毫米波云雷达杂波质控方法研究

李浩文，李怀宇，胡东明，张羽，张志坚，梁之彦，李立

（1.广州市气象台，广东广州 511430；2.广东省气象台，广东广州 510640；3.广州市突发事件预警信息发布中心，广东广州 511430）

云是影响降水的一个重要因子，由于其对辐射传输等的影响，云在气候变化中也扮演了重要角色，因此云的观测对于天气和气候都具有非常重要的意义［1-4］。云观测有多种方式，无线电探空由于直接观测的方式，能够提供较可靠的云层结构信息，但是成本较高且时空分辨率较低［5］。激光云高仪和激光雷达都能提供较为准确的云层信息，但是降水时均衰减严重［6-7］。云雷达能够提供连续、完整的云层结构信息，并且由于毫米波对于细粒子更敏感，能够观测到高时空分辨率的云结构特征［8］。许多研究表明，毫米波云雷达的探测结果可靠，与无线电探空等的探测结果一致性较高［9］，为云的宏观和微物理结构研究提供了良好基础［10］。但是相较于厘米波天气雷达，工作在毫米波段的云雷达更加容易受到昆虫、气溶胶和湍流等非气象目标物干扰而产生杂波［11］。悬浮回波通常回波强度较小，退偏振比较高，因此可以通过分析两者的数值分布范围提取相应的阈值对悬浮回波进行滤除［11-12］。

虽然针对毫米波云雷达的杂波质控已经有了一些研究成果，但是长时间连续观测的研究较少，并且对于华南地区的研究也相对缺乏。作为中国气象局超大城市综合气象观测试验的一部分，布设在广州市气象局观测场的毫米波云雷达和激光云高仪等设备自2019年以来获取了大量的观测数据。本研究基于上述长时间序列的观测数据，对毫米波云雷达进行本地化的杂波质控方法研究，为其在华南地区的应用提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料及仪器

本研究所有数据时间段均为2019年11月至2020年10月，所有仪器均布设在广州市气象局观测场。毫米波云雷达为HMB-KPS型Ka波段雷达，能够探测120 m～20 km高度范围内的非降水云、弱降水云和弱降水等目标。观测模式为固定90°仰角定点观测，空间分辨率30 m，约1 min 6条探测廓线，可以得到不同高度的回波强度（Z）、退偏振比（LDR）等产品。激光云高仪为C12小型云高仪，能够探测15 m～12 km范围内的云层信息，空间分辨率5 m，时间分辨率6 min。采用固定90°仰角定点观测，输出产品为云高、总云量、低云量等。降水数据来源于自动气象观测站，时间分辨率为5 min。本研究所用时间均为北京时。

1.2 研究方法

降水剔除：为防止降水影响，采用自动站的5 min降水数据，当有降水产生时，该时段内的数据全部剔除，不计入数据统计。

天空总云量：由于人工识别云量较为主观，激光云高仪的观测效果较为稳定可靠［13-14］，激光云高仪有“天空总云量”这一产品，因此将该产品的数值定义为天空总云量。

晴空时段：根据气象上的晴空定义，本研究参照肖佩等［12］的方法，将天空总云量＜1成并且持续至少1 h的时段视为晴空时段。

杂波：毫米波云雷达的杂波主要为昆虫、气溶胶和湍流等非气象回波。当天空为晴空时，雷达观测到回波全都是这些非气象回波导致，因此将晴空时刻观测到的回波定义为杂波。

对比分析杂波和云回波的特征，如Z和LDR的分布范围等，提取出能够将杂波和云回波进行区分的特征阈值，从而实现对杂波的滤除。

2 杂波特征

2.1 时空分布

杂波主要由昆虫、气溶胶等组成，其时空分布特征与云有所差异。根据广州本地的气候特点，本研究分前汛期、后汛期和非汛期共3个时段统计了所有杂波Z和LDR在不同高度和季节的占比（图1），其中前汛期为每年4—6月、后汛期为7—9月、非汛期为10月至次年3月。

图1 杂波回波强度Z（a）和退偏振比LDR（b）的时间-高度分布

由图1a可知，杂波大多集中在低层。通过统计发现，约98%杂波分布在3 km以下，其中约72%在1 km以下。并且不论是汛期和非汛期，杂波都主要分布在3 km以下的低层，其中前汛期的杂波有79%出现在1 km以下，可见云雷达观测到的杂波主要分布在大气低层。季节分布方面，非汛期杂波的数量约占全年所有杂波的64%，后汛期占比21%，前汛期最少。此外，非汛期杂波出现高度明显高于汛期，在1 km以上出现杂波的概率非汛期为汛期的3～6倍，所有杂波中约19%出现在非汛期1 km高度以上。

而LDR分布与Z大致相似（图1b）。约89%的LDR分布在0～1 km，在1～2 km占比约9%。LDR比Z更加集中在大气低层，这可能是随着高度增加，弱回波在垂直信道信噪比太低从而无法产生LDR所致。总体来说，杂波LDR也主要分布在1 km以下的低层，非汛期杂波占比达到约63%，前汛期、后汛期占比分别为15%和22%，杂波的LDR跟Z的时空分布情况较为一致。

2.2 回波强度和退偏振比

根据已有的研究，杂波与云回波在Z和LDR等参数方面存在一定差异，这也是进行质量控制的一个重要基础。图2为杂波分别在各个季节的Z和LDR分布特征图。由图2可知，杂波Z的高频分布区域均小于-10 dBz。统计数据表明，杂波的Z普遍较小，不论是汛期还是非汛期均有90%以上Z＜-10 dB。非汛期杂波Z强度在-5～30 dBz区域的频率相对于汛期更高，但这部分杂波占比不到4%。3个季节杂波Z出现频率最高的区间均为-15～-20 dBz，在-30 dBz左右还有一个次峰值。杂波的Z普遍较小，并且主要集中在-10 dBz以下。

