《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》 編制說(shuō)明

氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》編制說(shuō)明一、工作簡(jiǎn)況1.任務(wù)來(lái)源本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC538)提出并歸口。中國(guó)氣象局政策法規(guī)司于2021年10月20日下達(dá)2022年氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂及標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研究項(xiàng)目計(jì)劃（氣法函〔2021〕36號(hào)），明確了本標(biāo)準(zhǔn)《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》（項(xiàng)目編號(hào)B-2022-002）的編寫任務(wù)。2.標(biāo)準(zhǔn)起草單位北京市人工影響天氣中心，北京城市氣象研究院，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，貴州省人工影響天氣辦公室。3.主要工作過(guò)程（1）2020年12月北京市人工影響天氣中心牽頭召開(kāi)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)申報(bào)工作討論會(huì)，確定申報(bào)《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》。（2）2021年6月參加2021-2022年度人工影響天氣領(lǐng)域氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)審答辯會(huì)，并通過(guò)立項(xiàng)答辯。（3）2021年10月下達(dá)標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)后，隨即成立項(xiàng)目編寫小組，開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)前期資料收集和調(diào)研工作。通過(guò)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)冰雹云的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)搭建了本標(biāo)準(zhǔn)的編寫大綱。調(diào)研了國(guó)內(nèi)利用X波段雙線偏振雷達(dá)開(kāi)展冰雹云識(shí)別的研究是試驗(yàn)進(jìn)展，確定入選標(biāo)準(zhǔn)編寫內(nèi)容名單。2022年2月《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》編寫組完成初稿編寫和修訂。4.標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草人為陳羿辰，馬建立，畢永恒，丁德平，黃夢(mèng)宇，馬新成，曾勇。其分工如下：陳羿辰負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)總體設(shè)計(jì)及全面組織實(shí)施和送審把關(guān)。馬建立負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)中冰雹云判識(shí)部分內(nèi)容編寫和把關(guān)。畢永恒負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)中X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)冰雹云時(shí)技術(shù)指標(biāo)規(guī)范丁德平負(fù)責(zé)本標(biāo)準(zhǔn)的專家咨詢及技術(shù)指導(dǎo)黃夢(mèng)宇負(fù)責(zé)本標(biāo)準(zhǔn)的專家咨詢及技術(shù)指導(dǎo)。馬新成負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的修訂探討和把關(guān)。曾勇負(fù)責(zé)收集處理專家征求意見(jiàn)，文字通稿和校對(duì)。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)1.原則（1）科學(xué)性原則本標(biāo)準(zhǔn)充分借鑒北京市人工影響天氣中心2008-2022年、北京城市氣象研究院2015-2022年、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所2006-2022年，貴州省人工影響天氣辦公室2017-2022年X波段雙線偏振雷達(dá)的冰雹云觀測(cè)方法和判識(shí)指標(biāo)，同時(shí)廣泛調(diào)研全國(guó)各地X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)結(jié)果，高度提煉X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范中的共性內(nèi)容，具有較高的科學(xué)性。