呂 博，楊士恩，王 俊，韓風(fēng)軍，寧瑞斌

（1．山東省聊城市氣象局，山東 聊城 252000；2．山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031）

X波段雙線偏振多普勒雷達(dá)資料質(zhì)量評(píng)估

呂 博1，楊士恩1，王 俊2，韓風(fēng)軍1，寧瑞斌1

（1．山東省聊城市氣象局，山東 聊城 252000；2．山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031）

以山東省首部X波段全固態(tài)雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)724XSP觀測(cè)的幾次降水過(guò)程資料為例，與濟(jì)南站多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD／SA）資料進(jìn)行對(duì)比分析，并利用XSP雷達(dá)觀測(cè)的層狀云降水資料進(jìn)行偏振參量的質(zhì)量分析。結(jié)果表明：XSP雷達(dá)波束在穿越層狀云云體時(shí)的衰減比較均勻，與SA雷達(dá)探測(cè)的云體結(jié)構(gòu)比較接近，但XSP雷達(dá)對(duì)45 dBZ以上強(qiáng)回波的探測(cè)能力較差，尤其探測(cè)冰雹云云體結(jié)構(gòu)時(shí)二者差別較大。對(duì)偏振參量分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SNR＜10 dB時(shí)，ZDR、CC、ΦDP和KDP等偏振參量受噪聲影響明顯，誤差較大不可信；當(dāng)SNR位于15～23 dB時(shí)，ZDR和CC的測(cè)量值有明顯波動(dòng)，質(zhì)量較差；XSP雷達(dá)的ZDR測(cè)量值較理論值偏低0．5 dB；ΦDP和KDP資料受衰減影響較小，當(dāng)SNR＞10 dB時(shí)，質(zhì)量比較可靠。

X波段雙偏振多普勒雷達(dá)；CINRAD／SA多普勒雷達(dá)；資料質(zhì)量分析

呂 博，楊士恩，王 俊，等．X波段雙線偏振多普勒雷達(dá)資料質(zhì)量評(píng)估［J］．干旱氣象，2016，34（6）：1054－1063，［LV Bo，YANG Shien，WANG Jun，et al．Evaluation on Data Quality of X－band Dual Linear Polarization Doppler Weather Radar［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：1054－1063］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1054

引 言

雙偏振雷達(dá)技術(shù)由美國(guó)科學(xué)家Seliga等［1］1976年提出，雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)同時(shí)發(fā)射水平偏振波和垂直偏振波，通過(guò)對(duì)比雙通道回波功率的大小及相移不僅可以獲取回波強(qiáng)度（ZH）、徑向速度（V）、譜寬（W）等常規(guī)參量，還可以獲取差分反射率因子（ZDR）、雙程差示傳播相移差（ΦDP）、差傳播相移率（KDP）和零延遲相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient，以下簡(jiǎn)稱CC）等偏振參量。通過(guò)這些參數(shù)的分析，有助于更為精細(xì)地了解云微物理結(jié)構(gòu)。相比于普通多普勒天氣雷達(dá)，雙線偏振多普勒雷達(dá)在定量降水估測(cè)、相態(tài)識(shí)別等方面有諸多優(yōu)勢(shì)，且近幾十年來(lái)發(fā)展迅速，取得了很多重要成果［2－12］。然而，實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，偏振雷達(dá)資料的質(zhì)量易受到地物遮擋、系統(tǒng)內(nèi)部及環(huán)境噪聲、信號(hào)衰減等各種因素的影響，在應(yīng)用偏振雷達(dá)觀測(cè)資料前，有必要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

胡明寶等［13］開(kāi)展了雙偏振多普勒雷達(dá)與CINRAD／SA雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)工作，分析了2部雷達(dá)測(cè)量的反射率因子間的差異。杜牧云等［14］對(duì)中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一部C波段雙線偏振雷達(dá)進(jìn)行資料質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)信噪比＜15 dB時(shí)，差分反射率因子和零延遲相關(guān)系數(shù)資料存在明顯誤差，利用垂直掃描數(shù)據(jù)能對(duì)差分反射率因子系統(tǒng)誤差進(jìn)行有效訂正。Ryzhkov等［15］研究表明，利用ZDR進(jìn)行降水估測(cè)時(shí)，0．2 dB的ZDR誤差將導(dǎo)致18%的降水估測(cè)誤差。胡志群等［16］對(duì)C波段偏振雷達(dá)差分反射率因子的不同訂正方法進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微雨滴法是一種利用氣象目標(biāo)進(jìn)行ZDR系統(tǒng)誤差估計(jì)較好的方法。吳林林等［17］對(duì)C波段車載雙偏振雷達(dá)ZDR資料的處理方法進(jìn)行研究，指出使用FIR濾波方法進(jìn)行KDP參數(shù)計(jì)算并用于ZDR衰減訂正，取得不錯(cuò)的訂正效果。

