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        基于保序回歸的X波段天氣雷達衰減訂正算法

        2020-11-10 05:31:58郭春輝袁微王旭白愛娟
        廣東氣象 2020年5期
        關鍵詞:保序反射率波段

        郭春輝,袁微,王旭,白愛娟

        (1.肇慶市氣象局,廣東肇慶 526040;2.成都信息工程大學,四川成都 610225)

        X波段雷達在探測降水過程中能提供更高的時間和空間分辨率,而且具有天線體積小、易于移動等優(yōu)點,并在定量估測降水和粒子的相態(tài)識別中,有著非常明顯的優(yōu)勢[1-3]。但由于X波段波長較短,回波信號衰減問題比起S波段和C波段更為嚴重,所以有必要對其回波進行衰減訂正。Testud等[4]提出了降水廓線訂正算法(ZPHI)利用差分傳播相移(φDP)進行訂正,ZPHI算法是分段進行衰減訂正的,但是ZH-Kdp(ZH為水平反射率、Kdp為差分傳播相移率)訂正法整段仍然使用固定的系數(shù);伍魏等[5]針對X波段雙偏振雷達資料先進行φDP退折疊后重算Kdp,采用ZH-Kdp訂正法與自適應約束算法對反射率進行衰減訂正,結果表明ZH-Kdp訂正法效果更好;王晗等[6]采用ZH-Kdp和多點ZPHI的方法多反射率進行衰減訂正,結果表明多點ZPHI法優(yōu)于ZH-Kdp法,ZPHI法的誤差主要來源于φDP質量不高;胡志群等[7]比較了φDP訂正法和ZH訂正法,指出Kdp訂正法要優(yōu)于ZH訂正法,但是當Kdp很小時會產(chǎn)生較大的誤差,最后提出ZH-Kdp綜合訂正法,但因ZH-Kdp參數(shù)受溫度等影響較大,難以使用固定的系數(shù)完成衰減訂正;畢永恒等[8]在ZPHI等方法的基礎上,進行不斷調整參數(shù)本身,提出了自適應約束方法,該方法能有效改善雷達的衰減,但在遠距離處會出現(xiàn)過訂正的情況。為了克服單部雷達反射率衰減訂正難的缺點,Testud等[9]引入了高分辨率天氣雷達(HRWR)重疊網(wǎng)絡的概念,可以確定和訂正衰減;Katharina[10]提出結合C波段雷達來訂正X波段雷達的衰減,結果表明在層狀云降水、對流型降水和混合型降水中均得到較好的訂正效果。

        本研究綜合分析了多種訂正方法的優(yōu)缺點,認為僅使用X波段雷達本身進行衰減訂正是不夠的,擬聯(lián)合S波段雷達的探測,采用保序回歸算法對X波段雷達進行衰減訂正。將S波段雷達數(shù)據(jù)作為標準來評估衰減訂正效果,通過平均誤差、相關性等參數(shù)檢驗訂正算法的性能,并綜合對比保序回歸算法、ZH-Kdp訂正法及自適應約束方法的訂正效果。

        1 雷達網(wǎng)絡及性能指標

        肇慶地區(qū)安裝了兩部X波段全固態(tài)雙偏振天氣雷達,一部S波段天氣雷達,地理位置及相對距離如圖1所示。本研究選擇德慶站X波段雷達和S波段雷達作為研究對象,主要參數(shù)如表1所示。

        2 訂正算法

        圖1 肇慶雷達網(wǎng)絡分布圖

        本研究提出了一種結合X波段和S波段雷達觀測數(shù)據(jù)進行衰減訂正的新方法,S波段雷達受衰減影響很小,而且能覆蓋X波段雷達網(wǎng)絡區(qū)域,覆蓋X波段雷達網(wǎng)絡區(qū)域的S波段雷達觀測到比X波段雷達更粗糙的時間和空間分辨率的反射率。因此,需要對S波段反射率場進行數(shù)據(jù)轉換[11-15]以匹配X波段雷達極坐標網(wǎng)格,每個X波段雷達像素被分配其中心所在的S波段雷達像素的反射率值。

        得到同一網(wǎng)格的反射率值Zs(r)和Zx(r)后(其中Zs(r)與Zx(r),單位均為 mm6/m3,r為與雷達中心的距離(m),下同),定義最大比衰減Kmax(dB)為

        表1 X波段與S波段雷達參數(shù)

        派生的Kmax具有與X波段雷達反射率場相同的數(shù)據(jù)間隙。此外,由于兩個雷達系統(tǒng)的誤差,空間和掃描幾何結構的時間不匹配,Kmax不會沿著雷達波束單調增加中心到外邊界(如圖2黑色十字)。理論上,由于X波段衰減的影響比S波段的影響更大,因此與雷達的距離越大,Kmax必須增加(或在沒有降水的情況下保持恒定)。為了得到沿每個雷達徑向的Kmax的連續(xù)單調增加函數(shù),就需要對Kmax進行保序回歸[10]。保序回歸是統(tǒng)計上最優(yōu)的方法,以強制單調增加物理約束,與觀察的偏差最小。保序回歸的概念是計算給定的單調遞增函數(shù)y值a1,...,an和它們的正權重w1,...,wn,以雷達徑向數(shù)據(jù)作為有限的實數(shù)集合,訓練一個模型來最小化方程

