C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法与流程

本发明涉及雷达领域，特别是一种c波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法。

背景技术：

雷达的最初应用于军事，二战期间就产生了多种发射波长和转动体制的雷达，后来随着微电子科学技术进步，雷达技术获得了不断发展，并广泛用于气象探测领域，目前常用的气象探测雷达按波长分主要有c波段，s波段和x波段气象雷达，按照观测量又可以分为多普勒雷达和双偏振多普勒雷达（简称双偏振雷达），双偏振雷达不仅可以探测反射率强度（dbz）和气象目标的径向速度（v），还可以探测到目标的其它重要特征，比如差分相位（φdp），差分反射率（zdr），差分相移率（kdp）等，鉴于双偏振雷达的上述优点，全国各地已经逐步开展气象雷达的更新换代工程，s波段、c波段和x波段的双偏振雷达会是未来气象监测领域的主流产品。国际上，双偏振雷达早在上世纪七八十年代就已经发明并投入到气象观测中，我国的气象雷达科学家也已经研究了三十多年，并取得了诸多研究成果，近年来气象雷达波束地形阻挡区域识别问题已经基本获得解决（蒋秋菲2017.李明凤，2018），但是，雷达反射率地形遮挡衰减订正问题，一直未能获得实质性突破。中科院大气所的王曙东等人通过对中国158部新一代气象雷达波束分析得到波束地形遮挡问题严重制约复杂地形区域气象雷达效益发挥（王曙东，2011），朱丹利用高精度地形高程数据得到中国208个新一代天气雷达0.5度仰角的地形总体遮挡率达到30.7%（朱丹，2017），各大高校和科研院所以及雷达厂家曾尝试过多种订正方案，比如反射率水平插值方案（郭春辉等，2017）、反射率垂直廓线插值方案（杨泷，2015）、地形阻挡率因子方案（肖艳娇，2007.邱航等，2010.王红艳，2014.罗丽等，2016）等，但上述方案订正结果不确定性较大且难以业务化，国内外气象雷达教科书上也没有该问题的解决技术。

国内目前的气象雷达，雷达波束空间角为1°×1°左右，如果采用最低仰角0.5°进行体扫，相应的在距离雷达站75公里处，波束宽度扩展为1.3km×1.3km，波束下沿最低高度为0.33km，波束上沿高度为1.63km，在距离雷达站150公里处，波束宽度扩展为2.6km×2.6km，波束下沿最低高度为1.32km，波束上沿高度为3.92km，在230公里处，波束宽度扩展为4.0km×4.0km，波束下沿最低高度为3.11km，波束上沿高度为7.11km，可见，在雷达天线做低仰角体扫模式时，波束极易受到地形遮挡的影响，尤其是在地形复杂地区，地形对波束的部分遮挡会导致实际观测到的雷达反射率强度减弱很多，本研究结果表明因地形部分遮挡导致的反射率强度衰减高达5~45dbz，而这部分近地空间，却是气象雷达探测最为重要的区域，很多灾害性的天气都发生在这一高度层以内，比如台风、龙卷风灾害、极端强对流、微下击暴流，另一方面，每一部气象雷达的造价都需要几百万甚至几千万，一旦建好就不能搬动，如果近地空间内的探测数据大范围受地形遮挡影响会导致整部雷达数据可用性降低，对国家也会造成巨大损失，当前国内的气象部门、空管和机场都面临着这一困扰。有研究表明，全国70%以上气象雷达受到地形遮挡影响，近20部雷达数据可信度很差几乎不可用（王曙东，2011），全国1km、2km、3km高度气象雷达覆盖率仅为16.9%、38.8%和52.8%。

针对双偏振天气雷达反射率地形遮挡这一难题，当前国际上缺乏可业务化应用的成熟订正技术，国内外科研人员在该领域探索过多种订正方法，但每种方案都存在各自的缺点，比如利用雷达反射率水平插值替换、垂直廓线插值替换，或者根据地形遮挡率进行反射率订正，但这些方法的订正结果不确定较大，水平或者垂直插值方案仅对小范围数据缺失有效，而地形遮挡率方案必须依靠高精度的地形高度数据，此外雷达波束的传播路径随着大气温度、密度变化而变化，加上雷达天线角度机械转动误差和雷达波束在远场具有绕射特性，最后获得的订正结果准确性存在很大问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种c波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法。

本发明实现上述目的技术方案为，一种c波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，首先对雷达基数据进行初步分析，确定数据异常区域，采用φdp、zdr、kdp、cc、dbz阈值组合进行滤波，去除地物杂波、晴空回波；

步骤二，对φdp、zdr、kdp、dbz进行阈值约束检查，识别雨区范围和受地形遮挡区域；

步骤三，对每个径向φdp数据进行分析，对受地形影响产生跳跃区域的φdp数据进行动态恢复订正，确保φdp随距离尽可能逐渐增加，只有准确可靠的φdp数据才能用于订正过程；

步骤四，对于受地形遮挡影响的dbz数据，换算为zh(mm6/m3)反射率数据，并根据hitschfeld和bordan（1954）提出的雨廓线理论，反射率比衰减可以记为,

步骤五，结合,和

，并记，经积分变换，可以得到，

步骤六，对上式α值在0.2~1.25之间选择40组离散数据进行遍历筛选，获得一系列积分构建的φdp距离廓线值，并用矩阵记录下来；

步骤七，统计积分构建的φdp距离廓线和原来观测φdp距离廓线的误差水平

步骤八，寻找积分构建的φdp距离廓线和观测φdp距离廓线误差最小时的α值，并通过积分过程获得真实的雷达反射率

步骤九，将上述计算得到的实际雷达反射率与不受地物阻挡影响的雷达反射率数据做对比分析和统计检验计算得到的实际雷达发射率是否正确，如果正确，则订正效果有效；如果不正确则返回步骤三重新选取和修正φdp数据进行订正，并且重复上述步骤直到订正效果有效为止。

