朱睿

摘 要：多普勒雷達(dá)是一種探測并研究降水粒子相態(tài)結(jié)構(gòu)的有效手段，在氣象領(lǐng)域有許多應(yīng)用。對于利用多普勒雷達(dá)進(jìn)行氣象探測工作而言，其觀測資料的分析和處理是工作的重點(diǎn)。當(dāng)前，多普勒雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)還存在雷達(dá)回波短缺、異常數(shù)據(jù)點(diǎn)、晴空回波等質(zhì)量問題。應(yīng)對這些問題，必須采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，才能夠較好處理多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：多普勒雷達(dá)；觀測資料；質(zhì)量控制方法；研究及應(yīng)用

引言

多普勒雷達(dá)是應(yīng)用于中小尺度災(zāi)害性氣候的較新的監(jiān)測設(shè)備，最早由美國國家氣象局（NWS）研發(fā)并于上世紀(jì)90年代布網(wǎng)應(yīng)用。目前，全世界有超過1000部以上的多普勒雷達(dá)被布置，應(yīng)用于氣象探測分析、降雨估測、短時(shí)預(yù)報(bào)、人工影響天氣等方面，已經(jīng)是氣象部門重要的探測手段之一。不過，多普勒雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)還存在誤差，其中觀測數(shù)據(jù)誤差是最主要的誤差之一，目前，國內(nèi)外針對多普勒雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)誤差的質(zhì)量控制還沒有形成有效的方法和標(biāo)準(zhǔn)。不過，國內(nèi)已經(jīng)開始探索提高多普勒雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的措施。

1 多普勒雷達(dá)在我國氣象領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

我國氣象領(lǐng)域應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行氣象的監(jiān)測預(yù)報(bào)研究已經(jīng)有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)的。在利用雷達(dá)進(jìn)行氣象監(jiān)測時(shí)，研究者們發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量很容易受到地形遮擋、還存在環(huán)境噪聲、信號(hào)衰減等問題。

其中地形遮擋造成的雜波是一個(gè)麻煩而又切實(shí)需要解決的問題。國外的氣象學(xué)者們首先研發(fā)出多普勒雷達(dá)。多普勒雷達(dá)可以根據(jù)地形雜波的信號(hào)與氣象信號(hào)的多普勒功譜的差異，利用凹槽濾波器對地面雜波進(jìn)行處理。此外，其還可以根據(jù)地面物體雜波與降水觀測量的空間分布差異特征設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行判斷。美國大氣研究中心利用模糊邏輯法綜合使用反射率因子、徑向速度和速度譜寬進(jìn)行地面物雜波的識(shí)別。

國內(nèi)在上世紀(jì)末引進(jìn)多普勒雷達(dá)之后，有氣象學(xué)者對這些方面進(jìn)行長期的研究，并改進(jìn)了美國學(xué)者提出的模糊邏輯法，在多普勒雷達(dá)觀測資料的質(zhì)量控制上取得了一定的進(jìn)展。針對多普勒雷達(dá)觀測資料中存在的更加具體的由于各種原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)短缺、晴空回波等質(zhì)量問題，國內(nèi)學(xué)者們也針對性地進(jìn)行了許多措施的試驗(yàn)，最終摸索出了一些提高觀測資料質(zhì)量的措施。

2 多普勒雷達(dá)的氣象觀測資料中存在的質(zhì)量問題

2.1 數(shù)據(jù)短缺

是實(shí)際應(yīng)用中，人們常在多普勒雷達(dá)觀測資料中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)短缺的現(xiàn)象。一般有兩種情況的數(shù)據(jù)短缺：一種是某些單元點(diǎn)在暴雨氣候中出現(xiàn)單一的或者若干的單元數(shù)據(jù)丟失，使得這些點(diǎn)的暴雨過程變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)不連貫；一種是雷達(dá)體掃描過程中沿軸向出現(xiàn)整體性的數(shù)據(jù)短缺，這種情況對于氣象分析更為不利。

2.2 異常點(diǎn)

在對多普勒雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行dbz>70的強(qiáng)回波的分析中發(fā)現(xiàn)，有一些點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)發(fā)生了異常的突變現(xiàn)象，常常呈現(xiàn)出與周圍的臨近點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異巨大的情況。這些異常點(diǎn)一般都是一些孤立的點(diǎn)，其數(shù)值與氣象的連續(xù)性完全不符合，基本不具備合理性，無法作為分析參考的對象。