山東省首部X波段全固態(tài)雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)724XSP（以下簡(jiǎn)稱 XSP雷達(dá)）于2014年9月在聊城市投入使用。為了解該型雙偏振雷達(dá)觀測(cè)資料的質(zhì)量狀況，本文首先利用該XSP雷達(dá)觀測(cè)資料與濟(jì)南站CINRAD／SA多普勒天氣雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱SA雷達(dá)）進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，分別選取層狀云降水過(guò)程和對(duì)流云降水過(guò)程對(duì)反射率因子測(cè)量值進(jìn)行比較分析。其次，以層狀云弱降水過(guò)程為例，對(duì)XSP雷達(dá)的ZDR、CC、ΦDP和KDP等偏振參量進(jìn)行質(zhì)量分析，以期對(duì)該型雙偏振雷達(dá)探測(cè)云和降水的能力有更深刻的了解，為今后定量估測(cè)降水、粒子相態(tài)識(shí)別等后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 XSP雷達(dá)性能指標(biāo)及偏振參量

1．1 XSP雷達(dá)性能指標(biāo)

XSP雷達(dá)由中船重工第724研究所研制，是一部基于全固態(tài)發(fā)射機(jī)的全相參脈沖壓縮體制的多普勒天氣雷達(dá)，雷達(dá)架設(shè)在山東省聊城市氣象局主辦公樓頂部。該型雙偏振雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 724XSP雙線偏振雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)Tab．1 Themain technique parameters of 724XSP dual－linear polarization radar

1．2 偏振參量

1．2．1 零延遲相關(guān)系數(shù)（CC）

CC為雷達(dá)水平偏振回波信號(hào)與垂直偏振回波信號(hào)間互相關(guān)系數(shù)的幅值，反映了水平與垂直偏振波后向散射特征的相關(guān)性。粒子的形狀、空間運(yùn)動(dòng)和相態(tài)的一致性是影響其值的主要因素。CC對(duì)于識(shí)別氣象回波和非氣象回波非常有用，一般氣象回波的CC值＞0．7。

1．2．2 差分反射率因子（ZDR）

ZDR表示降水粒子對(duì)水平和垂直偏振波平行分量散射能量的差異，它主要反映了降水粒子在水平和垂直方向上粒子尺度的差異。其公式如下：

其中：ZHH、ZVV分別表示偏振雷達(dá)發(fā)射水平、垂直偏振波并接收其后向散射的回波功率，粒子的形狀、空間取向以及下落運(yùn)動(dòng)是決定其值的主要因素，單位：dB。

1．2．3 雙程差示傳播相移差（ΦDP）

由于降水區(qū)往往處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其對(duì)水平偏振回波和垂直偏振回波引起的相位變化不同，ΦDP能表征這兩者間的差值，其公式表示為：

其中，ΦHH和ΦVV分別是水平偏振回波和垂直偏振回波的相位，單位：°。ΦDP實(shí)質(zhì)上是水平偏振波和垂直偏振波在不同性質(zhì)的降水區(qū)傳播過(guò)程中因傳播相位常數(shù)不同而引起的。

1．2．4 差傳播相移率（KDP）

KDP表征單位距離上雙程差示傳播相移差的變化。與ΦDP不同的是，KDP與傳播距離無(wú)關(guān)，受定標(biāo)的影響較小，且不受衰減的影響。其公式如下：

其中，r1和r2分別表示測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2與雷達(dá)的距離，單位：°·（km）－1。

2 資料和處理方法

2．1 資料

由于層狀云與對(duì)流云的形成機(jī)理、云體結(jié)構(gòu)及降水性質(zhì)不同，以及XSP雷達(dá)對(duì)這2種類型云的探測(cè)能力也有所不同。因此，在進(jìn)行反射率因子對(duì)比分析時(shí)選取了以下2次過(guò)程：（1）2014年5月23—24日受高空槽影響產(chǎn)生的一次小雨天氣過(guò)程；（2）2015年6月10日夜間受高空冷渦影響產(chǎn)生的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。

由于XSP雷達(dá)為山東省首部雙線偏振雷達(dá)，其觀測(cè)范圍內(nèi)無(wú)其它雙線偏振雷達(dá)布網(wǎng)，CC、ZDR、ΦDP和KDP等偏振參量無(wú)法像反射率因子那樣進(jìn)行雙雷達(dá)對(duì)比分析。因此，本文試圖以2014年5月24日和2015年5月2日2次層狀云弱降水過(guò)程為例，對(duì)XSP雷達(dá)獲取的CC資料進(jìn)行質(zhì)量分析，并以該雷達(dá)2015年9月4日90°仰角垂直觀測(cè)的一次弱層狀云降水過(guò)程為例，對(duì)ZDR、ΦDP和KDP進(jìn)行質(zhì)量分析。

