多普勒雷达观测资料质量控制方法研究及其应用

朱睿

摘 要：多普勒雷达是一种探测并研究降水粒子相态结构的有效手段，在气象领域有许多应用。对于利用多普勒雷达进行气象探测工作而言，其观测资料的分析和处理是工作的重点。当前，多普勒雷达观测数据还存在雷达回波短缺、异常数据点、晴空回波等质量问题。应对这些问题，必须采取相应的质量控制措施，才能够较好处理多普勒雷达数据。

关键词：多普勒雷达；观测资料；质量控制方法；研究及应用

引言

多普勒雷达是应用于中小尺度灾害性气候的较新的监测设备，最早由美国国家气象局（NWS）研发并于上世纪90年代布网应用。目前，全世界有超过1000部以上的多普勒雷达被布置，应用于气象探测分析、降雨估测、短时预报、人工影响天气等方面，已经是气象部门重要的探测手段之一。不过，多普勒雷达的探测数据还存在误差，其中观测数据误差是最主要的误差之一，目前，国内外针对多普勒雷达的观测数据误差的质量控制还没有形成有效的方法和标准。不过，国内已经开始探索提高多普勒雷达观测数据质量的措施。

1 多普勒雷达在我国气象领域的发展和应用现状

我国气象领域应用雷达进行气象的监测预报研究已经有数十年的经验的。在利用雷达进行气象监测时，研究者们发现，雷达数据资料的质量很容易受到地形遮挡、还存在环境噪声、信号衰减等问题。

其中地形遮挡造成的杂波是一个麻烦而又切实需要解决的问题。国外的气象学者们首先研发出多普勒雷达。多普勒雷达可以根据地形杂波的信号与气象信号的多普勒功谱的差异，利用凹槽滤波器对地面杂波进行处理。此外，其还可以根据地面物体杂波与降水观测量的空间分布差异特征设计软件进行判断。美国大气研究中心利用模糊逻辑法综合使用反射率因子、径向速度和速度谱宽进行地面物杂波的识别。

国内在上世纪末引进多普勒雷达之后，有气象学者对这些方面进行长期的研究，并改进了美国学者提出的模糊逻辑法，在多普勒雷达观测资料的质量控制上取得了一定的进展。针对多普勒雷达观测资料中存在的更加具体的由于各种原因导致的数据短缺、晴空回波等质量问题，国内学者们也针对性地进行了许多措施的试验，最终摸索出了一些提高观测资料质量的措施。

2 多普勒雷达的气象观测资料中存在的质量问题

2.1 数据短缺

是实际应用中，人们常在多普勒雷达观测资料中发现数据短缺的现象。一般有两种情况的数据短缺：一种是某些单元点在暴雨气候中出现单一的或者若干的单元数据丢失，使得这些点的暴雨过程变化的监测数据出现不连贯；一种是雷达体扫描过程中沿轴向出现整体性的数据短缺，这种情况对于气象分析更为不利。

2.2 异常点

在对多普勒雷达观测数据进行dbz>70的强回波的分析中发现，有一些点的回波数据发生了异常的突变现象，常常呈现出与周围的临近点的数据差异巨大的情况。这些异常点一般都是一些孤立的点，其数值与气象的连续性完全不符合，基本不具备合理性，无法作为分析参考的对象。

2.3 晴空回波

晴空，也就是大气层中的无云区域，有时多普勒雷达对这些区域进行探测时，会产生回波。这些区域基本上降雨量为零，出现晴空回波会对气象分析产生较大的误判。不过，长期的应用分析发现，多普勒雷达进行监测，很少出现零回波的现象，许多时候，地面雨量监测站监测降雨为零的情况下，多普勒雷达也会有回波产生。

3 当前对多普勒雷达观测资料质量问题的控制措施

3.1 对数据短缺进行插补延长

对短缺的数据进行插补，主要有两种方法。一种是利用气象的数据的连续性的特征，一般情况下，气象数据总是呈现出局部的连续性，短缺数据点周围的数据与短缺数据应该是一种连续的关系，可以利用短缺数据左右两个方向临近的数据进行线性延长插补。

还有一种方法，是利用同一個单元点不同时间段获得的数据进行插补。云团的移动带来单元点监测数据的变化，对于同一片云团而言，这种变化的规律基本上是一致的。所以观测其他单元点，尤其是短缺点附近单元点数据的变化，可以拟推出短缺单元点的数据变化，进而进行短缺数据插补。

3.2 对异常点回波进行处理

多普勒雷达的回波具有一定的阀值，正常情况下，回波不会超过这个阀值。而异常点的数据，在许多情况超过了回波阀值。因此这可以作为异常点判定的一个依据。对于异常点的处理，常常采用二维中值滤波法。首先对超过回波阀值的数据点采用中值滤波法处理，另外对于没有超过阀值但是相比周围回波的数据都大于6dbz的数据，也进行中值滤波法的处理。

3.3 利用格网点基础回波法剔除晴空回波

西南科技大学的邹强等人在晴空回波的处理问题上，提出了格网点基础回波处理法。其原理是将监测区域按照经纬度坐标划分成格网，对于每一个格网点，根据其长期的雷达回波规律与地面监测数据的关系确定基础的回波值。然后将监测到的回波与基础回波进行对比，低于基础回波值，基本上可以认为是晴空回波，没有发生实际降雨。

4 结束语

多普勒雷达作为新型的气象监测工具，在气象探测中的应用前景还十分可期，有继续开拓发掘的前景。针对其观测数据中常见的数据短缺、晴空回波、异常点等数据质量缺陷，国内该领域的专家们也初步探索出了一些控制措施。可以利用插补延长来弥补数据短缺，对异常点的回波利用根据经验编写的软件进行处理，对晴空回波也可以利用数据处理软件进行剔除。此外，对河流、海洋等重点气象监测区域进行网格化处理，能够有效地对这些区域的气象进行针对性的全过程监视。当然，多普勒雷达的观测资料的质量问题并没有被完全解决，未来还应当加大对这方面研究的投入，以应对越来越多变的全球气候。

参考文献

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