《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》 编制说明

气象行业标准《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》编制说明一、工作简况1.任务来源本标准由全国人工影响天气标准化技术委员会(SAC/TC538)提出并归口。中国气象局政策法规司于2021年10月20日下达2022年气象行业标准制修订及标准预研究项目计划（气法函〔2021〕36号），明确了本标准《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》（项目编号B-2022-002）的编写任务。2.标准起草单位北京市人工影响天气中心，北京城市气象研究院，中国科学院大气物理研究所，贵州省人工影响天气办公室。3.主要工作过程（1）2020年12月北京市人工影响天气中心牵头召开了行业标准申报工作讨论会，确定申报《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》。（2）2021年6月参加2021-2022年度人工影响天气领域气象行业标准评审答辩会，并通过立项答辩。（3）2021年10月下达标准编制任务后，随即成立项目编写小组，开始标准前期资料收集和调研工作。通过现有国内外X波段双线偏振雷达观测冰雹云的经验总结搭建了本标准的编写大纲。调研了国内利用X波段双线偏振雷达开展冰雹云识别的研究是试验进展，确定入选标准编写内容名单。2022年2月《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》编写组完成初稿编写和修订。4.标准主要起草人及其所做的工作本标准的主要起草人为陈羿辰，马建立，毕永恒，丁德平，黄梦宇，马新成，曾勇。其分工如下：陈羿辰负责标准总体设计及全面组织实施和送审把关。马建立负责标准中冰雹云判识部分内容编写和把关。毕永恒负责标准中X波段双线偏振雷达观测冰雹云时技术指标规范丁德平负责本标准的专家咨询及技术指导黄梦宇负责本标准的专家咨询及技术指导。马新成负责标准的修订探讨和把关。曾勇负责收集处理专家征求意见，文字通稿和校对。二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据1.原则（1）科学性原则本标准充分借鉴北京市人工影响天气中心2008-2022年、北京城市气象研究院2015-2022年、中国科学院大气物理研究所2006-2022年，贵州省人工影响天气办公室2017-2022年X波段双线偏振雷达的冰雹云观测方法和判识指标，同时广泛调研全国各地X波段双线偏振雷达冰雹云观测结果，高度提炼X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范中的共性内容，具有较高的科学性。（2）实用性原则气象行业标准《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》起草的目的是方便使用和规范应用，因此工作组在满足不同型号X波段双线偏振雷达对冰雹云观测需求的前提下，充分考虑国内实际情况，从标准便于实施的角度出发，对X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范内容进行了筛选提炼，以期实现经济有效地满足需求。本标准可用来指导全国X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范工作。（3）协调性原则由于X波段双线偏振雷达型号较多，冰雹云观测和判识技术各地均有差异，而且全国充分应用X波段双线偏振雷达观测冰雹云的人影单位较少，且自主冰雹云判识标准缺乏，主要借鉴极少单位研究成果，而北京市人工影响天气中心的经验和技术已经得到普遍认可，所以北京几家单位为基础，充分考虑各设备差异和冰雹地域差异，基本可以平衡了各方矛盾，突出了本标准的综合效果。