2．2．1 雷達(dá)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

對(duì)聊城站XSP雙偏振雷達(dá)和濟(jì)南站SA雷達(dá)資料均進(jìn)行噪聲過(guò)濾處理，公式如下：

其中，i為雷達(dá)基數(shù)據(jù)中給定的距離庫(kù)，N是以i為中心5×5的窗口內(nèi)有數(shù)值的庫(kù)數(shù)，Nt為該窗口包含的總庫(kù)數(shù)，Pi為窗口內(nèi)有效回波所占百分比，當(dāng)Pi小于設(shè)定閾值（缺省值50%）時(shí)，該像素點(diǎn)i被視為非氣象回波被剔除。

由于中值濾波在濾除非正常回波引起的波動(dòng)方面較均值濾波更具明顯優(yōu)勢(shì)，2部雷達(dá)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了中值濾波預(yù)處理。同時(shí)，為了保持回波信息的重要物理特性不被過(guò)度平滑，僅進(jìn)行徑向方向上的過(guò)濾。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先建立一長(zhǎng)度為 M（缺省值為5）的窗口，并沿徑向方向逐位移動(dòng)窗口，每次移動(dòng)后對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，最后用排序所得的中值來(lái)替代窗口中心位置的原數(shù)據(jù)值。

2．2．2 極坐標(biāo)雷達(dá)資料三維格點(diǎn)化

雷達(dá)觀測(cè)資料的空間分辨率很不均勻，以SA雷達(dá)為例，反射率資料在徑向上的分辨率是1 km；在方位上的分辨率隨斜距線性增加，沿徑向方向距雷達(dá)50 km處約為0．8 km，100 km處約為1．7 km；在仰角上的分辨率則隨斜距和仰角的增大而增加。其中，距雷達(dá)站水平距離50 km處，0．5°和1．5°波束軸線的垂直間隔約為0．9 km，12°和14°波束軸線的垂直間隔約為1．8 km；距雷達(dá)站水平距離100 km處，0．5°和1．5°波束軸線的垂直間隔約為1．7 km，12°和14°波束軸線的垂直間隔約為3．7 km。

后現(xiàn)代主義知識(shí)觀認(rèn)為，知識(shí)以其自組織性、不確定性、非線性和解釋性，能夠在教學(xué)中不斷創(chuàng)生。知識(shí)并非像知識(shí)本體論認(rèn)為的具有確定性，也非本體論規(guī)定的具有先驗(yàn)性。羅蒂(R Rorty)觀點(diǎn)認(rèn)為：教學(xué)任務(wù)不是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞和道德教化的過(guò)程，教學(xué)該是即時(shí)創(chuàng)作，是師生的共同解讀，知識(shí)能在動(dòng)態(tài)的即時(shí)創(chuàng)作中變得鮮活。即時(shí)創(chuàng)作的教學(xué)觀下，教師對(duì)知識(shí)的權(quán)威，學(xué)生作為知識(shí)的容器，以及教材是知識(shí)載體的看法不再成立。

為了客觀對(duì)比XSP雙偏振雷達(dá)與SA雷達(dá)資料，需要把極坐標(biāo)系下空間分辨率不均的雷達(dá)資料統(tǒng)一插值到空間分辨率均勻的笛卡爾坐標(biāo)系下，并在插值過(guò)程中盡可能保留原始反射率因子結(jié)構(gòu)特征。步驟：利用笛卡爾坐標(biāo)系下網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高度計(jì)算其在極坐標(biāo)系下的斜距、方位和仰角，再利用內(nèi)插法給該網(wǎng)格點(diǎn)賦值。

常用的插值方法有：（1）最鄰近法（簡(jiǎn)稱NN）［18］，（2）線性內(nèi)插法［19］，（3）Cressman權(quán)重方法［20］，（4）Barnes方法［21］等。其中線性內(nèi)插法又分為徑向和方位上的最鄰近法和垂直方向的線性內(nèi)插法（簡(jiǎn)稱NVI）、垂直水平線性內(nèi)插法（簡(jiǎn)稱VHI）和8點(diǎn)插值法（簡(jiǎn)稱EPI）。由于EPI方法在徑向、方位和垂直方向都采用了線性內(nèi)插，其結(jié)果相比于其它內(nèi)插方法更加平滑，同時(shí)還具有較高的數(shù)據(jù)處理速度。因此，本文使用8點(diǎn)插值法（EPI）把極坐標(biāo)系下的雷達(dá)反射率值內(nèi)插到笛卡爾坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度格點(diǎn)上。

