劉軍建 ，琚陳相 *，買買提艾力·買買提依明 ，范水勇 ，安大維

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002；3.北京城市氣象研究院，北京100089；4.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

氣象災害是自然災害中最為頻繁而又嚴重的災害。中國是世界上自然災害頻發(fā)、災害種類甚多的國家之一。其中，干旱、洪澇、臺風以及中小尺度對流性災害系統(tǒng)帶來的暴雨，大風，冰雹，以及由此引發(fā)的泥石流、山體滑坡等次生災害，嚴重危及到人民生命和財產(chǎn)安全[1]。對流性天氣災害系統(tǒng)機理復雜、發(fā)生周期短、局地性強等特點，使其成為僅次于干旱災害的第二大災害性天氣系統(tǒng)[2]。多普勒天氣雷達是目前探測中小尺度強對流系統(tǒng)的主要非常規(guī)觀測手段，其具備高的時空分辨率（時間分辨率為6 min一次體積掃描，空間分辨率為150～1000 m），相較于常規(guī)地面觀測以及氣象衛(wèi)星觀測等具有顯著優(yōu)勢。因此，多普勒天氣雷達觀測被廣泛應用于氣象預報、災害監(jiān)測[3]、預警保障、定量降水估計[4]、數(shù)值模式同化[5]等研究中。

我國從1998年開始建設中國新一代多普勒天氣雷達網(wǎng)?？紤]不同天氣區(qū)域?qū)μ鞖饫走_監(jiān)測的不同需求以及降水對無線電波的衰減影響，業(yè)務天氣雷達選用S波段（10 cm）和C波段（5 cm）。我國沿海降水多且強度大的地區(qū)布設S波段雷達（SA、SB、SC），強對流天氣發(fā)生和活動頻繁且經(jīng)濟較發(fā)達的中西部地區(qū)布設 C 波段雷達（CC、CB、CD、CCJ）。 多普勒天氣雷達探測到信息包括反射率因子、徑向速度和譜寬3個變量。其中，天氣雷達所探測到的反射率因子除了降水粒子后向散射產(chǎn)生的降水回波，還包括太陽輻射、昆蟲（鳥）、地物以及超折射條件下地物產(chǎn)生的非降水回波，因此多普勒雷達觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制優(yōu)劣是能否正確分析應用雷達觀測數(shù)據(jù)的重要前提。對于雷達反射率因子的質(zhì)量控制方法主要可以分為3類。第一類是基于模糊邏輯的雷達回波分類算法[6]。其基本思路是輸入雷達觀測的三個變量：反射率因子、徑向速度和譜寬，經(jīng)過模糊邏輯技術處理對回波進行分類。這種方法可以分別對超折射回波、降水回波、昆蟲等晴空回波進行識別。當?shù)匚镫s波與降水回波同時存在時，這種方法很難進行準確的分類。美國新一代雙偏振天氣雷達在氣象探測業(yè)務中的廣泛應用，使得基于雙偏振觀測量的模糊邏輯質(zhì)量控制方法能夠更好地區(qū)分降水回波和非降水回波[7-10]。第二類是基于降水回波和非降水回波具有不同的水平和垂直回波結構提出的質(zhì)量控制方法[11]。該算法使用回波頂高、回波水平變化率、回波強度垂直梯度等參數(shù)來判斷。該方法主要對超折射回波進行剔除，對于混合在降水回波內(nèi)的超折射回波，去除后需要利用上層仰角進行填補?；谕瑯拥脑矶岢龅氖褂盟交夭◤姸冉Y構和垂直回波強度差等參數(shù)的回波判別方法[12]。經(jīng)過大量試驗表明，該算法有利于識別地物雜波、晴空下鳥群回波和昆蟲回波等非降水回波。第三類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡的天氣雷達質(zhì)量控制方法[13]。該方法用到了較多的判別參量，如前人質(zhì)量控制方法所用到的最低仰角和第二層仰角上回波點強度、速度、譜寬等局部均值、方差等，另外還采用了最強回波及其所在高度、回波強度權重平均值等。該方法的優(yōu)點是能夠較好地識別回波，缺點是由于需要計算的特征量很多，需要花費較長時間。

國內(nèi)學者針對多普勒雷達質(zhì)量控制方法也進行了許多探索和研究。例如：基于水平和垂直回波結構的質(zhì)量控制算法[14]；利用模糊邏輯算法的地物回波識別算法[15-16]；基于天氣雷達回波強度和速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測方法[17]；適合C波段多普勒天氣雷達的地物識別MCC方法[18]；基于雷達變分同化系統(tǒng)（Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS）的雷達徑向速度退模糊方法[19]等。