（4）规范性原则本标准制定根据《中华人民共和国国家标准化法》、《中华人民共和国标准化法实施条例》及有关法规、规章，按GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》、GB/T1.2—2020《标准化工作导则第2部分：标准的制定方法》中的原则要求进行编写。2.确定本标准主要内容的依据本标准的主要内容为：X波段双线偏振雷达对冰雹云观测的基本参数设置、X波段双线偏振雷达数据质量控制方法、冰雹云判识方法、X波段偏振雷达对冰雹云的观测方法。本标准编写过程中重点参考了由北京市气象局苏德斌、马建立等发表的《X波段双线偏振雷达冰雹识别初步研究》、北京市人工影响天气中心陈羿辰等人发表的《利用双线偏振雷达分析人工防雹作业效果》和张培昌等撰写的《雷达气象学》等文章和著作。三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果按照本标准规范的内容，编写小组采用文献调研、借鉴国家人影中心业务要求和北京市人工影响天气中心13年、北京城市气象研究院8年、中国科学院大气物理研究所14年，贵州省人工影响天气办公室6年的X波段双线偏振雷达的冰雹云观测方法和经验完成标准制定工作，编写小组也收集国内外已发表的偏振雷达对冰雹云观测有关的方法和内容，并在研究分析有关方法和内容的基础上，提出适合我国X波段偏振雷达对冰雹云的判识标准。同时起草小组将于国内其它开展X波段偏振雷达对冰雹云观测的军地研究院所和各省人工影响天气中心进行技术交流讨论，参考不同单位的X波段双线偏振雷达对冰雹云观测经验，在仔细分析已完成的X波段双线偏振雷达对冰雹云观测不足的基础上总结完善，完成《X波段双线偏振雷达冰雹云观测和判识技术规范》的制定，为全国各地开展人工影响天气服务工作提供重要借鉴，并产生了特殊巨大的经济和社会效益。本标准可指导全国人工影响天气部门X波段双线偏振雷达冰雹云观测、X波段双线偏振雷达冰雹云识别、X波段双线偏振雷达人工防雹作业指挥、作业效果评估和冰雹云相关科学研究，也可为我国大型活动人工影响天气保障提供支撑，提高可操作性。具体分析如下：1、X波段双线偏振雷达数据质量控制和地物回波识别剔除为了准确开展X波段双线偏振雷达冰雹云判识，必须要先确保雷达数据质量，由于X波段雷达波长较短，必须对其反射率等参数开展衰减订正工作。由于地物回波在冰雹云判识过程中容易造成误判，所以也需要对地物回波识别和剔除。（1）ρHV衰减订正利用雷达输出的信噪比SNR订正ρHV，订正方式如下：dBZ=20lgr+SNR-10lg⁡(C/Pmin)SNR=dBZ-20lgr+Const;)Const=l0lg(C/Pmin；Const为雷达常数（由雷达厂家提供）SNRh=SNRv=SNR；（2）水平反射率和差分反射率衰减订正X波段双线偏振雷达水平反射率和差分反射率衰减订正采用差分相位（DP）订正方法，衰减订正公式如下：（C.1）（C.2）公式C.1和公式C.2中，和为雷达观测值，差分相位的初始值与方位角有关，雷达探测范围［0，r］内的差分相位：=-（C.3）差分相位衰减订正方法的关键是要确定系数ｃ和ｄ，系数会随着降水类型和降水微物理结构的不同而变化。通常C取值0.032，d取值为0.059。确定方法：X波段偏振雷达回波经过地物剔除后，从雷达径向第一个数据库开始寻找，连续7个距离库气象回波对应的的均值作为初始值。（3）地物回波识别剔除方法地物回波识别剔除，可以排除地物识别为冰雹的可能。常用的简易方法：径向速度绝对值小于1m/s,且ρHV<0.9,且Z纹理大于>4dBZ,且Zdr纹理>2dB,且φDP纹理>20°的回波剔除。但是该方法有一定的误判可能，因此本规范拟利用地物杂波和气象回波在偏振参量纹理特性上的差异，通过地物杂波和气象回波对应的参数范围构建模糊逻辑识别方法开展地物杂波识别与消除。其原理和识别方法如下：X波偏振雷达偏振参量（、、）相邻距离库标准差表达式如下：（A.1）式中C为需要计算标准差的距离库，N为选取求方差的距离库个数，X波段雷达，N=7。