假設(shè)某一網(wǎng)格點(diǎn)（r，a，e）（其中r為斜距，a為方位，e為仰角，下同）的值為f（r，a，e），落在由f1（r1，a1，e1），f2（r2，a1，e1），f3（r1，a2，e1），f4（r2，a2，e1），f5（r1，a1，e2），f6（r2，a1，e2），f7（r1，a2，e2）和 f8（r2，a2，e2）圍成的椎體內(nèi)（圖1），則 f（r，a，e）可由這8個(gè)點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行線性內(nèi)插獲得，其公式如下：

其中，ωr1，ωr2為斜距內(nèi)插權(quán)重；ωa1，ωa2為方位內(nèi)插權(quán)重；ωe1，ωe2為仰角內(nèi)插權(quán)重。

圖1 8點(diǎn)內(nèi)插方法示意圖Fig．1 Sketch of eight points interpolation method

3 反射率因子對(duì)比分析

3．1 層狀云對(duì)比

2014年5月23日20：00（北京時(shí)，下同），500 hPa高度場(chǎng)上華北西部存在一低槽，受其東移影響，山東中西部地區(qū)出現(xiàn)一次大范圍的小雨天氣過(guò)程。濟(jì)南SA雷達(dá)（5月24日03：29—03：35）與聊城XSP雙偏振雷達(dá)（5月24日03：29—03：34）幾乎同時(shí)觀測(cè)到一次大面積層狀云降水回波（圖2）。對(duì)圖2紅色框區(qū)域（116．5°E—116．8°E，36．2°N—35．9°N）進(jìn)行對(duì)比分析（區(qū)域面積約 1 009．1 km2，網(wǎng)格數(shù)為120×120，格點(diǎn)分辨率約為0．26 km×0．27 km（經(jīng)向×緯向））。方框區(qū)域避開(kāi)了地物遮擋的影響，回波比較連續(xù)。

圖2 2014年5月24日03：29的SA雷達(dá)（左）和XSP雷達(dá)（右）0．5°仰角反射率因子（單位：dBZ）（紅色框區(qū)域?yàn)閷?duì)比區(qū)域，SA雷達(dá)顯示半徑為230 km，XSP雷達(dá)顯示半徑為120 km，下同）Fig．2 The reflectivity factors on 0．5°elevation of SA（the left）and XSP（the right）radars at03：29 BST 24 May 2014（Unit：dBZ）（The red box for the comparison areas，the radius of SA radar and XSP radar for 230 km and 120 km，respectively，the same below）

將XSP雷達(dá)與SA雷達(dá)基數(shù)據(jù)，插值到對(duì)比區(qū)域格點(diǎn)上，分別給出2 000—4 000 m高度范圍內(nèi)每間隔1 000 m的等高位置平面顯示（Constant Altitude Plan Position Indicator，CAPPI）圖（圖3）?？梢钥闯觯? 000—4 000 m高度范圍 CAPPI回波分布結(jié)構(gòu)大致相同。隨著高度增加，SA雷達(dá)的回波有所加強(qiáng)，但XSP雷達(dá)的回波變化不明顯，在4 000 m高度上，強(qiáng)回波區(qū)還有所減小。

對(duì)所選區(qū)域2 000—4 000m高度XSP雷達(dá)和SA雷達(dá)的格點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行百分比統(tǒng)計(jì)（表略），發(fā)現(xiàn)XSP 與SA雷達(dá)的反射率因子集中分布在20～40 dBZ之間，其中在20～30 dBZ區(qū)間2部雷達(dá)差別不大；30～35 dBZ區(qū)間XSP雷達(dá)回波比例高于SA雷達(dá)，這可能是由于XSP雷達(dá)波束穿越35～40 dBZ較強(qiáng)回波區(qū)時(shí)造成衰減，使得30～35 dBZ區(qū)間的比例提高；35～40 dBZ區(qū)間SA雷達(dá)回波的比例明顯高于XSP雷達(dá)，說(shuō)明SA雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)回波的能力要強(qiáng)于XSP雷達(dá)。

圖3 2014年5月24日03：29 SA雷達(dá)（上）與 XSP雷達(dá)（下）2 000 m、3 000 m 和4 000 m（從左至右）的反射率因子CAPPI圖（單位：dBZ）Fig．3 The CAPPI diagrams of reflectivity factor of SA（the top）and XSP（the bottom）radars at2 000 m，3 000 m，4 000 m（from left to right）heights at03：29 BST 24 May 2014（Unit：dBZ）

