双偏振气象雷达资料处理和应用201404

基于对流风暴结构的双偏振雷达ZDR柱识别及应用研究*潘佳文1 徐鸣一2 吴举秀3 吴伟杰1 郑秀云1 彭 婕1 韩颂雨4 PAN Jiawen1 XU Mingyi2 WU Juxiu3 WU Weijie1 ZHENG Xiuyun1 PENG Jie1 Han Songyu41. 厦门市海峡气象开放重点实验室，厦门市气象局，厦门，3610122. 中国气象局气象探测中心，北京，1000813. 山东省气象防灾减灾重点实验室，山东省气象工程技术中心，济南，2500314. 浙江省气象信息网络中心，杭州，3100001. Xiamen Key Laboratory of Straits Meteorology，Xiamen Meteorological Bureau，Xiamen 361012，China2. CMA Meteorological Observation Centre，Beijing 100081，China3. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong，Shandong Meteorological Engineering Technology Center，Jinan 250031，China4. Zhejiang Meteorological Information Network Center，Hangzhou 310000，China2023-04-10收稿，2023-08-03改回.潘佳文，徐鸣一，吴举秀，吴伟杰，郑秀云，彭婕，韩颂雨. 2023. 基于对流风暴结构的双偏振雷达Z DR柱识别及应用研究. 气象学报，81（6）：943-957Pan Jiawen， Xu Mingyi， Wu Juxiu， Wu Weijie， Zheng Xiuyun， Peng Jie， Han Songyu. 2023. Identification of the Z DR column in dual polarization radar observations based on convective storm structure and related applications. Acta Meteorologica Sinica， 81（6）:943-957Abstract ZDR column, the quasi-vertical continuous column of enhanced differential reflectivity (i.e., ZDR≥1 dB) observed by dual-polarization radar, can extend well above the environmental 0℃ level. ZDRcolumn can provide information about the location andintensity of convective storm updraft, which makes it a useful tool for analyzing the evolution of convective storms. This paperintroduces an automatic ZDRcolumn identification algorithm, which is designed to provide diagnostic information pertinent toconvective storm warning. Based on the 3D structure characteristics of convective storms, the algorithm for ZDRcolumn identificationis designed and its morphological parameters are calculated. The application of ZDRcolumn morphological parameters in quantitative analysis of convective storms is explored by using Xiamen dual polarization radar and automatic weather station data. The study yields the following results. (1) Statistically significant differences exist between severe and non-severe storms in terms ofthe ZDRcolumn morphological parameters, indicating that these products can provide references for forecasters to distinguish the twotypes of convective storms. Once the ZDRcolumn depth reaches 1500 m, at least 60% of the volume scans are associated with severestorms. Similarly, once the thresholds for ZDR column volume, centroid height and maximum ZDRvalue reach 20 m3, 500 m and 3 dB,respectively, at least 70%, 70% and 50% of the volume scans are associated with severe storms. (2) The evolution of ZDRcolumns is an appropriate index that can reflect the development of convective storms, and the peak values of its morphological parameters precede the occurrence of severe convective weather. During the continuous severe convective weather process, the re-developmentof the ZDR column is earlier than that of the convective storm. (3) ZDRcolumns can predict the merging and splitting process ofconvective storms. The process of storm merging (splitting) is accompanied by the ZDR column merging (splitting). ZDRcolumnmerging (splitting) occurs earlier than that of the convective storm in 57% (69%) of the processes. (4) There is a correlation* 资助课题：国家重点研发计划（2022YFC3004101）、福建省自然科学基金（2022J011080、2022J01443）、山东省自然科学基金（ZR2020MD052）、浙江省自然科学基金（LZJMY23D050006）、厦门市社会发展领域指导性项目（3502Z20214ZD4005）。

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年5月1日第46卷第9期May 2023Vol.46No.90引言重庆目前有三部S 波段双偏振天气雷达系统，其中重庆陈家坪与永川雷达分别于2019年和2020年完成了大修及双偏振改造，涪陵雷达为新建双偏振系统，2021年投入业务运行。