反射率、差分反射率、差分传播相移对应的、、以及四个参量地物杂波和气象回波模糊逻辑T型函数值取值区间如下：图A.1地物杂波和气象回波T隶属函数在用隶属函数数值代替实际测量之进行识别的时候，即是对贡献度的一种计算。如下式所示：（A.2）其中,Yj为回波类型（j=地物杂波，气象回波）,Xi为、、、四个参数,Ai为与j无关的第i个参数的权重系数,其范围在0～1之间,主要用于表征第i个参数在识别回波类型中的重要性，这里各个参量权重设置为1，视为等权重。Wj(Xi)为偏振雷达第i个参数针对回波类型而建立的隶属函数得到的概率值,M为用于进行回波类型识别的测量参数的个数，这里M=4。隶属函数采用不对称的梯形(T)函数为：（A.3（A.3）雷达某距离库实际获取的、、以及四个参量分别带入各自气象回波T型函数和地物杂波T型函数，在按公式A.2，得到气象回波概率Y气象回波,地物杂波概率Y地物杂波，如果Y气象回波>Y地物杂波,则该距离库为气象回波，否则为地物回波。2、X波段双线偏振雷达冰雹云判识方法X波段双线偏振多普勒天气雷达探测冰雹最典型的特征有两个：一是反射率Z大而相关系数低（Z>50dBZ,ρHV<0.9），二是回波图上出现“V”缺口。发射的电磁波经过冰雹区域，会发生衰减，可能导致电磁波被冰雹区域部分遮挡或是全部阻挡，部分遮挡使得电磁波非均匀填充，导致零相关系数（ρHV）降低，全部遮挡，将导致“V”回波型缺口。早期认为冰雹反射率Z大，差分反射率（ZDR）接近零的特征，具有片面性。干冰雹，且直径1.5cm具有Z大，ZDR接近零的特征，而湿冰雹不具备上述特征。湿冰雹直径小于1cm，ZDR值表现为大雨特征，值偏大，最大可达到5dB左右；随着湿冰雹直径增大，X波段雷达电磁波米散射效应增强，直径大于1.5cm融化的冰雹，ZDR值具有波动性，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可能为负值。不论干冰雹还是湿冰雹，随着冰雹直径的增加，米散射导致的后向散射相位δ增大，δ使得ρHV值变小，ρHV值小时是冰雹典型特征。当空中冰雹直径大、密度大时，X波段雷达电磁波会衰减完，雷达探测的参量PPI图上出现典型的“V”型缺口。因此冰雹参数和识别指标应该紧扣Z大、ρHV小，“V”缺口特征进行。3、X波段双线偏振雷达冰雹云观测方法 观测模式中9层体扫和14层体扫仰角角度设置引用[QX/T462—2018,5.2.2.2表1]，这也是比较科学的仰角设置，本规范中最重要的是在判识出冰雹云后，采用的14体扫+RHI观测模式。为了尽可能的提高雷达观测效率和观测精细化，因此冰雹云观测时采用高转速下的14层体扫，这样即可以方便后期分析时有较高的空间采样数据，同时也给RHI扫描预留了充足时间。RHI角度设置和方法分为人工设置和自动设置。人工设置时可以有比较大的自主权利，对后期分析有预期的设置RHI角度，具体方法是当雷达回波满足冰雹云判识指标之一时，可通过鼠标左键双击冰雹云位置（建议用户点击冰雹云区回波最强位置），则软件自动记录该位置的方位角度，记录为RHI1，根据识别冰雹云个数，可以在同一个体扫中多次点击，按照点击的时间顺序会分别记录为RHI2、RHI3、RHI4、RHI5，每次体扫不超过5个方位角设置。自动设置里面需要考虑的技术层面问题很多，为了简化，本规范明确在识别出冰雹云后，只进行一个角度的RHI扫描，具体的方法是在体扫时记录每一层仰角中识别出的冰雹时对应的方位角度和ZH，然后执行最大ZH对应的方位角度。不管是人工还是自动模式，仰角范围都需要遵循以下规则，这样可以完整的记录下云系的垂直结构。仰角度范围设置：1）当冰雹云中心距离雷达的距离小于雷达最大探测距离的二分之一时，俯仰角设置为：0°~90°；2）当冰雹云中心距离雷达的距离大于雷达最大探测距离的二分之一时，俯仰角设置为：0°~65°。四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况，或与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况本标准主要服务冰雹实时预警，冰雹落区预报以及防雹作业后，冰雹云宏微观变化等效果评估，没有可采