另外，將XSP與SA雷達(dá)1 500—4 000 m高度每隔500 m高度層的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求取對(duì)比區(qū)域中各高度層反射率因子的均值與標(biāo)準(zhǔn)差（圖4a）。總體上，XSP雷達(dá)與SA雷達(dá)反射率因子均值相差不大，最大差值出現(xiàn)在1 500 m，為1．2 dBZ；1 500—4 000 m，SA雷達(dá)反射率因子均值逐漸增大，而XSP雷達(dá)回波均值在3 500 m達(dá)到最高29．7 dBZ，至4 000 m時(shí)略有所減小，這與接近0℃層亮帶時(shí)XSP雷達(dá)衰減加大有關(guān)。此外，3 000 m以下的反射率SA雷達(dá)高于XSP，3 000 m以上正相反。從標(biāo)準(zhǔn)差變化來(lái)看，在1 500m高度XSP雷達(dá)與SA雷達(dá)回波反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差差值最大為1．1 dBZ，其余高度層都在1 dBZ以內(nèi)。同時(shí)，對(duì)2部雷達(dá)具有代表性的2 000—4 000 m（間隔1 000 m）高度層的回波強(qiáng)度進(jìn)行差值計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)其分布頻率（圖4b），發(fā)現(xiàn)2部雷達(dá)對(duì)應(yīng)位置回波強(qiáng)度的差異很小，平均為－0．1 dBZ，且回波差異主要集中在－1～2 dBZ之間。

圖4 XSP、SA雷達(dá)1 500—4 000 m高度層探測(cè)的層狀云CAPPI反射率因子均值和標(biāo)準(zhǔn)差（a），以及2 000—4 000 m二者回波強(qiáng)度差的頻率分布（b）Fig．4 Themean and standard deviation of CAPPI reflectivity factor of stratiform cloud monitored by XSP and SA radars from 1 500 m to 4 000 m（a），and the frequency distribution of reflectivity factor difference for two radars from 2 000 to 4 000 m（b）

3．2 對(duì)流云對(duì)比

2015年6月10日20：00，500 hPa高度場(chǎng)上受高空冷渦影響，魯西北西部出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，部分地區(qū)（聊城市東北部高唐縣）還出現(xiàn)冰雹。濟(jì)南SA雷達(dá)（6月10日20：30—20：36）與聊城XSP雙偏振雷達(dá)（6月10日20：32—20：37）幾乎同時(shí)觀測(cè)到一對(duì)流云單體回波（圖5）。選取（115．814°E—116．239°E，37．169°N—36．827°N）區(qū)域（圖5紅色框區(qū)域，面積約1 435．2 km2，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為120×120，格點(diǎn)分辨率約為0．32 km×0．31 km（經(jīng)向×緯向））進(jìn)行對(duì)比分析。所選區(qū)域同樣避開(kāi)了地物及遮擋的影響。

圖6是3 000—5 000 m高度層（間隔1 000 m）的CAPPI圖像?？煽闯觯琗SP雷達(dá)與 SA雷達(dá)回波分布特征大體相似，但回波面積相差較大，較SA雷達(dá)明顯減小，XSP雷達(dá)所缺失的弱回波（＜25 dBZ）多在遠(yuǎn)離XSP雷達(dá)一側(cè)，其原因是XSP雷達(dá)波束穿過(guò)回波強(qiáng)中心后被衰減，無(wú)法探測(cè)到強(qiáng)回波中心后方的弱回波區(qū)。對(duì)比2部雷達(dá)的強(qiáng)回波中心分布（圖6中紅色方框），發(fā)現(xiàn)XSP雷達(dá)在各高度層對(duì)應(yīng)于SA雷達(dá)強(qiáng)回波中心的位置均存在空缺。這一方面是由于XSP偏振雷達(dá)發(fā)射功率較?。ǚ逯倒β?0 W左右），另一方面說(shuō)明XSP雷達(dá)波束在穿越雹云云體時(shí)，衰減較SA雷達(dá)嚴(yán)重得多，這對(duì)于對(duì)流云探測(cè)尤其是雹云的識(shí)別非常不利，需要充分參考其它偏振參量以避免誤判。

圖5 2015年6月10日20：30 SA雷達(dá)（左）和XSP雷達(dá)（右）0．5°仰角反射率因子（單位：dBZ）Fig．5 The reflectivity factors on 0．5°elevation of SA（the left）and XSP（the right）radars at20：30 BST 10 June 2015（Unit：dBZ）

圖6 2015年6月10日20：30 SA雷達(dá)（上）與XSP雷達(dá)（下）3 000 m、4 000 m和5 000 m（從左至右）的反射率因子CAPPI圖（單位：dBZ）（紅色方框?yàn)閺?qiáng)回波中心）Fig．6 The CAPPI diagrams of reflectivity factor of SA（the top）and XSP（the bottom）radars at 3 000 m，4 000 m，5 000 m heights（from left to right）at20：30 BST 10 June 2015（Unit：dBZ）（The red rectangle for the strong echo center）