双偏振系统相对于传统的单偏振有着很大的优势，通过发射水平和垂直两种方向的电磁波，便能同时获取气象目标水平与垂直方向上的幅度及相位信息，根据定量测得回波信号的偏振信息反演出气象目标中极为重要的微物理场信息（云和降水粒子相态、排列取向、空间分布和尺度谱等）。

在定量降水估测、冰雹识别、降雪观测、台风跟踪等方面有着很大的优势[1⁃3]。

重庆地势特殊、山势较高，周边布有多种无线电设备，天气雷达在运行过程中不可避免受到周边建筑和地形、大气折射率异常、外界电磁波的干扰等诸多问题。

重庆双偏振天气雷达（CINRAD/SAD ）径向干扰去除及补偿算法研究刘昉1，叶华芳2，李奇临1，梁传彬2，刘湘3，严桂珍3，张俊1（1.中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室重庆市气象信息与技术保障中心，重庆401147；2.重庆市永川区气象局，重庆402160；3.重庆市合川区气象局，重庆401520）摘要：重庆新一代天气雷达升级为双偏振系统后，对重庆市重要天气过程的短临预报以及预警提供了更有效的数据。

雷达运行中，偶尔会遇到外部电磁干扰，表现为在某几个仰角的一个或多个方位上径向射线，在业务应用中需要及时发现、去除并补偿。

文中基于改进K⁃means++算法结合相关偏振量的判定，来实现径向干扰的识别；采用三线性插值与改进双线性插值相结合的数据插值补偿算法对剔除后的回波进行填补，最大限度地接近真实回波。

通过仿真实验验证了算法的有效性。

关键词：双偏振天气雷达；径向干扰；补偿算法；预警数据；电磁干扰；回波补偿中图分类号：TN956⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X （2023）09⁃0115⁃05Research on radial interference removal and compensationalgorithm of CINRAD/SAD in ChongqingLIU Fang 1，YE Huafang 2，LI Qilin 1，LIANG Chuanbin 2，LIU Xiang 3，YAN Guizhen 3，ZHANG Jun 1（1.Chongqing Meteorological Information and Technology Support Center ，Key Laboratory of Economic Transformation of Climate Resources ，China MeteorologicalAdministration ，Chongqing 401147，China ；2.ChongqingYongchuan District Meteorological Bureau ，Chongqing 402160，China ；3.Chongqing Hechuan District Meteorological Bureau ，Chongqing 401520，China ）Abstract ：After Chongqing′s CINRAD was upgraded and became a dual polarization radar system （CINRAD/SAD ），more effective data are provided for short⁃term temporary forecasting and early warning of important weather processes in Chongqing city.During operation of theradar system ，it occasionally encounters external electromagnetic interference ，which manifests as radial rays in one or more directions at certain elevation angles and needs to be detected ，removed and compensated in time in business applications.In this paper ，based on the improved K ⁃means ++algorithm combined with the determination of the correlation polarization amount ，the identification of radial interference is realized.The data interpolation compensation algorithm combined with trilinear interpolation and improved bilinear interpolation is used to fill the rejected echo and make it maximizethe proximity to the real echo.The effectiveness of the algorithm has been verified by simulation.Keywords ：dual polarization weather radar ；radial interference ；compensation algorithm ；early warning data ；electromagnetic interference ；echo compensationDOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.09.022引用格式：刘昉，叶华芳，李奇临，等.重庆双偏振天气雷达（CINRAD/SAD ）径向干扰去除及补偿算法研究[J].现代电子技术，2023，46（9）：115⁃119.收稿日期：2022⁃07⁃19修回日期：2022⁃08⁃05基金项目：重庆市气象两江英才项目（YWJSGG⁃202108）115现代电子技术2023年第46卷其中电磁干扰是最为常见的影响雷达数据质量的因素，雷达反射率中呈现的回波表现形式与干扰源距离、干扰频率有关，主要有散点状（满屏或者局部）和条幅状（一条或多条射线）两种形式，不论何种形状均为异常回波，严重影响雷达回波数据的质量并给预报预警带来极大的困扰[4]。

