雷达反射率数据质量控制方法初探

书书书第２５卷第２期２００９年４月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ２００９收稿日期：２００８－１１－１０；修订日期：２００９－０１－２２。作者简介：宗蓉，女，１９８４年生，在读硕士研究生，主要从事天气雷达资料处理与应用方面的研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。雷达反射率数据质量控制方法初探宗蓉１　刘春云２（１南京信息工程大学，江苏南京２１００４４；２乌鲁木齐市气象台，新疆乌鲁木齐８３０００２）　　摘　要：地物和超折射等非降水回波是影响雷达定量探测降水和其他产品的重要因素，利用降水和非降水回波反射率三维结构特征可以对雷达数据进行质量控制。对近年合肥、广州、濮阳、烟台等多部雷达体扫资料进行统计。结果表明：降水和非降水的水平反射率结构（Ｔ）和垂直反射率差（Ｖ）在反射率的低值和高值区均表现出不同的分布特征，并以此为这２个判据在反射率低值和高值区设定不同的判别指标。实验表明，此方法可以改善降水和非降水回波的识别效果。关键词：雷达反射率；降水回波；非降水回波；数据质量控制　　中图分类号：Ｐ４１２２５　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０２－００６２－０６　　１　引言雷达数据质量控制的意义在于应用雷达估计降水更为准确。雷达在探测气象目标物的同时，也可以探测到非气象目标物，包括地物，海浪，生物（如昆虫、鸟群等）以及太阳辐射等。这些非气象回波会干扰降水回波，影响降水产品的准确性，导致临近预报出现偏差，因此要在降水估计之前将其识别并去除。采用人工判读方法，可以去除比较明显的非降水回波，但是工作量大、效率低、准确度不高，且无法与后续算法结合进行自动处理。Ｓｔｅｉｎｅｒ和Ｓｍｉｔｈ［１］分析了雷达波束异常传播产生的条件，在已有的剔除地物的方法之上提出了利用雷达反射率的三维结构进行雷达质量控制的算法，他们认为采用雷达回波的垂直伸展、反射率场的空间变率、反射率的垂直梯度这３个参数较为适用。算法为了使数据量保持最小，没有采用多普勒径向速度和谱宽资料。Ｋｅｓｓｉｎｇｅｒ等［２］基于Ｋｏｓｋｏ于１９９２年提出的模糊逻辑思想，提出了雷达回波分类技术（ｒａｄａｒｅｃｈｏｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ，ＲＥＣ）。ＲＥＣ实质上是一个专家系统，共有４种分类算法。根据ＲＥＣ算法的不同，需选取不同特征组合作为输入，如在进行降水检测算法时，选用速度标准方差、谱宽、反射率均值、反射率纹理特征、ＳＰＩＮ和ＳＩＧＮ等输入。Ｚｈａｎｇ等［３］采用类似Ｓｔｅｉｎｅｒ和Ｋｅｓｓｉｎｇｅｒ的方法，在计算垂直梯度时，将Ｓｔｅｉｎｅｒ算法中的仰角改为高度计算，而水平变化参数则使用了Ｋｅｓｓｉｎｇｅｒ反射率纹理。本文参考Ｚｈａｎｇ等方法，选取水平反射率结构（Ｔ）和垂直反射率差（Ｖ）２个变量作为判据。通过分析近年合肥、广州、濮阳、驻马店和烟台等多部雷达回波变化，发现这２个变量在反射率的高值和低值区表现出不同的分布特征。因此，本文在Ｚｈａｎｇ等利用反射率的三维空间结构识别非降水回波的基础上加以改进，将反射率分为高值区和低值区２个部分，作为选定的２个判据在这两部分上设定不同的阈值。经实验发现此方法比在整个反射率区间上采用单一阈值有更好的识别效果。２　基本原理与方法首先在质量控制前滤去原始资料中以孤立的点和射线形式存在的噪声。利用式（１）进行简单过滤：Ｐｘ＝Ｎ／Ｎｔｏｔａｌ（１）式（１）中，ｘ为给定的反射率距离库，以它为中心点，取一个５×５的窗口，其中有效反射率探测值个数为Ｎ；Ｎｔｏｔａｌ等于２５代表５×５数据的个数；Ｐｘ为窗口中有效反射率回波所占百分比，如果Ｐｘ小于某一阈值（缺省为７５％），则认为这个点ｘ是孤立的，将它删除设为空。