對(duì)2部雷達(dá)所選區(qū)域2 000—5 000 m高度層的格點(diǎn)反射率因子強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制反射率因子強(qiáng)度區(qū)間百分率分布圖（圖略）?？煽闯?，25 dBZ以下回波所占比例，SA雷達(dá)明顯偏高，說(shuō)明XSP雷達(dá)波束在穿越雹云云體時(shí)由于衰減較大導(dǎo)致無(wú)法探測(cè)到強(qiáng)回波中心后方遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)的弱回波，造成0～25 dBZ區(qū)間段SA雷達(dá)回波比例高于XSP雷達(dá)；25～35 dBZ回波之間XSP雷達(dá)比例高于SA雷達(dá)，而35～50 dBZ之間XSP雷達(dá)所占比例非常小。

圖7 XSP、SA雷達(dá)1 500—6 000 m高度層探測(cè)的對(duì)流云CAPPI反射率因子均值和標(biāo)準(zhǔn)差（a），以及3 000—5 000 m對(duì)應(yīng)位置二者回波強(qiáng)度差的頻率分布（b）Fig．7 Themean and standard deviation of CAPPI reflectivity factor of convection cloud monitored by XSP and SA radars from 1 500 to 6 000 m（a），and the frequency distribution of reflectivity factor difference for two radars from 3 000 to 5 000 m（b）

另外，將對(duì)比區(qū)域中2部雷達(dá)1 500—6 000 m（間隔500 m）高度層的格點(diǎn)反射率因子強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求取各高度層反射率因子的均值與標(biāo)準(zhǔn)差（圖7a）?？梢钥闯?，4 000 m以下高度，XSP雷達(dá)與SA雷達(dá)反射率因子均值相差不大，且SA雷達(dá)略高于XSP雷達(dá)，而4 000—6 000 m之間，XSP雷達(dá)回波均值卻高于SA雷達(dá)。主要原因是：在4 000 m以上，SA雷達(dá)受衰減影響較小，強(qiáng)回波后面遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)的弱回波也可以探測(cè)到，從而整體弱回波面積較大，同時(shí)45 dBZ以上的強(qiáng)回波比較少，故均值較??；而在4 000 m以下，雖然SA雷達(dá)的回波面積也比較大，但45 dBZ以上強(qiáng)回波都集中在4 000m以下高度，因此均值較XSP雷達(dá)大。相比于層狀云，2部雷達(dá)探測(cè)的對(duì)流云各高度層的回波標(biāo)準(zhǔn)差在5～12 dBZ之間，較層狀云的波動(dòng)明顯偏大，且二者的差異較大，2 000m高度標(biāo)準(zhǔn)差差值最大，達(dá)5．7 dBZ。從2部雷達(dá)對(duì)應(yīng)位置回波強(qiáng)度之差的頻率分布（圖7b）不難看出，2部雷達(dá)回波差異平均為－10．2 dBZ，主要回波差異分布在－30～5 dBZ之間，說(shuō)明2部雷達(dá)所探測(cè)的對(duì)流云云體結(jié)構(gòu)差異較大，且XSP雷達(dá)的回波明顯偏弱。這一方面是由于XSP雷達(dá)的回波衰減較為嚴(yán)重，另一方面是由于對(duì)流云體移動(dòng)迅速，2部雷達(dá)難以對(duì)其同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，導(dǎo)致同一高度2幅回波圖上對(duì)應(yīng)位置強(qiáng)度差異較大。

4 偏振資料質(zhì)量分析

4．1 CC資料

為了排除地物雜波等因素對(duì)XSP雷達(dá)CC資料特征的影響，分別選取2．4°和4．3°仰角掃描資料進(jìn)行分析。就2014年5月24日層狀云降水過(guò)程，2．4°仰角上（圖8a），當(dāng)信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）＜10 dB（左側(cè)紅框）時(shí)，CC受噪聲影響較大，測(cè)量值出現(xiàn)很大波動(dòng)，基本都＜0．7，而在SNR＞10 dB 且0＜CC＜0．7的散點(diǎn)中（右側(cè)紅框），有近90%的散點(diǎn)集中分布在15～23 dB區(qū)間。而針對(duì)2015年5 月2日層狀云降水過(guò)程，2．4°仰角圖（圖 8b）上發(fā)現(xiàn)，在0＜CC＜0．7的散點(diǎn)中，有近95%的散點(diǎn)集中分布在15～23 dB區(qū)間（紅框），而在SNR＜10 dB時(shí)，CC值出現(xiàn)了大量無(wú)效值；4．3°仰角（圖略）時(shí)的情況類似。