        其中,y1≤y2≤...≤yn。在這項研究中,本研究使用簡單的未加權線性序列保序回歸,即所謂的相鄰最優(yōu)化迭代算法(PAVA)。在這種情況下,所有權重都等于1。PAVA迭代解決了最小化問題,并且基于以下定理來獲得最優(yōu)解:

        如果在迭代的第一步ai>ai-1,違反了此約束,則設置新索引j=i。然后aj與aj-1合并為新值a′j-1,根據(jù)以下公式計算新值a′j-1和新的權重w′j-1:

        使用a′j-1、aj、w′j-1和wj再次測試式(3)的約束。當滿足約束時,保持a′的值及其位置i、i自動加1進入下一個迭代步驟。重復該過程直到不再違反式(3)中的約束。最后,將a′的值分配給函數(shù)y中它們對應的位置i。

        沿著每個雷達徑向和每個時間步長對Kmax進行保序回歸。沿著雷達徑向的Kmax保序回歸后,KIR呈現(xiàn)為單調遞增函數(shù)(圖2中的藍線所示)。為了獲得衰減校正后的反射率dBZXcorr,將該KIR函數(shù)添加到實測的徑向X波段反射率dBZX中,即

        由于在高分辨率X波段實測量中簡單地增加了校正功能,因此與S波段測量相比,保持了小尺寸的反射率結構。只有在由于非常強的衰減而導致信號消失的情況下,才需要使用來自S波段雷達的較粗分辨率數(shù)據(jù)作為填充剩余數(shù)據(jù)間隙的最佳可能近似值。

        圖2 沿雷達徑向的K max的保序回歸

        3 訂正結果分析

        2019年4月14日肇慶地區(qū)經(jīng)歷了一次較強的降雨過程,觀測資料 14:30—14:36(北京時,下同)時段的雨區(qū)位于S波段雷達與X波段雷達對比的最佳觀測范圍,選取該時段的雷達數(shù)據(jù)進行衰減訂正分析。

        本研究選擇X波段雷達3.4°仰角數(shù)據(jù)進行分析(圖3a為反射率產(chǎn)品,圖3b為φDP產(chǎn)品),同時將S波段雷達反射率數(shù)據(jù)匹配至X波段雷達3.4°仰角的極坐標網(wǎng)格中(圖3c)。圖3a與3c反射率數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)在方位120°E—240°E范圍內(nèi),X波段雷達發(fā)生了強烈的衰減,這一點也可以從φDP值在此范圍內(nèi)出現(xiàn)較大突變得到驗證,如圖3b紅色橢圓框內(nèi)的紅色區(qū)域。在兩部雷達共同探測區(qū)內(nèi),靠近X波段雷達,兩部雷達都觀察到相似的反射率值,但隨著距離的增加,X波段雷達出現(xiàn)了衰減直至回波信號完全消失。

        圖3 2019年4月14日14:30德慶X波段雷達3.4°仰角反射率產(chǎn)品(a);3.4°仰角φDP產(chǎn)品(b)以及轉換后的S波段雷達3.4°仰角反射率(c)

        圖4給出了由S波段雷達和X波段雷達反射率數(shù)據(jù)沿X波段雷達反射率場的155°方位角的分布。在30 km以內(nèi),X波段雷達受衰減影響較大,觀測數(shù)據(jù)與S波段雷達近似,超出30 km后,X波段雷達受衰減影響越來越大,與S波段雷達探測數(shù)據(jù)差距也越來越大,最大比衰減量達32 dBz。

        圖4 2019年4月14日14:30方位角155°的不同訂正結果的反射率因子分布

        新提出的衰減訂正方法結合了X波段和S波段雷達反射率數(shù)據(jù),并且與X波段雷達的校準誤差引起的不確定性無關。圖5a中的最大比衰減Kmax(由式(1)計算)的場在雷達覆蓋區(qū)域的外部顯示高達20 dB。由于不完美校準的雷達系統(tǒng)和雜波消除,Kmax不是單調遞增的函數(shù),隨著與雷達的距離增加或甚至可能產(chǎn)生負值(圖5a中的數(shù)據(jù)間隙)。因此,執(zhí)行式(2)—式(4)的保序回歸算法后的Kmax場如圖5b所示,其中Kmax隨著雷達距離的遞增,單調遞增至覆蓋區(qū)域的最高值。然后將Kmax場添加到X波段雷達的dBZ場完成反射率數(shù)據(jù)訂正(圖5c)。