因为降水回波与非降水回波在雷达反射率三维空间结构中的最大区别在于水平和垂直伸展方向上的变化不同，因此本文参考Ｚｈａｎｇ等提出的基于水平和垂直反射率结构的质量控制算法，采用水平反射率结构（Ｔ）和垂直反射率差（Ｖ）２个参数［１－３］作为判据：Ｔ＝∑Ｎｈｊ＝１∑Ｎｇｉ＝１（Ｚｉｊ－ＺｉＺｉｊ）２ＮｈＮｇ（２）Ｖ＝ＺＵＰ－ＺＬＯＷθＬＯＷ－θＵＰ（３）　第２期宗蓉等：雷达反射率数据质量控制方法初探６３　　　式（２）—式（３）中，ｉ、ｊ分别为反射率距离库和方位序号；Ｚｉ，ｊ为当前库的反射率值（ｄＢｚ）；Ｎｇ、Ｎｈ分别是以（ｉ，ｊ）为中心的窗口的距离库数和方位库数，规定Ｎｇ、Ｎｈ均取３。垂直反射率差通常只计算最低２个仰角，即θＬＯＷ＝０５ｄｅｇ，θＵＰ＝１５ｄｅｇ；Ｚ为对应同一距离库的上下２个仰角的反射率值，ＺＬＯＷ为低仰角的反射率值，ＺＵＰ为较高仰角的反射率值。因为非降水回波的高度一般较低，通常为３０—４５ｋｍ［３］，所以Ｖ只在１６０ｋｍ范围内计算。３　回波特征分析选取２００４年７月８日合肥雷达强对流回波，２００７年４月２３日广州雷达强降水过程，２００７年６月５日驻马店雷达超折射，２００８年９月１７日濮阳雷达超折射，２００８年９月１８日濮阳雷达降水过程，２００８年１０月１９日烟台、青岛和连云港雷达降水过程，利用人工识别的方法对资料进行判断。判断依据：地物回波主要出现在低层，且径向速度很小，为了区别晴空条件下地物回波中夹杂的晴空回波，设回波强度大于１０ｄＢｚ的为地物回波；对于降水回波，可以从回波形状、垂直结构、演变和移动等方面加以识别。本文将雷达回波分为降水和非降水两类讨论。统计结果见表１。由表１可见，降水和非降水的Ｔ和Ｖ分布虽然有明显的区别，但是仍然存在重叠区域。比如仅用Ｔ作判别参数时，９０％的降水落在Ｔ小于等于２５ｄＢｚ２的区域里，但也有４３％的非降水落入该区域；如果非表１　Ｔ和Ｖ累积概率Ｔ累积概率Ｔ／ｄＢｚ２降水非降水Ｖ累积概率Ｖ／（ｄＢｚ／ｄｅｇ）降水非降水４０３８０００１６００４６６００５２６０５２０００２５１０６１６００６２８０６０５００４０２０７２０００７４１００６７０００６０４０８５０００９０１５０７９５０１５０６０９３２０１２０１８０８３８０２１０８０９８００１８０２００８５６０２８０１００９９９０２６０２５０９０００４３０１２１００００３５０３００９３２０５５０１５１００００５００４００９６５０７１０１８１００００６３０５００９８００７９０２０１００００７００６００９８９０８３４２２１００００７６５７００９９１０８５０２５１００００８３５降水的该参数作为判据，有９４％的非降水回波的下限为１０ｄＢｚ２，但是也有３３％的降水回波的Ｔ大于１０ｄＢｚ２；当参数Ｖ，９９％的降水的Ｖ值不大于１０ｄＢｚ／ｄｅｇ，但同时该区域出现将近３０％的非降水回波，也就是说选取Ｖ＝１０ｄＢｚ／ｄｅｇ作为阈值，将会有３０％的非降水回波被误判为降水回波。针对此情况，本文以３０ｄＢｚ为界，将反射率分为低值区（０—３０ｄＢｚ）和高值区（大于３０ｄＢｚ），再次对Ｔ和Ｖ进行统计。分段统计的２个参数的概率分布见图１。图１　降水回波与非降水回波的概率分布　　统计发现，降水回波的Ｔ和Ｖ的分布在高值区和低值区基本一致（图１中用同一条曲线表示），而非降水回波则变化较大。２个参数均表现为：在反射率的高值区更趋向于各自的较大值。这一分布特征使反射率高值区的２类回波的重叠面积比低值区小得多。尤其是Ｖ分布，在反射率的高值区，降水与非降水回波完全分离。根据这一统计结果，分别在２个反射率区域内重新计算Ｔ和Ｖ的累积概率，得到图２。从图２ａ可以看出，反射率值在０—３０ｄＢｚ内的回波中，有９０％的降水和６０％的非降水Ｔ小于等２５ｄＢｚ２；反射率值大于３０ｄＢｚ的回波中，在Ｔ小于６４　　　气象与环境学报第２５卷　等于２５ｄＢｚ２的范围内，同样有９０％的降水，但非降水比例降到了２０％。