4．2 ZDR資料

圖9給出2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)90°仰角上觀測(cè)到的一次大范圍弱層狀云降水過(guò)程的CC和ZDR與SNR散點(diǎn)分布。由圖9a可見(jiàn)，在SNR ＜10 dB時(shí)，ZDR受噪聲影響較大（左側(cè)紅框），測(cè)量值出現(xiàn)很大波動(dòng)，與理論值0有較大偏差；在15 dB ＜SNR＜23 dB區(qū)間，ZDR值也出現(xiàn)很大波動(dòng)，較理論值明顯偏小。由圖9b可知，在SNR＜10 dB時(shí)，CC有較大波動(dòng)，整體CC＞0．7，而當(dāng) SNR位于15～23 dB區(qū)間時(shí)，CC測(cè)量值也明顯偏離理論值。

圖8 2014年5月24日02：26（a）及2015年5月2日01：20（b）XSP雷達(dá)2．4°仰角上的CC與SNR散點(diǎn)分布（紅色方框表示質(zhì)量較差的散點(diǎn)區(qū)）Fig．8 The CC－SNR scatter diagrams of XSP radar on 2．4°elevation at02：26 BST 24 May 2014（a）and 01：20 BST 2 May 2015（b）（The red rectangle indicates the scatters of poor quality）

圖9 2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)90°仰角上的SNR與ZDR（a）和CC（b）散點(diǎn)分布Fig．9 The SNR－ZDR（a）and SNR－CC（b）scatter diagrams of XSP radar on 90°elevation at11：39 BST 4 September 2015

圖10給出ZDR、CC與SNR在1 000—5 000 m高度（每隔1 000 m）的散點(diǎn)分布?？梢钥闯?，在2—4 km高度上，ZDR數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，存在較大的正負(fù)極值，CC也存在較大波動(dòng)，且SNR多集中在15～23 dB之間，說(shuō)明此高度區(qū)間的數(shù)據(jù)不可用；在5 km以上高度（圖略），由于距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，信噪比偏低，數(shù)據(jù)受噪聲影響質(zhì)量較差；相比而言，在1—2 km和4—5 km高度的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，ZDR整體分布平穩(wěn)，CC整體都在0．8以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SNR位于15～23 dB區(qū)間時(shí)，這2個(gè)高度層也存在不少數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的散點(diǎn)。

圖10 2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)90°仰角上不同高度的SNR與ZDR（上）和CC（下）散點(diǎn)分布Fig．10 The SNR－ZDR（the top）and SNR－CC（the bottom）scatter diagrams of XSP radar on 90°elevation at different heights at11：39 BST 4 September 2015

基于上述分析，同時(shí)為避免0℃層高度（2015 年9月4日08：00鄰近章丘探空站的0℃層高度約為4 400 m）以上固態(tài)水凝物對(duì)訂正造成的影響，選取1—2 km高度層且SNR＞10 dB的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行ZDR的系統(tǒng)誤差訂正。為了避免15 dB＜SNR＜23 dB范圍的散點(diǎn)影響訂正效果，需要設(shè)定閾值將其清除（ZDR閾值設(shè)置為－2～2 dB），圖11為訂正后的ZDR－SNR散點(diǎn)分布，其中粗實(shí)線為ZDR的均值線，即ZDR系統(tǒng)誤差的訂正均值為－0．5 dB。

圖11 2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)90°仰角上訂正后的SNR－ZDR散點(diǎn)分布Fig．11 The corrected SNR－ZDRscatter diagram of XSP radar on 90°elevation at11：39 BST 4 September 2015

4．3 ΦDP資料分析

從2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)0—10 km高度內(nèi)ΦDP－SNR散點(diǎn)分布圖（圖略）上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SNR＜10 dB時(shí)，ΦDP出現(xiàn)一些無(wú)效值；SNR在15～23 dB之間，ΦDP數(shù)據(jù)出現(xiàn)個(gè)別散點(diǎn)，這與CC和ZDR的分布情況明顯不同；ΦDP觀測(cè)值總體穩(wěn)定集中于－100°附近。可見(jiàn)，XSP雷達(dá)的ΦDP數(shù)據(jù)受衰減影響較小，質(zhì)量比較可靠。

