基于气象雷达数据的三体散射自动识别研究

杨妍辰?姜皓严?李明聪

摘 要 本文从雷达图像的三体散射特征产生机理着手，直接分析对应三体散射的雷达反射率因子数据，从而避免了由数据转化为雷达图像时造成的信息损失。识别出三体散射现象后再在雷达图像上标出其位置。本方法不仅可以识别出核在单体外侧时出现的三体散射，还可以识别出核在单体其他位置时有没有产生三体散射现象，以供预报员更好判断冰雹降落区。减少了预报员的工作量，使预报员不必长时间肉眼观察雷达图像。

关键词 天气雷达;三体散射;数据识别;冰雹预警

引言

本文基于雷达反射因子数据，根据TBSS的形成机理和回波特点，建立一套新的识别算法，并结合谱宽产品进一步确认TBSS特征，最终有效识别出单体外的TBSS，和处于单体内的可能TBSS，提高了具有TBSS特征强冰雹的识别率，并为强冰雹预警提供客观依据。

1三体散射形成机制及其特点

图1 造成三体散射长钉（或火焰回波）的雷达信号路径示意图.点C处的阴影代表造成该回波假象的大于60 dBz 的反射率因子核心

图1中显示了造成TBSS时的雷达信号路径。若C区在雷达径向上有长度分布，设长度为L，如图2所示，其中C区前端与自己的TBSS距离为A，C区尾端距离自己的TBSS为B，则可知耀斑回波中前l长度内的回波强度几乎不衰减，之后才开始逐渐衰减，由图可知

考虑地球曲率以及雷达海拔高度时，设雷达海拔H，仰角为α，回波图像上距离雷达r处所在的地面高度为h，如图3所示，

从上式可知，的长度大于C区L的长度。根据统计资料L不超过8Km，r取雷达探测半径200km，雷达仰角范围为0°～14°，而强核出现位置在3°～7.5°范围内。将这些值代入（3）式，可得比L最大不超过10km，而L越小时，长度和L越接近[1]。

电磁波波长为5cm（C波段）时，能检测到除大冰雹外大雨滴或小冰雹产生的TBSS，而S波段（10cm）雷达只能检测到大冰雹的TBSS。所以S波段检测到TBSS时，是发生强冰雹的充分条件。

通过分析多个案例，可得到TBSS的一些特点，具体如下：

对于S波段雷达，其反射率因子显示阈值为5dBz，要产生一个能被分辨出的TBSS，TBSS对应的反射核的反射率因子都大于60dBz。

统计TBSS的长度，最大长度为24km，最小长度为1km，3km以上的TBSS占总次数的91.2%。如果单体核距离单体边界较远，TBSS会和降水主体发生混合，故雷达图上测得的TBSS长度必然变短。

反射率因子核心强度越大，高反射率因子的区域越大，TBSS的长度就越长。

我国冰雹天气主要发生在春夏之交，高度通常在6～9km之间，根据冰雹形成机理和雷达特性，雷达仰角为4.3°，5.3°和6.2°时是探測TBSS的合适探测仰角。

TBSS的谱宽值（Spectrum Width， SW）最大可达到13m/s以上，在SW上特征明显，即使TBSS和降水回波混合，也能清楚的识别。

TBSS的反射率强度（周边没有降水物回波时），据统计不超过25dBz，一般为20dBz。故TBSS头前部L处的反射率强度大于20dBz，之后随举例衰减，直到5dBz时被雷达噪声所覆盖[2]。

2三体散射数据识别

以反射率因子数据为基础，根据三体散射（TBSS）特征，寻找满足TBSS特征的数据。

2.1 反射核位置区域的确定

雷达在以不同的仰角，方位角从0°～360°（正北为0°，顺时针增大）进行扫描。每个方位角获得不同径向距离的反射率数据，如图4，为某仰角时，方位角从300°到320°时，径向距离从141km到160km范围内的反射率数据。反射率因子小于5dBz的均进行去噪，等于0。为寻找反射率因子≥60dBz的连通区域，逐角度（逐行）寻找≥60dBz的单元，并逐一记录此类单元对应的方位角θ和径向距离r。如果一行中几个单元连续≥60dBz，则这几个单元形成一个连通区域。该行中有不连续的≥60dBz单元存在，则暂记为多个连通区域。同理下一行继续寻找满足条件单元，如果该行连续出现≥60dBz单元，则形成新连通区域，并和已有连通区域中的径向距离r作比较，如果两个连通区域中有相同r，则这两个连通区域合并为一个连通区域[3]。

