多普勒雷達觀測資料質量控制方法研究及其應用

朱睿

摘 要：多普勒雷達是一種探測并研究降水粒子相態(tài)結構的有效手段，在氣象領域有許多應用。對于利用多普勒雷達進行氣象探測工作而言，其觀測資料的分析和處理是工作的重點。當前，多普勒雷達觀測數據還存在雷達回波短缺、異常數據點、晴空回波等質量問題。應對這些問題，必須采取相應的質量控制措施，才能夠較好處理多普勒雷達數據。

關鍵詞：多普勒雷達；觀測資料；質量控制方法；研究及應用

引言

多普勒雷達是應用于中小尺度災害性氣候的較新的監(jiān)測設備，最早由美國國家氣象局（NWS）研發(fā)并于上世紀90年代布網應用。目前，全世界有超過1000部以上的多普勒雷達被布置，應用于氣象探測分析、降雨估測、短時預報、人工影響天氣等方面，已經是氣象部門重要的探測手段之一。不過，多普勒雷達的探測數據還存在誤差，其中觀測數據誤差是最主要的誤差之一，目前，國內外針對多普勒雷達的觀測數據誤差的質量控制還沒有形成有效的方法和標準。不過，國內已經開始探索提高多普勒雷達觀測數據質量的措施。

1 多普勒雷達在我國氣象領域的發(fā)展和應用現狀

我國氣象領域應用雷達進行氣象的監(jiān)測預報研究已經有數十年的經驗的。在利用雷達進行氣象監(jiān)測時，研究者們發(fā)現，雷達數據資料的質量很容易受到地形遮擋、還存在環(huán)境噪聲、信號衰減等問題。

其中地形遮擋造成的雜波是一個麻煩而又切實需要解決的問題。國外的氣象學者們首先研發(fā)出多普勒雷達。多普勒雷達可以根據地形雜波的信號與氣象信號的多普勒功譜的差異，利用凹槽濾波器對地面雜波進行處理。此外，其還可以根據地面物體雜波與降水觀測量的空間分布差異特征設計軟件進行判斷。美國大氣研究中心利用模糊邏輯法綜合使用反射率因子、徑向速度和速度譜寬進行地面物雜波的識別。

國內在上世紀末引進多普勒雷達之后，有氣象學者對這些方面進行長期的研究，并改進了美國學者提出的模糊邏輯法，在多普勒雷達觀測資料的質量控制上取得了一定的進展。針對多普勒雷達觀測資料中存在的更加具體的由于各種原因導致的數據短缺、晴空回波等質量問題，國內學者們也針對性地進行了許多措施的試驗，最終摸索出了一些提高觀測資料質量的措施。

2 多普勒雷達的氣象觀測資料中存在的質量問題

2.1 數據短缺

是實際應用中，人們常在多普勒雷達觀測資料中發(fā)現數據短缺的現象。一般有兩種情況的數據短缺：一種是某些單元點在暴雨氣候中出現單一的或者若干的單元數據丟失，使得這些點的暴雨過程變化的監(jiān)測數據出現不連貫；一種是雷達體掃描過程中沿軸向出現整體性的數據短缺，這種情況對于氣象分析更為不利。

2.2 異常點

在對多普勒雷達觀測數據進行dbz>70的強回波的分析中發(fā)現，有一些點的回波數據發(fā)生了異常的突變現象，常常呈現出與周圍的臨近點的數據差異巨大的情況。這些異常點一般都是一些孤立的點，其數值與氣象的連續(xù)性完全不符合，基本不具備合理性，無法作為分析參考的對象。

2.3 晴空回波

晴空，也就是大氣層中的無云區(qū)域，有時多普勒雷達對這些區(qū)域進行探測時，會產生回波。這些區(qū)域基本上降雨量為零，出現晴空回波會對氣象分析產生較大的誤判。不過，長期的應用分析發(fā)現，多普勒雷達進行監(jiān)測，很少出現零回波的現象，許多時候，地面雨量監(jiān)測站監(jiān)測降雨為零的情況下，多普勒雷達也會有回波產生。

3 當前對多普勒雷達觀測資料質量問題的控制措施

3.1 對數據短缺進行插補延長

對短缺的數據進行插補，主要有兩種方法。一種是利用氣象的數據的連續(xù)性的特征，一般情況下，氣象數據總是呈現出局部的連續(xù)性，短缺數據點周圍的數據與短缺數據應該是一種連續(xù)的關系，可以利用短缺數據左右兩個方向臨近的數據進行線性延長插補。

還有一種方法，是利用同一個單元點不同時間段獲得的數據進行插補。云團的移動帶來單元點監(jiān)測數據的變化，對于同一片云團而言，這種變化的規(guī)律基本上是一致的。所以觀測其他單元點，尤其是短缺點附近單元點數據的變化，可以擬推出短缺單元點的數據變化，進而進行短缺數據插補。

3.2 對異常點回波進行處理

多普勒雷達的回波具有一定的閥值，正常情況下，回波不會超過這個閥值。而異常點的數據，在許多情況超過了回波閥值。因此這可以作為異常點判定的一個依據。對于異常點的處理，常常采用二維中值濾波法。首先對超過回波閥值的數據點采用中值濾波法處理，另外對于沒有超過閥值但是相比周圍回波的數據都大于6dbz的數據，也進行中值濾波法的處理。

3.3 利用格網點基礎回波法剔除晴空回波

西南科技大學的鄒強等人在晴空回波的處理問題上，提出了格網點基礎回波處理法。其原理是將監(jiān)測區(qū)域按照經緯度坐標劃分成格網，對于每一個格網點，根據其長期的雷達回波規(guī)律與地面監(jiān)測數據的關系確定基礎的回波值。然后將監(jiān)測到的回波與基礎回波進行對比，低于基礎回波值，基本上可以認為是晴空回波，沒有發(fā)生實際降雨。

4 結束語

多普勒雷達作為新型的氣象監(jiān)測工具，在氣象探測中的應用前景還十分可期，有繼續(xù)開拓發(fā)掘的前景。針對其觀測數據中常見的數據短缺、晴空回波、異常點等數據質量缺陷，國內該領域的專家們也初步探索出了一些控制措施?？梢岳貌逖a延長來彌補數據短缺，對異常點的回波利用根據經驗編寫的軟件進行處理，對晴空回波也可以利用數據處理軟件進行剔除。此外，對河流、海洋等重點氣象監(jiān)測區(qū)域進行網格化處理，能夠有效地對這些區(qū)域的氣象進行針對性的全過程監(jiān)視。當然，多普勒雷達的觀測資料的質量問題并沒有被完全解決，未來還應當加大對這方面研究的投入，以應對越來越多變的全球氣候。

參考文獻

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