新一代多普勒天气雷达数据处理中频域滤波技术的研究

第４ｌ卷第６期　天　津　科　技　、，ｏ１．４ｌ　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２０１４　２０１４年６月　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　科学观察　新一代多普勒天气雷达数据处理中频域滤波技术的研究　庄　庭，吕江津　（天津市滨海新区气象局摘天津３００４５７）　要：多普勒天气雷达的基数据主要由气象回波和地物杂波组成，地物杂波过多就会严重损害雷达基数据的精确　性，因而多普勒气象雷达想获得质量高的数据产品就必须抑制地物杂波。探讨了如何使用频域滤波技术提高多普勒　天气雷达数据质量的问题。　关键词：频域滤波时域滤波地物杂波　自适应高斯滤波器　中图分类号：Ｐ４１５．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６．８９４５（２０１４）０６—００６８．０３　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｆｉｌｔｅｒ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒａｄａｒ　ＺＨＵＡＮＧ　Ｔｉｎｇ，ＬＶ　Ｊｉａｎｇｊｉｎ　（Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｂｉｎｈａｉ　Ｎｅｗ　Ａｒｅａ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４５７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｒａｄａｒ－ｂａｓｅｄ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｃｈｏｅｓ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｃｌｕｔｔｅｒｓ，ｗｈｉｌｅ　ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｃｌｕｔｔｅｒｓ　ｐｏｓｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｄａｔａ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｇｒｏｕｎｄ　ｃｌｕｔｔｅｒｓ　ｈａｖｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｂａｓｅ　ｄａｔａ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｒａｄａｒ　ｄａｔａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｇｒｏｕｎｄ　ｃｌｕｔｔｅｒ；ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—　ｄｏｍａｉｎ　ｆｉ１ｔｅｒ　反射率产品是目前多普勒天气雷达应用最普遍　的产品之一，超折射回波、地物杂波和大面积距离重　合是雷达反射率产品的主要影响因素。对于多普勒　天气雷达来说，地物回波一般是指雷达０．５。仰角运　转时探测到的山脉和建筑物等非气象固定目标。超　折射现象一般发生于一些特殊的气象条件，如：大气　层存在逆温并且湿度随高度递减、湿度随高度锐减等　情况，大气折射把雷达波束的传播弯曲到地面，这时　１　超折射回波的成因及抑制　大气的温、压、湿等气象因素随着高度的增加会　出现不同程度的改变。这些因子都是影响电磁波在　大气中传播状态的主要因素，会导致折射指数因高度　变化而出现变化，使雷达脉冲波向上发射时行进过程　出现弯曲。其情况可大致分成标准折射、临界折射、　超折射、负折射和零折射（见图１）。在雷达业务运行　过程中，超折射现象是比较普遍的。　３种气象条件容易形成超折射现象，并依据其进　行分类：①辐射超折射；②平流超折射；③雷暴超　折射。　就会在雷达反射率产品中产生超折射回波。当出现　超折射现象时，在雷达反射率产品中表现出来的是地　物杂波存在区域大了许多，同时雷达回波的反射率强　度也大大增强。因此，当某个地区的地物杂波和气象　回波混杂在一起的时候，将使雷达反射率产品在该地　区显示的反射率强度大大增强，严重影响天气预报的　准确性。　静止不动的地物目标是影响雷达产品质量的非　气象目标杂波能量的主要来源。由于地物目标一般　都是不会动的，径向速度为零，但在尼奎斯特速度区　间范围内，真实气象目标的径向速度值随处都可能出　收稿日期：２０１４．０５．０９　２０１４年６月　王建华等：渤海风暴潮研究进展简介　・７３・　４结语与展望　综上所述，近年来在渤海风暴潮的类型、主要影　响因子等方面的研究取得了很多新的进展，研究结果　不仅对于认识大气运动和海洋运动的特征和规律十　分重要，而且对于提高和改进数值天气预报模式具有　重要意义。因此，通过加强风暴潮统计研究和海上及　港口观测科学试验，充分利用现有的常规和非常规观　测资料以及数值模拟与诊断分析技术，比较分析相同　的风暴潮过程对不同海区和港口产生的不同影响，深　入探讨风暴潮的发生机制等，将丰富渤海风暴潮的研　上接第７０页　究结果，提高对渤海风暴潮的预测能力以及风暴潮灾　害性天气预报水平。■　参考文献　［１］冯士榨．风暴潮的研究进展［Ｊ］．世界科技研究与发　展，１９９８，２０（４）：４４．４７．　［２］王月宾．渤海西岸致灾风暴潮的统计预报模型［Ｊ］．气　象，２００７，３３（９）：４０．４６．　［３］　于宜法，俞聿修．渤海天文．风暴潮数值模拟和一种多　年一遇极值水位的计算方法［Ｊ］．海洋学报，２００３：　２５（４）：１０．１７．　从表中可以得出下面结论：①自适应高斯频域滤　波技术抑制地物杂波的同时对真实气象回波几乎无　影响。②当真实天气回波被地物杂波污染后，自适应　高斯频域滤波可以有效削弱地物杂波，同时不损坏真　实天气回波信号。③当出现超折射现象时，自适应高　斯频域滤波对其滤波效果能达到６７　ｄＢｚ。④无论气　象条件如何多变，自适应高斯频域滤波对地物杂波的　滤波效果始终不变。　滤波效果。　使用地物杂波图是能否有效完成ＩＩＲ椭圆滤波　器滤波的关键，而使用自适应高斯频域滤波器进行滤　波时，完全无需地物杂波图，可以更好地滤除地物杂　波，同时不损坏真实天气回波信号。■　参考文献　［１］北京敏视达雷达有限公司．中国新一代多普勒天气雷　达用户手册（上、中、下）［ｚ］．　５结语　［２］刁秀广，朱君鉴，杨传凤，等．Ｃ１ＮＲＡＤ／ＳＡ雷达超折　射回波抑制技术分析与应用［Ｊ］＿气象科技，２００６，　３４（５）：６２０．６２３．　自适应高斯频域滤波器对地物杂波的滤波效果　非常好，且不损坏真实天气回波信号。在超折射回波　的抑制方面，ＩＩＲ椭圆滤波器对超折射回波无能为　力，而自适应高斯频域滤波器对于超折射回波的抑制　能力能达到６７　ｄＢｚ。因此从滤波器的滤波性能方面，　自适应高斯频域滤波器大大优于ＩＩＲ椭圆滤波器的　［３］何建新，王旭，刘艳．自适应高斯频域滤波器在天气　雷达中的应用［Ｊ］．气象，２０１０，３６（６）：１１７－１２１．　［４］　刘艳．多普勒天气雷达地物杂波时域和频域抑制研究　［Ｄ］．成都：成都信息工程学院，２００７：１５．１６，３８－　４４