        圖5 以S和X波段雷達反射率的對數(shù)比計算的最大比衰減K max(a)以及保序回歸后的最大比衰減

        獲得的衰減訂正后的dBZ場與圖3c中關于S波段雷達觀測非常一致,如方位120°E—240°E范圍。沿保序回歸訂正的155°方位角的反射率分布在圖4中用藍色虛線表示,它與受衰減影響區(qū)域的S波段雷達獲得的反射率分布比較吻合,而且保留了X波段雷達觀測到的小尺度變化。即使在距雷達較遠的高衰減區(qū),也能與S波段雷達觀測dBZ近似一致。兩個系統(tǒng)之間的平均偏差僅為1.1 dBz,標準偏差為4.2 dB,相關系數(shù)為0.88。此外,訂正后的X波段反射率場顯示了比S波段雷達更多的降水事件細節(jié)。

        為了檢驗保序回歸衰減訂正效果,比較了保序回歸訂正法、ZH-Kdp訂正法及自適應約束算法的衰減訂正效果(圖6)。從圖3a與圖6a對比可以看出,反射率場得到一定程度的訂正,在方位180°附近尤為明顯,比較接近S雷達探測的數(shù)據(jù)(圖5c),但是大部分區(qū)域訂正后的回波很稀疏,強回波不夠集中,主要原因是雙偏振量Kdp數(shù)據(jù)難以控制,質量不佳,導致訂正效果不理想。從圖6b與圖3a進行對比,可以看出回波整體變化不明顯,框框內(nèi)回波還是有訂正的痕跡,反射率值有明顯變化。但整體變化不大,與S波段雷達探測結果差距較大(圖5c)。為了更加直觀的比較不同訂正方法的訂正效果,圖4增加了ZH-Kdp法(磚紅色虛線)和自適應約束算法(紫色虛線)訂正后的反射率數(shù)據(jù)沿X波段雷達反射率場的155°方位角的分布。從圖4可以看出,在近X波段雷達處,衰減較小,與S波段觀測數(shù)據(jù)差異較小,幾種訂正法訂正后的數(shù)據(jù)也與原始數(shù)據(jù)近似,隨著距離的越來越大,X波段雷達受到衰減的強烈影響,在距離約為30 km處反射率衰減較大,與S波段雷達觀測的回波數(shù)據(jù)差距也越來越大。

        圖6 2019年4月14日14:30衰減訂正后的反射率場(單位:dBz)

        從3種不同訂正方法的相關系數(shù)及平均誤差(表2)可以看出,保序回歸算法相關系數(shù)為0.88,均高于其它兩種訂正法,平均誤差為1.1dBz,遠低于其它兩種訂正法的結果,可以看出保序回歸訂正后的回波與S波段雷達具有較高的一致性,達到了預期的目標。

        表2 不同訂正方法的相關系數(shù)和平均誤差

        為了進一步分析衰減訂正的效果,選取方位120°E—240°E范圍內(nèi)降水回波訂正前后的反射率散點圖(圖7)。從圖7a中可看出,反射率因子大于35 dBz,絕大部分點分布在對角線的下側,說明隨著回波值增大,衰減越來越嚴重。圖7c較圖7b點更集中于對角線,說明ZH-Kdp訂正法優(yōu)于自適應算法,散點圖效果不如曲線圖4效果明顯。圖7d是保序回歸算法后的散點圖,可以看出絕大部分點都集中在對角線兩側,說明訂正后的X波段反射率數(shù)據(jù)與S波段雷達反射率數(shù)據(jù)保持了較高的一致性,訂正效果較好,同時存在一些凌亂、抖動的數(shù)據(jù),原因可能是受到雷達標定及雜波等因素的影響。

        圖7 訂正前后的反射率因子與S雷達反射率因子的散點圖

        綜上所述,ZH-Kdp訂正法及自適應約束算法在遠雷達區(qū)衰減訂正改善很小,而且在大規(guī)模強降水或雜波污染的情況下,這種方法會變得不穩(wěn)定,因此在強雨帶衰減的背景下,基于保序回歸的訂正法更好,能較好訂正X波段雷達的衰減回波,與S雷達數(shù)據(jù)保持較高的相關性。

        4 結論

        1)X波段雷達受衰減影響大,使得經(jīng)過強雨帶后回波強度變?nèi)酰踔撂綔y不到回波,可以利用共同探測區(qū)域的S波段雷達數(shù)據(jù)對衰減區(qū)域進行訂正,彌補單部雷達探測的不足。

        2)從反射率訂正前后回波圖對比分析,基于保序回歸訂正后的回波與S波段雷達回波有較高的一致性。

        3)從徑向數(shù)據(jù)曲線圖分析,在近距離處,3種訂正結果相差不大,說明X波段雷達在降水強度不大的情況下衰減較?。辉谶h距離處,保序回歸法的訂正效果要優(yōu)于其它兩種方法,訂正后的回波更接近S波段雷達回波;而ZH-Kdp訂正法優(yōu)于自適應約束算法,但在遠距離處均出現(xiàn)了訂正量不夠的情況,說明在強雨帶衰減的背景下,僅使用X波段雷達本身進行衰減校正是不夠的,體現(xiàn)了聯(lián)合S波段雷達進行衰減訂正的優(yōu)勢。

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