CINRAD-SAD双偏振雷达非降水回波识别技术CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别技术随着气象雷达技术的不断发展，CINRAD/SAD双偏振雷达已成为一种高性能的大气观测工具。

其能够提供非常详细的气象信息，不仅可以准确地识别降水回波，还可以识别非降水回波，如辐射雾、雾霾、沙尘等气象现象。

本文将详细探讨CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波的识别技术。

CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波的识别主要基于其不同的散射特征。

传统的CINRAD/SAD双偏振雷达只能通过反射率因子来识别降水回波，但对于非降水回波的识别存在一定的局限性。

为了克服这一问题，双偏振雷达加入了偏振参数，如差分反射率、相位差等。

这些偏振参数能够提供更加详细和丰富的信息，从而实现对非降水回波的准确识别。

CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波的识别主要包括两个步骤：特征提取和分类判别。

特征提取是指从雷达数据中提取出有用的信息，如反射率因子、差分反射率、相位差等。

这些信息可以通过信号处理技术，如滤波器、多普勒频移校正等进行处理，提取出有意义的特征。

分类判别是指根据特征提取的结果，使用分类算法将非降水回波和降水回波进行区分。

常用的分类算法有模式识别、人工神经网络、支持向量机等。

在CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别中，差分反射率是一个非常重要的参数。

差分反射率是指垂直和水平偏振回波的反射率差值，可以很好地反映出回波颗粒的形状和大小。

通常情况下，辐射雾、雾霾等非降水回波的差分反射率较小，而沙尘等非降水回波的差分反射率较大。

通过设置合适的差分反射率阈值，可以将非降水回波与降水回波进行区分。

相位差也是CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别中的一个重要参数。

相位差是指垂直和水平方向的回波之间的相位差异。

通常情况下，辐射雾、雾霾等非降水回波的相位差较小，而沙尘等非降水回波的相位差较大。

通过设置合适的相位差阈值，可以进一步提高非降水回波的识别准确率。

Science &Technology Vision科技视界字节顺序字节数说明1-2828雷达信息头29-128100扫描数据信息129-588460反射率129-1508920径向速度129-2428920速度谱宽2429-24324保留0引言天气雷达是专用于大气探测的雷达,属于主动微波大气遥感设备,主要包括测云雷达、测雨雷达、风廓线雷达等。

天气雷达主要以锥面扫描来探测大气中的降水粒子信息,得到的PPI (Plane Position Indicator)产品为球坐标信息,所以雷达CAPPI(Canstant Altitude Plan Position Indicator)产品能够更直观的描述出降水云系的垂直与水平特征,便于我们分析天气过程。

现有的CAPPI 产品大多为使用双线性插值法对雷达基数据进行格点化而得到的,本文将分析三种插值方法,并分析结果的不同差异。

所谓格点化,就是利用插值算法,将数据从球坐标系内插到直角坐标系下的网络格点上。

国内外有很多学者提出了多种不同的插值方法,常用的方法主要有:(1)最近邻法(Nearest Neighbor Mapping,简称NNM)[1];(2)垂直线性插值法(Vertical Interpolation,简称VI)[2];(3)垂直水平线性插值法(uses the VI plus a horizontal interpolation,简称VHI)[2-3];(4)三线性插值法[4];(5)Barnes 插值法[3]。