（2）實(shí)用性原則氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》起草的目的是方便使用和規(guī)范應(yīng)用，因此工作組在滿足不同型號(hào)X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)需求的前提下，充分考慮國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，從標(biāo)準(zhǔn)便于實(shí)施的角度出發(fā)，對(duì)X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行了篩選提煉，以期實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效地滿足需求。本標(biāo)準(zhǔn)可用來(lái)指導(dǎo)全國(guó)X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范工作。（3）協(xié)調(diào)性原則由于X波段雙線偏振雷達(dá)型號(hào)較多，冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)各地均有差異，而且全國(guó)充分應(yīng)用X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)冰雹云的人影單位較少，且自主冰雹云判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，主要借鑒極少單位研究成果，而北京市人工影響天氣中心的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，所以北京幾家單位為基礎(chǔ)，充分考慮各設(shè)備差異和冰雹地域差異，基本可以平衡了各方矛盾，突出了本標(biāo)準(zhǔn)的綜合效果。（4）規(guī)范性原則本標(biāo)準(zhǔn)制定根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化法》、《中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法實(shí)施條例》及有關(guān)法規(guī)、規(guī)章，按GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》、GB/T1.2—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第2部分：標(biāo)準(zhǔn)的制定方法》中的原則要求進(jìn)行編寫。2.確定本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容為：X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)的基本參數(shù)設(shè)置、X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、冰雹云判識(shí)方法、X波段偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云的觀測(cè)方法。本標(biāo)準(zhǔn)編寫過(guò)程中重點(diǎn)參考了由北京市氣象局蘇德斌、馬建立等發(fā)表的《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹識(shí)別初步研究》、北京市人工影響天氣中心陳羿辰等人發(fā)表的《利用雙線偏振雷達(dá)分析人工防雹作業(yè)效果》和張培昌等撰寫的《雷達(dá)氣象學(xué)》等文章和著作。三、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果按照本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的內(nèi)容，編寫小組采用文獻(xiàn)調(diào)研、借鑒國(guó)家人影中心業(yè)務(wù)要求和北京市人工影響天氣中心13年、北京城市氣象研究院8年、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所14年，貴州省人工影響天氣辦公室6年的X波段雙線偏振雷達(dá)的冰雹云觀測(cè)方法和經(jīng)驗(yàn)完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作，編寫小組也收集國(guó)內(nèi)外已發(fā)表的偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)有關(guān)的方法和內(nèi)容，并在研究分析有關(guān)方法和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出適合我國(guó)X波段偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云的判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)起草小組將于國(guó)內(nèi)其它開(kāi)展X波段偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)的軍地研究院所和各省人工影響天氣中心進(jìn)行技術(shù)交流討論，參考不同單位