陕西新一代天气雷达数据质量控制

2016-04-07龙亚星

陕西气象 2016年1期

黄　勤，龙亚星，任　芳

(1.陕西省气象信息中心，西安　710014；2.陕西省大气探测技术保障中心，西安　710014；

3.陕西省气象服务中心，西安　710014)

陕西新一代天气雷达数据质量控制

黄勤1，龙亚星2，任芳3

(1.陕西省气象信息中心，西安710014；2.陕西省大气探测技术保障中心，西安710014；

3.陕西省气象服务中心，西安710014)

摘要：统计分析了陕西新一代天气雷达资料中的固定地物、超折射和径向干扰回波分布情况，并介绍了相应的数据处理方法，重点对西安雷达数据中的强地物、超折射和径向干扰回波数据进行了质量控制，结果表明：(1)利用模板匹配和回波纹理结构能够有效识别抑制固定地物回波；(2)倾斜测试法结合回波强度和径向速度识别抑制超折射回波效果明显；(3)采用相邻径向有效库数比较和中值滤波识别抑制径向电磁干扰效果明显。

关键词：天气雷达；固定地物；超折射；径向干扰

天气雷达资料在估测降水、短时预报和数值预报模式资料同化等科研和业务中取得了广泛应用，目前，已有多种方法用于识别和抑制天气雷达中的非气象回波来提高雷达数据质量。陈媛[1]介绍了几种雷达数据质量控制方法。宗蓉等[2]基于地物和超折射的水平、垂直结构特征进行非降水回波识别。李丰等[3-6]开展了基于模糊逻辑识别和回波分块的非降水气象回波识别算法研究。江源等[7-8]对天气雷达出现的电磁干扰回波进行分析处理。庄旭东等[9-10]对超折射回波进行了分析抑制。目前，陕西省气象部门已经运行榆林、延安、西安、宝鸡、商洛、安康、汉中共7部CB型天气雷达。由于陕西地势南北高、中间低，多部天气雷达资料中存在地物回波和回波遮挡的问题，另外还存在径向掉线和固定方向的电磁干扰。以上问题对雷达资料深入应用有较大影响。因此，针对陕西新一代天气雷达资料中的固定地物、超折射和径向干扰的回波问题，进行数据质量分析，重点对西安雷达站数据的强固定地物杂波、超折射回波和径向干扰进行数据质量控制。

1雷达资料预处理

在对雷达资料进行数据质量分析和控制前，需进行雷达径向掉线预处理。陕西雷达的径向掉线分为掉线1个和超过10个两种情况，本文采用相邻两个径向平均值对1个径向掉线数据做插值处理，对超过10个径向掉线数据不做处理。

2数据质量分析和质量控制

2.1固定地物杂波

统计陕西7部天气雷达地物回波分布情况，其中西安、宝鸡、安康和榆林4站雷达有较明显的地物回波，其径向速度和速度谱宽趋近于零，反射率因子具有较高的值，回波形态基本不变(见45页图1)。其中，西安、宝鸡和安康的地物均为秦岭山脉，榆林的地物为陕北高原。由于秦岭山脉的平均海拔高度在2 km以上，西安雷达站海拔高度为456 m，西安雷达在最低仰角时，雷达发射的电磁波遇到山脉后被山体吸收，出现方位角超过50°的波束遮挡，1.5°仰角没有出现地物回波，分析其原因为雷达对该仰角层回波进行了杂波抑制，地物回波仅出现在2.4°仰角，位于雷达站以南60～80 km。宝鸡雷达同样受秦岭山脉的影响，在0.5°、1.5°、2.4°仰角中受到不同程度的地物遮挡，且自西北向东南方向，存在长度达300 km、最大回波强度达15 dBz的地物回波带。在2.4°仰角中出现较强地物回波，回波强度达到60 dBz，位于雷达站以南40～80 km。安康雷达资料中地物回波在0.5°～2.4°仰角中均有，最大回波强度大于60 dBz，位于雷达站西北方向，方位角为270°～310°。榆林雷达的地物回波只存在于0.5°仰角中，位于雷达站附近及雷达站西南40～80 km。

根据以上地物回波的分布特征，在晴空条件下，设定雷达回波强度大于10 dBz，径向速度和速度谱宽趋近0 m/s，并结合地物回波出现的方位角区间，制作适合本雷达站的地物模板，采用地物模板匹配方法[10]自动识别晴空条件下的地物杂波。当地物杂波在降水区域时，根据在晴空条件下统计的地物模板，利用以下公式[5]计算模板区域回波纹理识别地物回波，公式如下：