图２ｂ，在反射率低值区，有图２　降水回波和非降水回波的累积概率分布９０％的降水和１０％的非降水回波在Ｖ≤４ｄＢｚ／ｄｅｇ的区域里；在反射率的高值区，所有非降水回波的Ｖ值均大于１０ｄＢｚ／ｄｅｇ，同时该值也是降水回波Ｖ值的上限。通过上述分析可知，将反射率分段考虑，可以使反射率高值区的误判率显著降低。在反射率大于３０ｄＢｚ的回波区，选取Ｖ作为主要判据。但是受非降水回波垂直伸展较低的限制，Ｖ只能应用在半径１６０ｋｍ范围内。１６０ｋｍ之外，只能用Ｔ作为判据。经过反复实践，考虑主要降水保留的原则，对于０—３０ｄＢｚ和３０ｄＢｚ以上的回波，Ｔ的阈值分别设为２２ｄＢｚ２和３０ｄＢｚ２，Ｖ的阈值分别设为６ｄＢｚ／ｄｅｇ和１０ｄＢｚ／ｄｅｇ，低于或等于此阈值则认为是降水回波。４　质量控制实例将本文提出的为水平反射率结构（Ｔ）和垂直反射率差（Ｖ）２个参数在反射率的高值区和低值区设定不同阈值的方法，采用多部雷达基数据进行测试，发现可以对雷达反射率数据质量控制作出一定程度的改善。以下对几个典型实例进行分析。４１　降水回波和晴空弱回波　　图３为合肥雷达的一次强对流天气过程。测站显示范围为４６０ｋｍ图３　２００４年７月８日１５：２７合肥雷达０５ｄｅｇ仰角反射率回波北部有多个强多单体风暴，测站周围１００ｋｍ的范围内出现晴空回波。实验结果显示，质量控制后，浅薄的晴空回波被成功消除，降水回波则被完整地保存。４２　降水回波与嵌入其中的超折射回波图４为濮阳雷达的一次降水过程。雷达西南方向有一片层状云区，雷达站周围存在地物和晴空回波，雷达西南、西北和东南方向存在较为严重的超折射，并且与降水回波混合。经过质量控制，混合在降水回波中的超折射被去除，同时保留了绝大部分降水回波。而使用单一阈值的方法，虽然滤去了许多明显的、独立存在的非降水回波，但嵌入在降水回波中的超折射仍有残留。　第２期宗蓉等：雷达反射率数据质量控制方法初探６５　　　４３　降水回波与超折射显示范围为２３０ｋｍ图４　２００８年９月１８日０９：２３濮阳雷达回波　　图５中测站西南部有一块对流云，东南有一片呈带状的层状云降水。雷达１００ｋｍ范围内存在晴空回波，测站北部存在超折射。通过质量控制，删除了这些杂波污染，保留了降水信息。显示范围为２３０ｋｍ图５　２００８年１０月１９日００：３４烟台雷达０５ｄｅｇ仰角反射率回波４４　降水回波与地物图６为西安雷达的一次降水过程。西安的地形特点是南北高，中部低。北部是陕北高原，中部是关中平原，南部是秦巴山地，在雷达回波图上表现的非６６　　　气象与环境学报第２５卷　常明显。南部有一条较强的东西走向的带状回波是秦岭，北部分散开来的几片强回波是黄土高原上的显示范围为４００ｋｍ图６　２００８年１０月１９日１３：１０西安雷达０５ｄｅｇ仰角反射率山地。选择当日时次的体扫，在测站西部有一片层状云降水。通过质量控制可以看出，较强的地物回波几乎被滤除，而降水回波则被保存。５　结论与讨论（１）由于降水回波和非降水回波在反射率三维结构中的不同表现，采用反射率回波垂直反射率差结合水平结果的方法识别非降水回波是有效的。在实际应用中还需运用一些特殊处理技术，例如弱回波消除、噪声过滤和远距离平均回波强度计算等。（２）通过对合肥、广州、濮阳和烟台等多部雷达体扫资料统计分析，发现非降水回波反射率的水平结构和垂直梯度与反射率的低值区和高值区有较大差异。利用这种特征，为反射率的高值和低值设定不同的阈值。实验发现，此方法可以有效去除地物杂波、边界层杂波等污染，也能识别降水中的超折射回波，并且相比在整个反射率值采用单一阈值，识别效果得到了改善。（３）因为本文仅选用反射率空间结构作为判据，因此当出现零度层亮带时，会将其误判为非降水。并且该算法在识别远距离处超折射回波时仍存在不足。针对这２个问题，今后可将速度、谱宽作为判据，细化反射率分段，为不同的反射率值段选择更精确的阈值。（４）针对雷达资料的质量控制而言，仅仅依靠专家经验和雷达资料，准确区别地物和降水回波有时是非常困难的。为此，进一步综合利用卫星和雷达资料来减小地物、海浪和晴空回波的误差识别是非常必要的。参考文献：［１］　ＳｔｅｉｎｅｒＭ，Ｓｍ