X波段双偏振天气雷达衰减订正方法及效果检验
李宗飞1,2 肖辉2 冯亮2 陈凯华1
【摘 要】摘要X波段双偏振天气雷达在观测强降水时衰减较大，双偏振雷达的相位参数因衰减较小可用于反射率的衰减订正。自适应算法和差传播相移率KDP订正法是应用较多的两种衰减订正算法，这两种方法均采用了差分参数实现衰减订正。自适应算法实现因难，但能够根据不同降水类型对订正系数进行调整，而KDP订正法则无法实现。本文在自适应算法和KDP订正法衰减订正的基础上提出了KDP综合分类法，该算法实现简单，并分别采用三种方法完成衰减订正，然后对订正效果进行了比较分析，并与S波段雷达进行了对比。最后将订正前后的反射率联合地面降水资料进行对比研究，结果显示订正后反射率更适合观测降水及反演雨强。 【期刊名称】《气象科技》 【年(卷),期】2019(047)005 【总页数】9
【关键词】关键字：双偏振雷达；衰减订正；自适应算法；综合分类；效果检验
http://www.qxkj.net.cn气象科技
国家自然科学基金项目(41575037)、国家重点研发计划(2016YFE0201900-02)资助
引言
随着我国新一代天气雷达的完善部署，以及双偏振雷达的不断业务化，采用雷达观测数据进行降水估计、相态反演等技术得到了相应的推广[1]。另外随着双
偏振雷达应用水平的不断提高，相应数据的质量问题也越来越受到重视[2-3]。 X波段双偏振雷达由于波长较短，相位灵敏度较高，所以在降水估计及相态反演等方面应用较多[4]。张培昌等在《雷达气象学》书中给出不同波段的雷达在不同降水强度中雷达信号的衰减系数有所不同，其中S、C、X 3个波段中X波段衰减系数最大，S波段衰减系数最小[5]。所以，在对X波段雷达反射率进行降雨衰减订正时通常可采用S波段雷达反射率进行对比。
普通多普勒雷达反射率的降水衰减订正可采用衰减率AH(单位：dBz/km)与反射率ZH(单位：dBz)之间的关系来完成，使用该方法进行订正效果较差[6]。而对于双偏振雷达来说，可采用差传播相移率KDP(单位：°/km)与衰减率AH的关系进行订正。Carey(2000)等通过散射模拟的方法给出双偏振雷达的差传播相移率KDP与衰减率AH之间存在一定的函数关系[7]。Bringi等亦指出对于X波段雷达KDP与AH约为线性关系，如式(1)所示，式中α为衰减系数，γ为衰减指数，约等于1。 (1)
基于以上的研究基础，可直接采用式(1)进行衰减订正，而式(1)中α系数通常取其均值[6]。该方法对于雨滴谱结构简单的层状云降水衰减订正效果较好，且方法简单计算量较小。Testud指出对于X波段(9.37 GHz)雷达，式(1)中衰减系数α在0.139～0.335之间[8]。通常情况下α的大小受温度及雨滴谱分布影响较大。由JAMESON通过散射模拟指出9 GHz频率以上雷达的衰减系数α受温度影响较小，但受雨滴谱分布影响较大，所以X波段雷达的衰减系数α主要取决于雨滴谱分布[9]。
Testud首先提出了“ZPHI”降雨廓线订正算法，Bringi等对该算法进行改进，
形成自适应算法。自适应算法在计算中使用了差传播相移ΦDP(单位：°)和反射率ZH，并根据误差大小不断调整衰减系数α，将其调整到最佳值[10]。自适应算法兼顾到了不同的雨滴谱分布情况，订正效果比直接使用KDP订正效果要好[11]。但是该算法计算量较大，且对差传播相移ΦDP的数据质量要求较高，因为该算法以数据区间为计算对象，且有大量的积分计算，当ΦDP出现不连续或缺测点时将影响整个区间的衰减订正效果。
为简化自适应算法，并减少因ΦDP数据质量问题而引进的误差，本文提出了KDP综合分类法对反射率进行衰减订正。该方法是在自适应算法的基础上对KDP和ZH进行分类，使其基本附合不同雨滴谱结构的分类，根据不同的分类情况计算相应的衰减系数α，使其能够满足不同降水类型的降雨衰减订正。下文将对自适应算法和KDP综合分类法分别介绍，并进行了相应的试验研究。在完成反射率的衰减订正以后采用S波段雷达的反射率进行对比分析，检验订正效果。本文还采用地面自动站进行联合观测，对衰减订正前后数据进行分析，用订正前后的反射率进行雨强反演，然后与地面降水强度对比。
1 订正方法
1.1 自适应算法
自适应约束算法或自适应算法也是在式(1)的基础上演变过来的，自适应算法首先需要对径向数据定义r0～r1的区间(r为距离变量，区间宽度通常为10个距离库左右)，计算该区间内的衰减系数，然后将区间向后移动，计算下一个区间的衰减系数，如此进行，直到完成整条径向数据的订正。 (2) (3)
X波段双偏振天气雷达衰减订正方法及效果检验