同时,也有学者利用变分分析法和统计法对雷达数据进行插值分析。

本文主要以常用的VI 法、VHI 法和Barnes 插值法作探讨与比较。

1仪器与数据现在全国业务布网的天气雷达为波长10cm 的S 波段的多普勒气象雷达,距离分辨率1km,不模糊距离为460km,基数据包含反射率回波强度(dBZ),径向速度(V)和速度谱宽(W),而本文使用的雷达是成都信息工程学院的3cm 双偏振气象雷达(WSR98D),距离分辨率150m,不模糊距离250km,双偏振雷达除了能探测到以上三种数据外,还能得到差分反射率因子(Zdr),差分相位(ϕdp ),差分传播相位常数(K dp )以及相关系数(ρhv(0))。

气象雷达参数
气象雷达是一种使用雷达技术来获取大气中物体反射信号的仪器，它可以探测到降水、云层、风暴等天气现象。

为了正确地解读和分析气象雷达数据，需要了解以下几个重要参数。

1. 雷达反射率因子(Z)：描述了反射回来的微波能量的大小，通常用dBZ单位表示。

Z值越大，表示回波强度越大，对应的降水量也就越大。

2. 雷达速度(V)：描述了气象目标在径向方向上的速度，可以分为正负两个方向。

正值表示物体向雷达运动，负值则表示物体远离雷达。

3. 雷达谱宽(W)：描述了气象目标在径向方向上的分散程度，反映出降水粒子的大小和分布。

W值越大，表示降水粒子的大小分布越广。

4. 雷达偏振参数：描述了微波在传播过程中的偏振状态，可以帮助区分不同类型的降水粒子，如雨滴、雪花、冰雹等。

5. 雷达扫描方式：包括垂直扫描和水平扫描两种方式，决定了雷达探测的范围和分辨率。

以上几个参数是气象雷达数据处理和分析中比较重要的参考指标，能够帮助我们更准确地了解天气状况和预测未来趋势。

- 1 -。

利用低反射率因子区域订正双偏振雷达Z dr参数杨光 徐海军（安徽省人工影响天气办公室 合肥 230031）摘 要 天气雷达是云和降水物理研究、强风暴监测、人工影响天气作业指挥的有力工具。

随着计算机技术的进步，天气雷达技术得到了很快的发展。

双偏振多普勒天气雷达是近年才发展起来的新型天气雷达，可以测量反射率因子Z h、差分反射率Z dr、传播相移差K dp和相关系数ρhv等雷达参数。

双偏振多普勒天气雷达发射两种相互正交的线极化波, 不仅能得到气象目标的幅度信息(强度)、相位信息(速度和谱宽)，还能根据定量测得的回波信号的偏振信息计算出气象目标中极为重要的微物理场的信息(如云内粒子的相态、排列取向、空间分布和尺度谱等)，这些信息不仅能极大地提高对气象目标的识别能力，加强对灾害性天气和危险航线的预报和保障能力，而且在评估大气环境侵蚀参数等特殊气象保障方面也有很大的应用价值。

差分反射率Z dr是反映云雨目标特征的主要参数之一，Z dr参数的测量误差也是双偏振多普勒天气雷达的一个关键技术指标。

通常，随着雷达的不断使用、系统的各个部分都会出现不同程度的老化现象，加上外界环境因素的影响，天线在水平极化状态下的增益与在垂直极化状态下的增益可能会出现不一致，发射、接收支路的波导馈线对发射信号和接收信号的传输损耗也可能会发生变化，功分器对发射功率的分配也有可能出现偏差，上述因素都能对Z dr参数的测量引入系统误差。

这种误差可以通过设定补偿参数的方法来进行订正。

本文提出了一种利用雷达反射率因子进行Z dr参数订正的方法。

这种方法通过分析雷达探测的反射率因子数据，寻找低反射率因子区域对应的Z dr参数进行统计。

通过调节补偿参数的大小，使雷达探测的低反射率因子区域对应的Z dr参数均值趋于零，从而计算出Z dr参数的测量误差。

此方法利用雷达探测到的原始数据进行计算来消除Z dr参数的系统误差，不但可以随时进行误差订正，还可以对历史资料进行订正。