杂波的LDR高频区为-25～5 dB，3个季节约85%～86%的LDR＞-20 dB。非汛期杂波Z＞-10 dBz，且LDR＜-20 dB的频率比前汛期和后汛期高，这可能是广州地区非汛期气溶胶浓度相对较大，而3月左右昆虫和花粉等粒子较多所导致的。大部分杂波的LDR与Z呈现较为明显的线性关系，LDR随Z减小而增大。前汛期和后汛期杂波LDR均在-5～-10 dB出现高频中心，并有2个次峰值，非汛期高频区与汛期大致相同，但是分布相对更加分散。多个相对独立的高频分布中心，可能对应着不同种类的目标物的回波特征，如气溶胶和昆虫等。

图2 杂波Z和LDR分布

3 低云回波特征

根据2.1节的结果可知杂波主要分布在3 km以下的低层，主要为低云分布的区域。因此本研究选取了天空有低云存在时毫米波云雷达3 km以下的回波数据进行分析。

由图3可知，有低云时3 km以下的回波分为两个部分，为Z分别大致低于和高于-10 dBz的类型A和B。类型A退偏振比LDR为-25～10 dB，并且LDR和Z呈现较为明显的线性关系。回波高频区是Z为-15～-20 dBz、LDR为-5～-10 dB的区域。类型A的特征与杂波的分布特征不仅是分布范围还是高频中心均（图2）高度重合，可以判断类型A为杂波信号。

类型B为Z＞-10 dBz，LDR介于-10～-30 dB之间，回波高频区是Z为20～40 dBz，LDR为-20～-25 dB的区域。类型B的Z比类型A明显增大，根据已有研究，云雷达的云回波强度基本在-10～5 dBz以上，而非云回波大多在-10 dBz以下［15］。云雷达杂波主要在3 km以下，对3 km以上回波数据进行统计发现，有99%以上Z＞-5 dBz，98%以上LDR＜-10 dB。类型B的回波特征与云回波高度重合，因此类型B为云回波。前汛期和后汛期云回波强度较大，这说明云层较厚或云滴密度较大，可能是因为汛期的云层多为降水云。非汛期的云回波强度较汛期偏弱，可能是因为非汛期的云大都为相对较薄非降水云，云滴数密度小且粒子半径小。

图3 有低云时3 km以下回波Z和LDR的分布

4 质控阈值及应用

通过第3章分析可知，与云回波相比，杂波的Z偏小、LDR偏大。因此结合Z和LDR即可滤除大部分杂波并保留云回波。针对杂波在各个季节特点，本研究分别制定了滤波阈值：前汛期，当Z＜-5 dBz且LDR＞-10 dB时，则视为杂波；后汛期，当Z＜-10 dBz且LDR＞-10 dB时，则视为杂波；非汛期，当Z＜-5 dBz且LDR＞-15 dB时，则视为杂波；

为检验滤波效果，将该方法应用到所有的晴空回波中，结果显示，质控后约96%杂波被滤除，滤波效果较好。

图4 为毫米波云雷达2020年10月28日质控前后回波强度Z。由图4可见，质控前地面附近和2 km左右高度存在几乎全天持续且强度基本不变的杂波，质控后地面附近的杂波基本被滤除，个别孤立杂波点也得到较好控制。中午和傍晚前后有云层发展时导致云回波和杂波混杂时，该算法能够较好识别出杂波。可见，该滤波方法能滤除杂波并较好保留云回波。图4中某些高度有一些裂缝是云雷达在不同高度采用不同观测模式输出的结果，而观测模式参数存在一定差异所致。

图4 2020年10月28日番禺毫米波云雷达质控前（a）和质控后（b）回波强度分布

5 结论

本研究通过统计对比毫米波云雷达杂波和云回波的数据特征，根据两者回波强度Z和退偏振比LDR的差异制定了一套滤波方法进行滤波质控，结果表明：

1）毫米波云雷达的杂波主要出现在3 km以下的低层，尤其是1 km以下的近地层。杂波有98%的Z分布在3 km以下，其中72%在1 km以下，89%的杂波LDR在1 km以下。杂波在非汛期数量最多，约占总数的64%，后汛期占21%，前汛期出现概率最低。

2）杂波Z较小，LDR较大，两者存在线性关系。杂波90%以上Z＜-10 dBz，高频区间为-15～-20 dBz。LDR分布在-40～20 dB，约86%的LDR＞-20 dB。前汛期和后汛期均在-5～-10 dB出现峰值中心，并伴有两个次峰值。LDR在非汛期与汛期分布大致相同，但分布更加分散。

3）相比杂波来说云回波Z较大，LDR较小。有低云时云雷达回波有两个相对独立的部分，分别对应杂波和低云回波。低云回波频率峰值区间是Z为20～40 dBz，LDR为-20～-25 dB。3 km以上中高云的在各个季节均有99%以上的Z＞-5 dBz，98%以上的LDR＜-10 dB。

基于杂波和云回波的回波特征，本研究开发了一种滤波质控方法。应用结果表明，该方法对晴空杂波滤除率约96%，而在天空有云条件下能够滤除近地层连续的悬浮杂波并较好地保留云回波，对于一些孤立的悬浮杂波也能较好地滤除。