針對新疆地區(qū)特殊的地理位置及氣候降水特征等因素，采用了C波段（CINRAD/CC）雷達布網(wǎng)。新疆特殊的地形導致雷達站周圍常常有山脈阻擋，造成雷達地物回波、波束衰減等質(zhì)量問題。因此，無論是天氣預報中的實時天氣監(jiān)測還是在數(shù)值模式中的雷達資料同化，新疆地區(qū)C波段雷達觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是其能否正確應用的關鍵因素。本文利用回波紋理變化TDBZ[6]以及徑向速度參數(shù)，探索于新疆地區(qū)CINRAD/CC雷達地物回波識別方法適用性研究，為新疆C波段雷達在災害性天氣分析、定量降水估計及數(shù)值模式同化等研究提供一定基礎。

1 新疆C波段多普勒雷達

新疆地區(qū)目前擁有12部雷達，其中業(yè)務雷達8部，兵團雷達4部，均為CINRAD/CC雷達。雷達波長5 cm，探測距離步長300 m，探測范圍150 km。雷達在不同季節(jié)需要采用不同體掃方式，本文研究選取個例均在夏季，夏季采用14個仰角掃描，分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、5.3°、6.7°、7.5°、8.7°、10.0°、12.0°、14.0°、16.7°、19.5°[20]。

新疆地形復雜，雷達站周圍常有山脈遮擋，本文選取兩部典型區(qū)域雷達站：北疆伊寧雷達和南疆喀什雷達開展研究。兩部雷達站相對于雷達天線的地形高度分布如圖1所示，圖中圓圈點畫線由內(nèi)往外為50、100、150 km探測半徑。從圖1a和圖1b中可以看出，伊寧雷達位于天山南北山脈所夾的伊犁河谷地區(qū)，山脈最高高度＞2500 m；喀什雷達位于南疆西部昆侖山北坡，最大地形高度＞4000 m?？紤]地球曲率影響，計算兩部雷達探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角上每個距離庫的海拔高度，對比3 km分辨率地形高度數(shù)據(jù)，得到探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角地形遮擋區(qū)域（圖1c，1d）。圖中外層閉合曲線為0.5°仰角遮擋區(qū)域，內(nèi)層閉合曲線為1.5°仰角遮擋區(qū)域，2.4°仰角沒有地形遮擋，可能與使用的地形高度數(shù)據(jù)的分辨率較粗有關，無法得到更精細的遮擋信息?？梢钥闯?，兩部雷達低仰角掃描時均存在大量山脈遮擋，會造成地物回波。

2 地物回波識別原理與方法

降水回波與非降水地物回波在雷達反射率三維空間結構中在水平、垂直伸展方向上的變化以及徑向速度有所不同[21]。通過水平伸展方向回波紋理變化TDBZ以及徑向速度參數(shù)處理反射率因子，識別地物回波進行剔除。為了減少孤立點噪聲影響，首先進行孤立點去除。

孤立點計算公式為：

其中，N代表以計算點為中心的5（方位角）×5（距離庫）個像素內(nèi)的所有反射率因子為非缺省值個數(shù)，Ntotal（=25）代表所有像素個數(shù)，如果Px小于75%，則將此點記為孤立點而去除。

TDBZ計算公式為：

圖1 雷達附近相對于雷達天線地形高度（a、b）和地形遮擋區(qū)域（c、d）（a、c為伊寧雷達，b、d為喀什雷達）

圖2 晴空條件下，伊寧雷達0.5°仰角雷達反射率因子（a）和TDBZ分布（b）

其中i、j代表在不同方位角和距離庫方向上像素點的位置，Nbeams、Ngates代表方位角和距離庫個數(shù)，均設置為7，計算像素點與同一錐面上7×7像素點反射率因子方差的均值來描述反射率因子水平紋理變化。以伊寧雷達站為例，圖2b中計算每個像素點上反射率因子的TDBZ值，如果TDBZ值超過25.0，認為該像素點上雷達反射率因子在水平上存在嚴重不連續(xù)性，將此點標記為地物回波而剔除。

晴空條件下，以伊寧雷達站為例，圖3a，3b徑向速度主要集中在-0.5～0.5 m/s。考慮到地物回波像素點上徑向速度一般比較小，本文將徑向速度-0.5～0.5 m/s的像素點記作地物回波，圖3a中徑向速度較小值與圖2b中TDBZ值超過25.0的分布有較好的一致性。

3 典型天氣條件下的雷達地物回波識別分析

雷達基數(shù)數(shù)據(jù)在孤立點去除的基礎上，基于TDBZ以及徑向速度作為參數(shù)進行地物回波的識別，選擇兩種典型天氣（晴空天氣、降水天氣）來驗證方法的有效性。新疆地廣人稀，地基常規(guī)觀測站點空間覆蓋率極低，靜止衛(wèi)星產(chǎn)品最適于實時反映大范圍的天氣氣候特征，考慮到靜止衛(wèi)星星下點對衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量的影響，本文選擇靜止衛(wèi)星星下點最接近新疆區(qū)域的FY-2H衛(wèi)星。FY-2H是我國自主研制的第六顆靜止衛(wèi)星，可提供每隔0.5 h一次觀測數(shù)據(jù)，為中亞國家和地區(qū)提供良好的觀測視角和高頻次區(qū)域觀測，因此利用FY-2H云總量產(chǎn)品輔助驗證雷達地物回波識別效果非常適合且很有必要。