2.2 反射核心区域“中心”的确立

依上述方法可从某仰角的反射率因子数据中寻中若干≥60dBz的核心区域。选其中一个核心区数据集，该数据集如包含n个单元，每个单元有各自的坐标（方位角θi和径向距离ri）以及反射率因子Pi。以此数据集根据公式（4）便可求出该反射率核心的“中心”位置（r，θ）[4]。

2.3 TBSS特征数据的辨识方法

求得的反射率因子核心区域中心坐标（r，θ）后，将r值以及该反射率因子回波所对应的仰角α代入公式（2），可求出反射率核心区所在的高度h（h值取整数），则TBSS的位置即在该方位角θ上r+h处开始，并向后延伸。根据统计资料显示，若TBSS不和云雨反射率数据混合时，则最长可达24km，而雷达分辨率为1km，即，TBSS在方位角θ上从r+h处开始向后延伸23个径向距离数据的长度。而TBSS的宽度（方位角）范围定义为该核心区域数据集中最大方位角和最小方位角之间（θmin～θmax）。该区域中最大方位角θmax=310.8°，最小方位角θmin=308.8°。图中绿框单元是依据公式（4）计算得到的中心位置，其对应的方位角和径向距离分别为θ=309.8°和r=146km，计算得到TBSS的起始径向距离为r+h=150km处，而根据核心区的θmin、θmax值可得到TBSS的范围。根据大量统计资料显示，TBSS可能发生断裂现象（中间部分反射率因子小于5dBz），而采用上述方法，即使TBSS发生断裂现象，也不会影响计算结果，即，该方法容错率比较优异[5]。

3实测与分析

标记好的TBSS以及反射率核心区域。根据本文所述方法，结合福建、安徽、天津的10次强对流事件进行实测，从仰角范围从0.5°到6°等6种角度反射率数据，136个未和降水物回波混合的TBSS中135个被识别出（同一反射核心区不同仰角都有TBSS存在），1例未被识别出是高仰角时TBSS处反射率因子数据与同径向距离θmin–1和θmax+1两个单元格的数值差别不明显，且24个径向数据中仅有4个径向距离有反射率因子数据，从反射率因子图像上看，TBSS的特征就是很短且粗。即，对于TBSS未和降水物回波混合时的识别率达到99.2%，未被识别出的TBSS可以从其他仰角反射率因子对应的数据中识别出，以弥补此处的遗漏。更改测试方法中的A值和差值D，如果A值范围扩大，D值变大，都会使误警率FAR（false alarm rate）升高;降低A值和差值D，漏报率RMR（rate of missing rate）反而升高[6]。

4结束语

根据本文的方法，计算量很小，计算机能够及时地发现TBSS，为替代低效、经验的人工识别提供了一个科学、准确、快速的自动识别方法;为提前预报强冰雹天气，尽量减少经济损失做出一定贡献。

参考文献

[1] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等. 多普勒天气雷达与业务应用[M]. 北京：气象出版社，2006：37.

[2] 廖玉芳，俞小鼎，吳林林，等. 强雹暴雷达三体散射统计与个例分析[J]. 高原气象，2007，26（4）：812-820.

[3] Smallcomb C. Hail spike impacts on Doppler radial velocity data during several recent lower Ohio Valley convective events[C].23rd Conf on Severe Local Storms. St Louis，MO，USA，2006：1-22.

[4] Waldvogel A，Schmid W，Federer B. The kinetic energy of hailfalls（part I）：Hailstone spectra[J]. Journal of Applied Meteorology，1978，（17）：515-520.

[5] 王萍，杜雪峰，徐考基，等.天气雷达反射率因子图像中三体散射自动识别[J]. 天津大学学报（自然科学与工程技术版），2014，（8）：711-718.

[6] L. R. The radar three-body scatter spike：An operational large-hail signature[J]. Weather & Forecasting，2010，13（2）：327-340.