4．4 KDP資料分析

圖12給出2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)在90°仰角上0—10 km高度和3—10 km高度內(nèi)KDPSNR散點(diǎn)分布圖。由圖12a看出，KDP數(shù)據(jù)整體質(zhì)量很差，主要是因?yàn)閄SP雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)，為了達(dá)到較遠(yuǎn)的探測(cè)距離和較好的距離分辨力，采用了高占空比和脈沖壓縮技術(shù)，造成在近距離的盲區(qū)偏大（在雙頻測(cè)速模式下，發(fā)射周期為1 000μs，占空比15%，探測(cè)盲區(qū)為2．25 km），因此，宜選用盲區(qū)之外的數(shù)據(jù)更具代表性（圖12b）。從圖12b可看出，KDP的測(cè)值總體集中于0值附近并伴有抖動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)SNR＜10 dB時(shí)，數(shù)據(jù)抖動(dòng)較大。主要是由于垂直方向探測(cè)時(shí)雷達(dá)波束穿過(guò)弱回波區(qū)內(nèi)的水滴、過(guò)冷水滴或冰粒等接近球形，而非球形的液態(tài)降水粒子才是KDP值的主要貢獻(xiàn)者。另外，大氣環(huán)境場(chǎng)的擾動(dòng)、氣象目標(biāo)本身的漲落以及雷達(dá)系統(tǒng)噪聲的影響，也會(huì)使KDP存在抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖12 2015年9月4日11：39 XSP雷達(dá)90°仰角上0—10 km（左）和3—10 km（右）高度內(nèi)的SNR－KDP散點(diǎn)分布Fig．12 The SNR－KDPscatter diagrams of XSP radar on 90°elevation over 0－10 km（the left）and 3－10 km（the right）heights at11：39 BST 4 September 2015

5 結(jié) 論

（1）由于層狀云云體結(jié)構(gòu)比較均勻，其回波強(qiáng)度梯度較小，對(duì)XSP雷達(dá)波束的衰減影響較小，與SA雷達(dá)探測(cè)的云體結(jié)構(gòu)比較接近。

（2）就對(duì)流云而言，XSP雷達(dá)對(duì)45 dBZ以上強(qiáng)回波的探測(cè)能力較差，尤其在探測(cè)冰雹云時(shí)與SA雷達(dá)探測(cè)的云體結(jié)構(gòu)相差較大。一方面是由于XSP雷達(dá)發(fā)射功率較小（峰值功率50 W左右），另一方面說(shuō)明XSP雷達(dá)波束在穿越雹云云體時(shí)，衰減較SA雷達(dá)嚴(yán)重，這對(duì)于對(duì)流云的探測(cè)尤其是雹云的識(shí)別非常不利，在冰雹多發(fā)期進(jìn)行人工影響天氣作業(yè)時(shí)，需要充分參考其它偏振參量以避免誤判情況發(fā)生。

（3）對(duì)XSP雷達(dá)的偏振參量資料分析表明，在SNR＜10 dB時(shí)，ZDR、CC、ΦDP和KDP等偏振資料受噪聲影響明顯，誤差較大不可信；當(dāng)SNR在15～23 dB時(shí)，ZDR和CC測(cè)量值有明顯波動(dòng)，質(zhì)量較差。另外，XSP雷達(dá)ZDR測(cè)量值較理論值偏低0．5 dB。ΦDP和KDP資料受衰減影響較小，尤其當(dāng)SNR＞10 dB時(shí)，質(zhì)量比較可靠。

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Evaluation on Data Quality of X－band Dual Linear Polarization Dopp ler W eather Radar

LV Bo1，YANG Shien1，WANG Jun2，HAN Fengjun1，NING Ruibin1

（1．Liaocheng Meteorological Bureau of Shandong Province，Liaocheng 252000，China；2．Shandong Weather Modification Office，Ji'nan 250031，China）

Based on the observation data of X－band dual linear polarization Doppler weather radar（724XSP）in Liaocheng of Shandong Province for several precipitation processes，the data quality of polarization parameters from 724XSP radar for these stratiform cloud precipitation processes were evaluated．Combined with the reflectivity factor data of S－band Doppler radar（CINRAD／SA）in Ji'nan，the ehco intensity between XSP and SA radars was contrasted．The results showed that the beam of XSP radar spreading in stratiform cloud was uniformly attenuated，the structure of stratiform cloud detected by XSP radar was similar to that by SA radar．However，the detecting ability of XSP to echo intensity above 45 dBZ was poor，especially the difference of hailstorm cloud structure between XSP and SA radars was great．The effects of nose on polarization parameters of XSP radar were significantwhen SNR（signal to nose ratio）was less than 10 dB，the error of polarization parameters was great．The value of ZDRand CC fluctuated greatly when SNR was from 15 dB to 23 dB，the quality of ZDRand CC data was bad．The monitored values of ZDRfrom XSP radar were lower 0．5 dB than theoretical values．The influences of beam attenuation onФDPand KDPwere smaller，the quality was reliable especially when SNR exceeded 10 dB．

X－band dual linear polarization Doppler radar；CINRAD／SA Doppler radar；data quality evaluation

1006－7639（2016）－06－1054－10

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1054

P413

A

2016－01－14；改回日期：2016－06－22

山東省氣象局氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目重點(diǎn)課題（2015SDQXZ02）資助

呂博（1983－），男，山東聊城人，工程師，主要從事雷達(dá)資料應(yīng)用與研究．E－mail：13863590193＠163．com