所述步骤一中通过信号滤波和平滑处理的方法去除地物杂波和晴空回波。

所述步骤六中α值在0.20-1.25之间选择40组离散数据。

所述步骤七中原来观测φdp距离廓线是指在步骤三中对受地形影响产生跳跃区域进行动态恢复订正后的φdp数据。

所述步骤八中积分构建的φdp距离廓线和观测φdp距离廓线误差最小时的α值的区间为0.20-1.25。

利用本发明的技术方案制作的c波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法，从理论公式出发，直接基于衰减后的反射率数据进行积分反演订正，解决了以前该类数据无法直接恢复，只能依靠水平、垂直插值替换或者根据地形高度数据进行估计问题，该技术反演获得的反射率数据通过与邻近的其他雷达数据对比，反演数据准确可靠，和前人的各类插值替换和地形阻挡率估算方法相比，这是一种真正意义上的数据订正技术，攻克了双偏振雷达地形遮挡衰减订正这一技术难题，对研究降雨对流过程具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述c波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法的流程示意图；

图2订正前的φdp距离廓线；

图3订正后的φdp距离廓线；

图4φdp距离廓线误差最小时的α值；

图5积分重构的φdp距离廓线；

图6一条径向数据的雷达反射率地形衰减订正前后对比；

图7新丰c波段雷达地形衰减订正前体扫效果图；

图8新丰c波段雷达地形衰减订正后体扫效果图；;

图9新丰c波段雷达地形衰减订正前高扫效果图；

图10新丰c波段雷达地形衰减订正后高扫效果图；

图11是广州s波段双偏振雷达高扫插值图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，

本申请的特点是：

一、φdp受地形阻挡影响区域会产生整段剧烈跳跃，这在前人的研究中很难得到处理，本研究提出了一种动态φdp订正技术，可以较好的处理这一难题；

二、对α的遍历选择，一般c波段雨区衰减的α选择范围为0.05-0.17之间，s波段在0.017左右，x波段在0.233左右，但是这些系数对地物阻挡并不适用，需要寻找新的系数范围，本发明将地形遮挡衰减α选择范围设置为0.20-1.25。

实施例一

为详细描述上述算法过程（图1），选择2018年6月8日上午10:49时刻前后的韶关新丰c波段双偏振雷达和广州s波段双偏振雷达扫描数据进行分析，c波段双偏振雷达数据包括一个体扫和一个高扫过程，s波段双偏振雷达为同时刻的一个体扫过程。

首先对c波段双偏振雷达基数据进行初步分析，确定数据异常区域，对每个径向φdp数据进行分析和滤波，去除地物杂波、晴空回波，并对受地形影响产生跳跃区域的φdp数据进行动态恢复订正，以高扫过程中的一条径向数据为例，图2是一个径向的φdp数据原始观测数据，图3是滤除各类杂波并进行动态恢复订正后的φdp观测数据。

然后根据雷达反射率值识别出雨区范围，根据雨廓线理论公式，在0.20-1.25范围内选择40组α值并计算出相应的反射率比衰减数据，从而获得一系列积分构建的φdp距离廓线值，求得积分构建φdp距离廓线和滤波订正后的φdp距离廓线误差最小时的α值（图4），图5蓝色曲线为最优α值对应的积分重构的φdp距离廓线。

根据图5中反演构建的φdp距离廓线，对受地形遮挡影响的雷达反射率数据进行订正，图6中黑色曲线是观测到的反射率距离廓线，蓝色曲线是订正后反射率距离廓线，与观测数据对比，订正后的反射率数据提高了5-35dbz。

类似的，对高扫和体扫过程中的每一条径向数据都进行上述算法处理，可以得到c波段双偏振雷达反射率地形遮挡衰减订正后的高扫和体扫结果（图8、图10），其中广州s波段双偏振雷达，由于雷达站址选择合理，其波束在研究的方位角上几乎不受地形影响，而且s波段受雨区衰减影响较小，可以用于检验c波段双偏振雷达反射率地形遮挡衰减订正效果。

如图7所示，新丰c波段双偏振雷达采用0.75°仰角体扫时，波束受地形遮挡影响比较严重，尤其是在两处长方形区域和一处椭圆形区域，图8是新丰c波段双偏振雷达反射率地形衰减订正后的效果，在上述三个区域内，订正后的反射率比原来观测到的反射率有5-35dbz的提高。

为进一步验证上述订正结果的可靠性，在两部雷达的连线方向上，选取广州s波段双偏振雷达的观测值（图11）和同时刻新丰雷达地形遮挡衰减订正前（图9）、订正后（图10）的高扫图进行对比。在c波段双偏振雷达反射率高扫图（图9）中只能发现第1和第4个对流单体，在第1个和第2个对流单体间受2座比较高的山脉遮挡，在进行地形遮挡衰减订正后，图10中出现了6个明显的对流单体，为验证地形衰减订正后（图10）出现的第2、3、5、6个对流单体是否真实，经过与广州s波段双偏振雷达同时空的高扫图（图11）对比，发现订正后的6个对流单体和广州s波段双偏振雷达观测值强度具有非常好的一致性，从而说明了本研究的订正技术是有效可靠的。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。