(jìn)一步說(shuō)明小雨粒子的穩(wěn)定性要優(yōu)于干雪粒子。

表2為利用自然目標(biāo)物法對(duì)2021年9月4日01：05：04—05：27：39共50個(gè)時(shí)次的雷達(dá)觀測(cè)資料，計(jì)算得到的每個(gè)體掃的小雨和干雪粒子的ZDR系統(tǒng)誤差均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及滿足篩選條件的樣本個(gè)數(shù)。由表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)：小雨粒子ZDR的系統(tǒng)誤差均值普遍位于0.15～0.45 dB，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在0.32 dB左右，波動(dòng)較小；而干雪粒子的ZDR系統(tǒng)誤差均值普遍大于小雨粒子均值，絕大部分位于0.20～0.80 dB，最大ZDR系統(tǒng)誤差均值達(dá)到1.034 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.43～0.60 dB，其標(biāo)準(zhǔn)差也大于小雨粒子的標(biāo)準(zhǔn)差。與小雨粒子相比，干雪粒子ZDR的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)性大。此外，滿足小雨篩選條件的樣本數(shù)量有半數(shù)時(shí)次都大于干雪粒子的樣本數(shù)量，主要是由于位于雷達(dá)回波邊緣地帶的干雪范圍較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性略差所導(dǎo)致。通過(guò)ZDR系統(tǒng)誤差結(jié)果對(duì)比分析可知，利用小雨粒子作為自然目標(biāo)物可獲得更為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的ZDR系統(tǒng)誤差標(biāo)定值。根據(jù)150 540個(gè)小雨樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到ZDR的系統(tǒng)誤差的均值為0.326 2 dB，標(biāo)準(zhǔn)差均值為0.319 3 dB。

圖9所示為2021年9月4日03：35：04濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)3.3°仰角的ZDR系統(tǒng)誤差標(biāo)定結(jié)果。由圖9a可見(jiàn)，徑向距離100 km范圍內(nèi)，雷達(dá)反射率因子的值主要集中在10～30 dBZ，由圖9b可見(jiàn)，相關(guān)系數(shù)基本大于0.98。由圖9c可見(jiàn)，在徑向距離約為75 km，方位位于0°～210°、270°～360°處可見(jiàn)明顯的零度層亮帶回波，表明在零度層以下是典型的弱降水粒子。圖9c、d為標(biāo)定前與標(biāo)定后的差分反射率因子ZDR的平面位置顯示器（plan position indicator，PPI）圖像，由圖可見(jiàn)，ZDR標(biāo)定前，徑向距離75 km以內(nèi)ZDR的值集中在0.5～1.0 dB，明顯偏大，由計(jì)算得知ZDR系統(tǒng)誤差為0.42 dB，經(jīng)標(biāo)定后，徑向距離75 km以內(nèi)ZDR的值大部分在0.2 dB左右，零度層亮帶以上ZDR值大部分集中在0.5 dB左右，標(biāo)定后的結(jié)果更加合理。姚曉娟[23]、周聰[25]曾采用此法對(duì)C波段雙偏振雷達(dá)的ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行過(guò)標(biāo)定，結(jié)果顯示標(biāo)定后的效果要優(yōu)于標(biāo)定前。影響ZDR系統(tǒng)誤差的因素較多，如：不同的信噪比對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差的影響不同。本文在訂正過(guò)程中沒(méi)有一一進(jìn)行量化考慮這些因素，業(yè)務(wù)人員在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮各因素的影響。

杜牧云等[26]利用小雨和干雪兩種自然目標(biāo)物對(duì)C波段雙線偏振多普勒雷達(dá)的ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Ｃ波段的雷達(dá)，干雪的訂正效果更穩(wěn)定，是ZDR系統(tǒng)誤差訂正的最優(yōu)目標(biāo)物。而通過(guò)本文的分析可知，在對(duì)S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)進(jìn)行ZDR系統(tǒng)誤差標(biāo)定時(shí)，小雨粒子與干雪粒子相比，小雨粒子是更為合適的自然目標(biāo)物。這與干雪粒子高度較高，滿足篩選條件的干雪粒子數(shù)量較少有關(guān)，因而導(dǎo)致ZDR系統(tǒng)誤差標(biāo)定值的穩(wěn)定性差一些。

6 結(jié)論

利用濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的弱降水資料，分析了信噪比、相關(guān)系數(shù)對(duì)偏振參量的影響以及近距離雙偏振參數(shù)的特征；同時(shí)利用雷達(dá)最高掃描仰角的層狀云降水資料分析了小雨和干雪兩種粒子對(duì)ZDR的訂正效果。主要得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)SNR小于21 dB時(shí)，ZDR、ΔΦDP、ρhv的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨SNR的變化波動(dòng)明顯，ZDR、ΦDP、ρhv不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量差。當(dāng)SNR大于21 dB時(shí)，隨著SNR的增大，ZDR標(biāo)準(zhǔn)差和平均值變化緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定；ρhv的標(biāo)準(zhǔn)差緩慢遞減趨于穩(wěn)定，其平均值緩慢增加且趨近于1；ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值較為穩(wěn)定，其平均值逐漸趨近于0°。即SNR大于21 dB時(shí)，偏振參量ZDR、ρhv、ΦDP才具有可信度，且隨著SNR的增大，ZDR、ρhv、ΦDP數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越來(lái)越好。

（2）當(dāng)SNR大于21 dB、ρhv<0.965時(shí)，隨著ρhv的減小，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值波動(dòng)較大，ΦDP數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；當(dāng)SNR大于21 dB、ρhv>0.965時(shí)，隨著ρhv的增大，ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)平緩且呈逐步下降的趨勢(shì)，其平均值緩慢增加并趨近于0°，ΦDP的值越穩(wěn)定。

（3）受地面噪聲干擾、近距離地物以及天線旁瓣的影響，在0～15 km內(nèi)，無(wú)論SNR是減小還是增大，ZDR和ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差均波動(dòng)大，雙偏振參量不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量差；在15～50 km內(nèi)，隨著SNR的增大，ZDR與ΔΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差略微減小且逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，ZDR與ΦDP數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。

（4）利用小雨和干雪兩種自然目標(biāo)物對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，小雨粒子ZDR系統(tǒng)誤差的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差比干雪粒子小很多，且小雨粒子ZDR系統(tǒng)誤差訂正曲線的穩(wěn)定性要優(yōu)于干雪粒子，二者相比，小雨粒子的ZDR系統(tǒng)誤差的訂正效果更為穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差訂正后的降水粒子的ZDR值較訂正前更為合理。在當(dāng)前業(yè)務(wù)運(yùn)行的雙線偏振雷達(dá)不允許開(kāi)展垂直掃描模式時(shí)，利用其最高仰角探測(cè)的小雨粒子數(shù)據(jù)對(duì)ZDR系統(tǒng)誤差開(kāi)展訂正是一種較好的方法。

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