圖3 晴空條件下，伊寧雷達0.5°仰角徑向速度空間分布（a）和頻次（b）

圖4 晴空條件下，伊寧雷達0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

3.1 晴空天氣條件下雷達地物回波識別分析

2019年07月02 日08時01分UTC時次晴空天氣條件下伊寧雷達地物回波剔除前后對比如圖4所示，橢圓圈區(qū)域代表識別地物回波較多區(qū)域，矩形區(qū)域代表地物回波識別較少區(qū)域。選擇與雷達觀測時次最接近的FY-2H總云量分布對比（圖5a），總云量較多的地方，主要集中在高海拔區(qū)域，與大地形走向一致，由于地形遮擋區(qū)域的計算也是跟海拔高度有關，可以看出，大部分地形遮擋區(qū)域有較多的云存在。圖4a中0.5°仰角、0～50 km范圍內(nèi)，能夠識別因地物遮擋導致的大部分地物回波，尤其雷達西北至東北方向以及西南至東南方向橢圓圈區(qū)域的地物回波。圖4b中50～100 km范圍內(nèi)，東北方向矩形區(qū)域云量較少，且沒有地形遮擋，未能有效識別，圖4d中1.5°仰角也是如此。100～150 km范圍內(nèi)，剔除地物回波后，與總云量分布有較好的一致性。隨著仰角的抬升，雷達受地物影響越小，地物回波剔除越有效。圖4c中1.5°仰角，對比總云量信息分布與范圍，橢圓圈區(qū)域可能主要受地形遮擋影響。總體來講，地物回波識別有一定的效果。

2019年7月2 日8時01分UTC時次晴空天氣條件下，喀什雷達地物回波識別分析，喀什雷達探測范圍內(nèi)地形相比與伊寧雷達更加復雜，相對于雷達天線的地形高度更高，受地物影響更大，如圖5所示。從FY-2H總云量分布圖6b看出，總云量較多的地方，同樣主要分布在高海拔區(qū)域圖5a中0.5°仰角、0～50 km范圍內(nèi)，能夠識別因地物遮擋導致的大部分地物回波，橢圓圈區(qū)域尤其明顯，雷達站中附近0～10 km地物回波能很好地識別。圖5b中50～100 km范圍內(nèi)，西南方向矩形區(qū)域云量較少，且沒有地形遮擋，未能有效識別。圖5d中1.5°仰角矩形區(qū)域，對比總云量信息分布與范圍，與總云量大值區(qū)和結構有較好的一致性。圖5e中橢圓圈區(qū)域有一定云量信息，剔除了大部分回波信息，需要使用更精細的地形高數(shù)據(jù)計算遮擋區(qū)域并進行比對。

3.2 降水天氣條件下雷達地物回波識別分析

2019年8月17 日14時02分UTC時次降水天氣條件下，伊寧雷達地物回波識別分析，驗證在降水條件下是否會對降水回波進行誤判，錯誤地剔除降水回波。圖7a中0.5°仰角，橢圓圈區(qū)域的地物回波與晴空條件下一致，能夠有效剔除。圖7c中1.5°仰角，雷達南部橢圓圈區(qū)域的地物回波能夠有效識別，同時圖7d中未對降水回波進行誤判，保留有效降水回波。圖7e中同樣剔除了晴空條件下存在的地物回波，并且保留了降水回波。

圖5 晴空條件下喀什雷達0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

圖6 2019年07月02日08時00分UTC伊寧雷達（a）與喀什雷達（b）附近FY-2H總云量

圖7 降水條件下伊寧雷達0.5°、1.5°、2.4°仰角雷達反射率因子地物回波剔除前（a、c、e）與剔除后（b、d、f）對比

4 結論

本文介紹了新疆C波段多普勒雷達反射率因子地物回波的識別方法，利用3 km分辨率地形高度數(shù)據(jù)計算雷達探測范圍內(nèi)0.5°～2.4°仰角地形遮擋區(qū)域與FY-2H總云量信息作為分析指導的依據(jù)，針對不同天氣條件，對新疆伊寧、喀什兩部雷達的低層仰角地物回波識別效果進行定性分析，結果表明：

（1）基于TDBZ以及徑向速度作為參數(shù)的地物識別方法在晴空、降水天氣條件下，都能有效識別地物回波。

（2）在晴空天氣條件下，該方法能夠有效識別距離雷達站較近的地物回波，0.5°仰角影響最大，識別效果最好；同時對不同仰角層因地形遮擋引起的地物回波也能有效識別。

（3）在降水天氣條件下，仍然能夠有效識別距離雷達站較近以及因地形遮擋引起的地物回波，且未對降水回波造成誤判，保留降水回波信息。

從定性角度分析，本方法雖然對地物回波的識別方法有一定效果，但仍有部分受地物遮擋引起地物回波未被去除，需要進一步開展定量評估。高分辨率的地形數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星產(chǎn)品對雷達地物回波的識別有一定指導意義，可作為判定因子進一步改進雷達地物回波識別方法。