(1)

其中，TDBz表示回波强度纹理，反映回波强度的局地变化大小，单位为dB2，本文中设定满足TDBz>40dB2的回波为地物回波；NA、NR表示在方位和距离方向定义的计算范围，本文规定NA=NR=3；Zi,j为任意点的回波强度。当识别出地物回波后，将回波强度值赋值为无效值(如：-999或999)达到抑制效果。

根据上述识别和抑制地物回波的方法，分别选取了西安雷达2015年4月1日19：47和16：13数据进行分析。

西安雷达2.4°仰角存在地物回波，位于雷达站以南60～80 km处。当地物杂波(见45页图2a中白色虚线区域)不在降水区域时，根据统计形成的地物回波模板，对该数据中的地物杂波进行识别抑制。效果见图2b，图2a中白色虚线部分地物回波已明显得到抑制，可见地物模板匹配方法能够有效地抑制地物杂波。

选取2015年4月1日16时13分西安雷达站数据分析地物杂波在降水区域中识别和抑制情况。杂波(见46页图3a黑色虚线区域)形态不如在非降水区域时规则清晰，且部分杂波淹没在降水回波中，但仍可见随时间推移而固定不变的回波区域，最大回波强度为71 dBz，径向速度和速度谱宽趋近于0 m/s。由于杂波在降水回波区域中，需结合该区域的回波纹理结构进行识别。抑制后效果见图3b，图3a黑色虚线中强回波已被抑制，且避免了该区域中满足径向速度和速度谱宽趋近于0 m/s的有效回波被抑制。

2.2超折射回波

当大气层中出现温度随高度的增加而升高或湿度随高度的增加而减小时，雷达的电磁波方向因大气折射指数的变化而折向地面，形成超折射回波。根据陕西目前的雷达资料，仅发现西安雷达在晴天的早间和傍晚时常存在较明显的超折射，超折射回波出现在0.5°仰角未被山体遮挡的区域，本文采用倾斜测试法[11]，并结合回波强度和速度值自动识别超折射回波。具体方法：首先，采用倾斜测试方法计算1.5°仰角相对于0.5°仰角在相同距离圈内回波面积差值的百分比值，并设定超折射阈值为50%，若计算值≥50%，则判定0.5°仰角回波为“可疑超折射回波”；然后，根据径向速度和速度谱宽是否趋近0 m/s识别出超折射回波；最后，将回波值赋值为无效值达到抑制超折射回波效果。

根据上述识别抑制方法，确定西安2015年4月22日07：31数据的0.5°仰角存在超折射回波，测试阈值为0.67。超折射回波强度大，呈放射状(见46页图4a)。抑制后，超折射回波得到明显抑制(图4b)。但仍存在未抑制的强度大于40 dBz的杂波，主要是由于原杂波的径向速度为-14 m/s，超折射回波抑制条件为径向速度趋近0 m/s，因此造成杂波抑制不完全。

2.3径向干扰

目前，从陕西部分雷达图像中可以看到呈直线状的干扰回波，且方向比较固定，判断应为来自远距离的单频点电磁干扰。西安雷达回波中，径向干扰较为严重，主要来自以下4个方位角附近：45°、105°、160°和357°，当发生超折射时，在275°方位角附近也会出现径向干扰。宝鸡雷达回波中，干扰主要来自148°方位角附近。安康和商洛雷达径向干扰主要来自20°和295°方位角附近，偶尔有来自320°方位角附近的干扰。榆林雷达有来自225°方位角附近的干扰。首先将相邻两个径向的有效回波距离库数进行分析，得到其有效差值距离库数，定义差值超过200的为干扰回波，然后采用中值滤波[8]对干扰回波进行抑制。

图1　雷达固定地物回波反射率(虚线内为固定地物回波；a 西安，2.4°；b 宝鸡，2.4°；c 安康，0.5°；d 榆林，0.5°)

选取西安雷达2015年4月1日19时41分数据做径向干扰抑制分析，可以看出，径向干扰出现在方位角105°和160°附近(见46页图5a)，呈条幅状。其中，在方位105°附近存在连续两个径向的干扰波。采用相邻径向比较和中值滤波方法，径向干扰抑制效果明显(图5b)。由于有效差值距离库数的阈值为固定值，所以图5b中仍存在径向距离库数较少的干扰回波。