的X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在仔細(xì)分析已完成的X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云觀測(cè)不足的基礎(chǔ)上總結(jié)完善，完成《X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)和判識(shí)技術(shù)規(guī)范》的制定，為全國(guó)各地開(kāi)展人工影響天氣服務(wù)工作提供重要借鑒，并產(chǎn)生了特殊巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本標(biāo)準(zhǔn)可指導(dǎo)全國(guó)人工影響天氣部門X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)、X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云識(shí)別、X波段雙線偏振雷達(dá)人工防雹作業(yè)指揮、作業(yè)效果評(píng)估和冰雹云相關(guān)科學(xué)研究，也可為我國(guó)大型活動(dòng)人工影響天氣保障提供支撐，提高可操作性。具體分析如下：1、X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和地物回波識(shí)別剔除為了準(zhǔn)確開(kāi)展X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云判識(shí)，必須要先確保雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，由于X波段雷達(dá)波長(zhǎng)較短，必須對(duì)其反射率等參數(shù)開(kāi)展衰減訂正工作。由于地物回波在冰雹云判識(shí)過(guò)程中容易造成誤判，所以也需要對(duì)地物回波識(shí)別和剔除。（1）ρHV衰減訂正利用雷達(dá)輸出的信噪比SNR訂正ρHV，訂正方式如下：dBZ=20lgr+SNR-10lg?(C/Pmin)SNR=dBZ-20lgr+Const;)Const=l0lg(C/Pmin；Const為雷達(dá)常數(shù)（由雷達(dá)廠家提供）SNRh=SNRv=SNR；（2）水平反射率和差分反射率衰減訂正X波段雙線偏振雷達(dá)水平反射率和差分反射率衰減訂正采用差分相位（DP）訂正方法，衰減訂正公式如下：（C.1）（C.2）公式C.1和公式C.2中，和為雷達(dá)觀測(cè)值，差分相位的初始值與方位角有關(guān)，雷達(dá)探測(cè)范圍［0，r］內(nèi)的差分相位：=-（C.3）差分相位衰減訂正方法的關(guān)鍵是要確定系數(shù)ｃ和ｄ，系數(shù)會(huì)隨著降水類型和降水微物理結(jié)構(gòu)的不同而變化。通常C取值0.032，d取值為0.059。確定方法：X波段偏振雷達(dá)回波經(jīng)過(guò)地物剔除后，從雷達(dá)徑向第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始尋找，連續(xù)7個(gè)距離庫(kù)氣象回波對(duì)應(yīng)的的均值作為初始值。（3）地物回波識(shí)別剔除方法地物回波識(shí)別剔除，可以排除地物識(shí)別為冰雹的可能。常用的簡(jiǎn)易方法：徑向速度絕對(duì)值小于1m/s,且ρHV<0.9,且Z紋理大于>4dBZ,且Zdr紋理>2dB,且φDP紋理>20°的回波剔除。但是該方法有一定的誤判可能，因此本規(guī)范擬利用地物雜波和氣象回波在偏振參量紋理特性上的差異，通過(guò)地物雜波和氣象回波對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍構(gòu)建模糊邏輯識(shí)別方法開(kāi)展地物雜波識(shí)別與消除。其原理和識(shí)別方法如下：X波偏振雷達(dá)偏振參量（、、）相鄰距離庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)式如下：（A.1）式中C為需要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的距離庫(kù)，N為選取求方差的距離庫(kù)個(gè)數(shù)，X波段雷達(dá)，N=7。反射率、差分反射率、差分傳播相移對(duì)應(yīng)的、、以及四個(gè)參量地物雜波和氣象回波模糊邏輯T型函數(shù)值取值區(qū)間如下：圖A.1地物雜波和氣象回波T隸屬函數(shù)在用隸屬函數(shù)數(shù)值代替實(shí)際測(cè)量之進(jìn)行識(shí)別的時(shí)候，即是對(duì)貢獻(xiàn)度的一種計(jì)算。如下式所示：（A.2）其中,Yj為回波類型（j=地物雜波，氣象回波）,Xi為、、、四個(gè)參數(shù),Ai為與j無(wú)關(guān)的第i個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù),其范圍在0～1之間,主要用于表征第i個(gè)參數(shù)在識(shí)別回波類型中的重要性，這里各個(gè)參量權(quán)重設(shè)置為1，視為等權(quán)重。Wj(Xi)為偏振雷達(dá)第i個(gè)參數(shù)針對(duì)回波類型而建立的隸屬函數(shù)得到的概率值,M為用于進(jìn)行回波類型識(shí)別的測(cè)量參數(shù)的個(gè)數(shù)，這里M=4。