2.3 晴空回波

晴空，也就是大氣層中的無云區(qū)域，有時(shí)多普勒雷達(dá)對這些區(qū)域進(jìn)行探測時(shí)，會(huì)產(chǎn)生回波。這些區(qū)域基本上降雨量為零，出現(xiàn)晴空回波會(huì)對氣象分析產(chǎn)生較大的誤判。不過，長期的應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，多普勒雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測，很少出現(xiàn)零回波的現(xiàn)象，許多時(shí)候，地面雨量監(jiān)測站監(jiān)測降雨為零的情況下，多普勒雷達(dá)也會(huì)有回波產(chǎn)生。

3 當(dāng)前對多普勒雷達(dá)觀測資料質(zhì)量問題的控制措施

3.1 對數(shù)據(jù)短缺進(jìn)行插補(bǔ)延長

對短缺的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，主要有兩種方法。一種是利用氣象的數(shù)據(jù)的連續(xù)性的特征，一般情況下，氣象數(shù)據(jù)總是呈現(xiàn)出局部的連續(xù)性，短缺數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍的數(shù)據(jù)與短缺數(shù)據(jù)應(yīng)該是一種連續(xù)的關(guān)系，可以利用短缺數(shù)據(jù)左右兩個(gè)方向臨近的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性延長插補(bǔ)。

還有一種方法，是利用同一個(gè)單元點(diǎn)不同時(shí)間段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。云團(tuán)的移動(dòng)帶來單元點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，對于同一片云團(tuán)而言，這種變化的規(guī)律基本上是一致的。所以觀測其他單元點(diǎn)，尤其是短缺點(diǎn)附近單元點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化，可以擬推出短缺單元點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化，進(jìn)而進(jìn)行短缺數(shù)據(jù)插補(bǔ)。

3.2 對異常點(diǎn)回波進(jìn)行處理

多普勒雷達(dá)的回波具有一定的閥值，正常情況下，回波不會(huì)超過這個(gè)閥值。而異常點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在許多情況超過了回波閥值。因此這可以作為異常點(diǎn)判定的一個(gè)依據(jù)。對于異常點(diǎn)的處理，常常采用二維中值濾波法。首先對超過回波閥值的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用中值濾波法處理，另外對于沒有超過閥值但是相比周圍回波的數(shù)據(jù)都大于6dbz的數(shù)據(jù)，也進(jìn)行中值濾波法的處理。

3.3 利用格網(wǎng)點(diǎn)基礎(chǔ)回波法剔除晴空回波

西南科技大學(xué)的鄒強(qiáng)等人在晴空回波的處理問題上，提出了格網(wǎng)點(diǎn)基礎(chǔ)回波處理法。其原理是將監(jiān)測區(qū)域按照經(jīng)緯度坐標(biāo)劃分成格網(wǎng)，對于每一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)，根據(jù)其長期的雷達(dá)回波規(guī)律與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)系確定基礎(chǔ)的回波值。然后將監(jiān)測到的回波與基礎(chǔ)回波進(jìn)行對比，低于基礎(chǔ)回波值，基本上可以認(rèn)為是晴空回波，沒有發(fā)生實(shí)際降雨。

4 結(jié)束語

多普勒雷達(dá)作為新型的氣象監(jiān)測工具，在氣象探測中的應(yīng)用前景還十分可期，有繼續(xù)開拓發(fā)掘的前景。針對其觀測數(shù)據(jù)中常見的數(shù)據(jù)短缺、晴空回波、異常點(diǎn)等數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷，國內(nèi)該領(lǐng)域的專家們也初步探索出了一些控制措施?？梢岳貌逖a(bǔ)延長來彌補(bǔ)數(shù)據(jù)短缺，對異常點(diǎn)的回波利用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)編寫的軟件進(jìn)行處理，對晴空回波也可以利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行剔除。此外，對河流、海洋等重點(diǎn)氣象監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，能夠有效地對這些區(qū)域的氣象進(jìn)行針對性的全過程監(jiān)視。當(dāng)然，多普勒雷達(dá)的觀測資料的質(zhì)量問題并沒有被完全解決，未來還應(yīng)當(dāng)加大對這方面研究的投入，以應(yīng)對越來越多變的全球氣候。

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