曾 勇，李怀志，罗 雄，张小娟，李 皓

（1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081）

双偏振天气雷达是近些年发展起来的新探测技术，在灾情天气精细化监测、定量估测降水、云体水凝物相态识别等方面较单偏振天气雷达更具优势[1]。目前双偏振天气雷达主要有S 波段（10 cm）、C 波段（5 cm）和X波段（3 cm）3 种类型，其中X 波段双偏振天气雷达因其体积小、探测分辨率高以及价格低廉等优势在强对流天气监测预警、人工影响天气等方面得到广泛应用。

双偏振天气雷达能够交替（同时）发射和接收水平和垂直偏振电磁波，其探测产品较单偏振天气雷达更加丰富。差分传播相移（φDP）和差分传播相移率（KDP）是双偏振天气雷达重要观测参量，其在降水估测和粒子相态识别方面具有较大优势[2-5]。同时，不受雷达系统标定、没有雨区衰减效应和波束遮挡、对雨滴谱分布变化不敏感等优势，利用KDP进行雷达反射率衰减订正较利用Z-R 关系进行衰减订正更加精准。

研究发现，X 波段双偏振天气雷达的KDP值分别是C 波段、S 波段雷达的1.0 倍和3.0 倍，这是利用KDP进行衰减订正的另一个优势[6]。但是KDP仍然存在一定局限性，主要表现在雷达发射电磁波经历强降水区或冰水混合区时，水平和垂直方向的电磁波会形成差分散射相移，此时雷达所测量到的差相移由差分传播相移（φDP）和后向差分散射相移（δ）组成，然而KDP是由差分传播相移估算而得，δ 的出现将影响φDP数据质量，进而影响KDP的计算结果[7-10]。因此，针对进行质量控制，滤除所附带的噪声信号对提高雷达反射率衰减订正准确率、降水估测精度等具有重要意义。

本文基于贵州威宁X 波段双偏振天气雷达观测资料，对φDP分别采用滑动平均、中值滤波和综合小波3种方法进行滤波处理，以得到最佳φDP数据滤波方法，为其在后续气象反演产品中的应用提供良好数据支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选用贵州威宁雪山X 波段双偏振雷达和昭通新一代天气雷达数据，昭通新一代天气雷达位于103°43′11″E，27°21′9″N，海拔高度2 003.7 m。威宁雪山X 波段双偏振雷达位于104°5′13″E，27°3′18″N，海拔高度2 472 m。昭通新一代天气雷达为C 波段，其衰减基本可以忽略，作为雪山X 波段双偏振天气雷达衰减订正后的对比标准。个例数据选用2018 年5 月8 日贵州威宁县境内一次冰雹天气过程雷达观测资料。

1.2 研究方法

为获得对φDP的最佳滤波方法，本文分别采用滑动平均、中值滤波和综合小波3 种方法对φDP进行滤波处理，主要采用MATLAB 程序实现。公式（1）给出了φDP的计算公式：

ΨDP=φDP+δ， （1）

其中，ΨDP为探测到的总差分传播相移，包括差分传播相移φDP和后相差分传播相移δ，此处φDP为信号，δ 为噪声，是卡尔曼滤波处理对象。

滑动平均滤波方法是对一组非平稳数据进行局部平均处理，以减少噪声信号的随机起伏，通过对多个数据进行选定点数（阶数）的滑动平均处理，可以获得较为平滑的有效信号，进而将随机起伏的噪声信号去除，文中平滑阶数N 取13。

中值滤波是基于非线性的数字滤波技术，可以有效处理脉冲噪声。中值滤波原理主要采用一个奇数点的移动窗口将中心点的值用窗口内的中值代替，文中滤波窗口点数M 取13 点。

综合小波去噪核心在于小波变换，小波变换是针对时间和频率的局域变换，能够从信号中提取有效信息，并通过伸缩和平移等运算实现对函数或信号进行多尺度细化分析，能够解决傅里叶变换所不能解决的问题。综合小波去噪过程主要包括信号的小波分解、对细节信号的阈值选取和量化、信号的重构3 个步骤，具体方法见文献[11]，文中采用db5 小波函数。

2 差分传播相移滤波分析

首先进行退折叠处理，对雷达体每仰角对应PPI每一径向上距离库的φDP值进行检索，一旦检索到φDP数值递增累积值达到360°，对其后续距离库φDP的值加上360°，确保φDP在径向上的连续性，进而实现φDP的退折叠。完成φDP的退折叠后，再对φDP进行综合小波去噪处理，去除δ 效应产生的噪声。针对2019 年6 月11 日冰雹过程双偏振雷达0.5°仰角126°径向3 种滤波方法的滤波前后φDP距离廓线图如图1 所示。

图1 3 种滤波方法ФDP 滤波前后距离廓线

从图1 可以明显看出，φDP原始数据连续性较好，总体随距离的增加而呈上升趋势，和φDP的理论值变化一致。同时可以明显看出原始φDP存在大的波动和毛刺现象。通过滑动平均、中值滤波和综合小波滤波处理后，总体变化趋势与原始数据基本一致，原始数据中存在的毛刺现象得到了不同程度的抑制。其中滑动平均和中值滤波后φDP廓线变化脉动仍然大，且在距离较近处的有效信号变化趋势平滑较多。综合小波去噪在抑制信号毛刺的同时，在近距离处保留原始的主要变化趋势，数据的连续性和平滑度有了更好提升，滤波效果明显。

3 应用效果分析

利用综合小波去噪方法对φDP进行处理并用于雷达反射率衰减订正。如图2 所示，给出了一次冰雹过程强回波区域雪山双偏振雷达订正前后雷达组合反射率（CR）。从图2（b）和图2（c）矩形区域可以明显看出，经过反射率衰减订正过后回波强度变化明显，回波强度获得一定衰减补偿，45 dBz 以上回波范围有所展宽，雷达反射率更加接近真实情况。

图2 2018 年5 月8 日订正前后雷达组合反射率（CR）

4 结论

本文采用滑动平均、中值滤波和综合小波3 种方法对X 波段双偏振天气雷达差分传播相移φDP进行滤波分析，滤波结果表明：采用滑动平均、中值滤波和综合小波3 种方法对滤波处理均能在一定程度上消除φDP信号的脉动和毛刺。但采用综合小波去噪在能够有效去除φDP存在的脉动和毛刺同时，更能保证φDP的连续性和平滑度，保留有效φDP值，滤波效果更加明显。利用综合小波去噪后应用于雷达反射率衰减订正，雷达反射率更加接近真实情况。