隸屬函數(shù)采用不對(duì)稱的梯形(T)函數(shù)為：（A.3（A.3）雷達(dá)某距離庫(kù)實(shí)際獲取的、、以及四個(gè)參量分別帶入各自氣象回波T型函數(shù)和地物雜波T型函數(shù)，在按公式A.2，得到氣象回波概率Y氣象回波,地物雜波概率Y地物雜波，如果Y氣象回波>Y地物雜波,則該距離庫(kù)為氣象回波，否則為地物回波。2、X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云判識(shí)方法X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)冰雹最典型的特征有兩個(gè)：一是反射率Z大而相關(guān)系數(shù)低（Z>50dBZ,ρHV<0.9），二是回波圖上出現(xiàn)“V”缺口。發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)冰雹區(qū)域，會(huì)發(fā)生衰減，可能導(dǎo)致電磁波被冰雹區(qū)域部分遮擋或是全部阻擋，部分遮擋使得電磁波非均勻填充，導(dǎo)致零相關(guān)系數(shù)（ρHV）降低，全部遮擋，將導(dǎo)致“V”回波型缺口。早期認(rèn)為冰雹反射率Z大，差分反射率（ZDR）接近零的特征，具有片面性。干冰雹，且直徑1.5cm具有Z大，ZDR接近零的特征，而濕冰雹不具備上述特征。濕冰雹直徑小于1cm，ZDR值表現(xiàn)為大雨特征，值偏大，最大可達(dá)到5dB左右；隨著濕冰雹直徑增大，X波段雷達(dá)電磁波米散射效應(yīng)增強(qiáng)，直徑大于1.5cm融化的冰雹，ZDR值具有波動(dòng)性，值可能大于2dB，也可能小于-2dB；水平取向的冰雹，ZDR可能是正值，垂直取向的冰雹，ZDR可能為負(fù)值。不論干冰雹還是濕冰雹，隨著冰雹直徑的增加，米散射導(dǎo)致的后向散射相位δ增大，δ使得ρHV值變小，ρHV值小時(shí)是冰雹典型特征。當(dāng)空中冰雹直徑大、密度大時(shí)，X波段雷達(dá)電磁波會(huì)衰減完，雷達(dá)探測(cè)的參量PPI圖上出現(xiàn)典型的“V”型缺口。因此冰雹參數(shù)和識(shí)別指標(biāo)應(yīng)該緊扣Z大、ρHV小，“V”缺口特征進(jìn)行。3、X波段雙線偏振雷達(dá)冰雹云觀測(cè)方法 觀測(cè)模式中9層體掃和14層體掃仰角角度設(shè)置引用[QX/T462—2018,5.2.2.2表1]，這也是比較科學(xué)的仰角設(shè)置，本規(guī)范中最重要的是在判識(shí)出冰雹云后，采用的14體掃+RHI觀測(cè)模式。為了盡可能的提高雷達(dá)觀測(cè)效率和觀測(cè)精細(xì)化，因此冰雹云觀測(cè)時(shí)采用高轉(zhuǎn)速下的14層體掃，這樣即可以方便后期分析時(shí)有較高的空間采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)也給RHI掃描預(yù)留了充足時(shí)間。RHI角度設(shè)置和方法分為人工設(shè)置和自動(dòng)設(shè)置。人工設(shè)置時(shí)可以有比較大的自主權(quán)利，對(duì)后期分析有預(yù)期的設(shè)置RHI角度，具體方法是當(dāng)雷達(dá)回波滿足冰雹云判識(shí)指標(biāo)之一時(shí)，可通過(guò)鼠標(biāo)左鍵雙擊冰雹云位置（建議用戶點(diǎn)擊冰雹云區(qū)回波最強(qiáng)位置），則軟件自動(dòng)記錄該位置的方位角度，記錄為RHI1，根據(jù)識(shí)別冰雹云個(gè)數(shù)，可以在同一個(gè)體掃中多次點(diǎn)擊，按照點(diǎn)擊的時(shí)間順序會(huì)分別記錄為RHI2、RHI3、RHI4、RHI5，每次體掃不超過(guò)5個(gè)方位角設(shè)置。自動(dòng)設(shè)置里面需要考慮的技術(shù)層面問(wèn)題很多，為了簡(jiǎn)化，本規(guī)范明確在識(shí)別出冰雹云后，只進(jìn)行一個(gè)角度的RHI掃描，具體的方法是在體掃時(shí)記錄每一層仰角中識(shí)別出的冰雹時(shí)對(duì)應(yīng)的方位角度和ZH，然后執(zhí)行最大ZH對(duì)應(yīng)的方位角度。不管是人工還是自動(dòng)模式，仰角范圍都需要遵循以下規(guī)則，這樣可以完整的記錄下云系的垂直結(jié)構(gòu)。仰角度范圍設(shè)置：1）當(dāng)冰雹云中心距離雷達(dá)的距離小于雷達(dá)最大探測(cè)距離的二分之一時(shí)，俯仰角設(shè)置為：0°~90°；2）當(dāng)冰雹云中心距離雷達(dá)的距離大于雷達(dá)最大探測(cè)距離的二分之一時(shí)，俯仰角設(shè)置為：0°~65°。四、采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的程度，以及與國(guó)際、國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對(duì)比情況，或與測(cè)試的國(guó)外樣品、樣機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比情況本標(biāo)準(zhǔn)主要服務(wù)冰雹實(shí)時(shí)預(yù)警，冰雹落區(qū)預(yù)報(bào)以及防雹作業(yè)后，冰雹云宏微觀變化等效果評(píng)估，沒(méi)有可采