探究 C 波段多普勒雷达双 PRF 模式径向速度质量控制

引言

在中小尺度天气系统监测中，气流运动、识别风暴结构必须要有径向速度参数作为支持。C 波段多普勒雷达受波长限制，单 PRF 模式最大模糊速度难以满足强对流等场景探测需求，双 PRF 模式采用了高低品信号交替发射的方式，可将测速范围扩展至 75m/s 以上，能打破速度模糊限制。但在实际应用中，双 PRF 模式速度数据会受到解模糊错误、地物干扰、系统零漂、降水衰减等因素影响而出现失真情况，直接影响对阵风锋、台风环流等的精准判断。对此，针对双 PRF 模式搭建高精度径向速度质控体系，对提升气象数据可靠性、灾害天气预测精度有着重要意义。

一、双 PRF 模式径向速度的误差来源

1.解模糊算法误差

作为双 PRF 模式的核心步骤，解模糊误差会导致速度失真。如若 PRF回波强度差异较大时，模糊数计算偏差会导致解算速度偏离真实数值。同时，近地面电磁干扰、接收机噪声放大频偏差测量误差，信噪比小于 10dB时，解模糊失败率明显提升。

2.地物与 clutter 干扰

山脉、建筑物等静止目标为固定地物回波，其径向速度理论上为 0，但受到雷达系统误差的影响，也会出现非常小的虚假速度。而鸟群、昆虫、clutter 等，其速度特征和气象回波较为类似，判断难度更大，如鸟群速度为 5-10m/s ，与气象径向速度接近，容易被无判定为气流运动[1]。

3. 雷达系统误差

雷达的发射系统、接收系统如若存在相位偏差，就会造成径向速度整体偏移，偏差普遍在 ±0.5-1m/s 之间，因此需要定期对雷达发射/接收系统校准。同时，如若目标距离超过雷达最大不模糊距离时，回波位置被错误分配，也会增大实际速度、距离的偏移值。波束宽度也会产生影响，C 波段雷达波束宽度在 1°左右，远距离（ 100km ）波束覆盖范围在 1.7km 左右，如若波速内存在阵风锋等速度梯度，会平滑真实速度峰值。

4. 气象条件干扰

C 波段受到降水衰减影响较大，冰雹、暴雨等均会削弱远距离回波信号，降低信噪比，增大速度测量误差值。同时，近地面湍流会导致折射率不均，生成晴空回波情况，且速度随机变化，对边界层气流速度分析造成干扰。

二、双 PRF 模式径向速度质量控制方法

1. 解模糊结果验证与修正

可采用差值检验法、连续性检验、多仰角一致性验证。差值检验法中，高低 PRF 对应模糊速度为 ΔVh 和 Vl，理论上可满足 Vh-Vl=k×(2×Vm axl)（k 为整数，Vmaxl 为低 PRF 的不模糊速度）[2]。如若实际偏差不在该范围内，则判定解模糊失败，可使用相邻点速度差值、阈值限制加以修正。连续性检验中，气象回波速度在空间上为连续梯度形式，解模糊后一旦速度产生突变，则标定为可疑值，通过径向速度-距离图像加以修正。多仰角一致性验证中，针对同一目标、不同仰角径向速度的关联性进行分析，如若偏差较大，则要优先保留高仰角数据。

2. 非气象回波剔除

在剔除固定地物时，借助地物回波空间稳定性特点，通过长期统计构件地物掩膜，将掩膜中的速度值标 0 或无效。在偏振参数辅助识别中，双偏振雷达借助相关系数 ρhv 以及差分反射率 ZDR 区分非气象回波。通常非气象回波的 ρhv 小于 0.9，ZDR 波动为 ±1dB ；降水回波的ρhv 通常大于 0.95，ZDR 在 0-3dB 之间，根据该特点设定阈值。在速度谱宽筛选中，由于气象回波受到湍流影响存在 1-3m/s 的谱宽，非气象回波由于是静止物，谱宽一般不超过 0.5m/s ，可设定谱宽阈值方法剔除固定目标的虚假速度。

3. 系统误差校正

在速度零漂校正中，可采用晴空区的速度统计实现，晴空区理论速度为 0，若平均速度为 V0，则全区域速度统一减去 V0，也可以直接采用已知速度目标的回波，直接修正测量零漂值。距离折叠修正中，结合回波强度、距离间的关系，如若远距离出现强回波，则为距离折叠，根据 PRF 和距离对应关系重新分配速度所属距离库。波束填充校正中，对波束宽度内速度梯度给予补偿，采用距离加权平均法还原真实速度分布情况，特别是在强风暴中心速度峰值修正方面，更具优势。

4. 动态一致性与物理约束检查

风场切变限制，由于大气实际风速存在物理上限，如果 1km 相邻距离库速度差在 8m/s 以上，则将其判定为异常值，可采用滑动平均法进行平滑处理。地转风约束，3km 以上中高层风场与地转风接近，可采用探空资料计算地转风速，如若实际测量速度和地转风偏差在 10m/s 以上，则将其标记为异常值，对比探空数据对其调整。时间连续性检查，由于气象系统移动具有惯性特点，通过 5-10min 间隔的连续体扫，如若速度变化率达到 15m/s 以上，则进一步结合回波强度判断变化情况，排除因仪器突发故障造成的误差情况[3]。

结束语

综上所述，双 PRF 模式打破了单 PRF 模式 C 波段雷达突破速度模糊的限制，但该模式的径向速度质量会直接受到解模糊误差、非气象回波、系统误差等影响，导致径向速度产生偏差，对此需采用解模糊验证、非气象回波剔除、系统校正、物理约束等方法消除偏差，也要根据实际情况综合应用这些偏差消除方案，打造全流程控制链，用于提升径向速度检测的可靠性。实际应用中，应结合当地天气类型与地形条件灵活调节控制策略。针对复杂地形，则要重点关注地物掩膜与偏振参数识别；针对强对流场景，应重点采用解模糊修正与风场物理约束等方法。未来，随着科学技术不断发展，可通过多源融合与自适应算法，进一步强化双 PRF 模式的速度数据在中小尺度天气监测、灾害预警应于的核心作用，为气象决策提供高精度的风场信息。

参考文献

[1]左懂飞,杨玲,丁德平,等.机载降水云雷达的数据质量控制[J].成都信息工程大学学报,2022,37(05):544-550.

[2]张培昌,魏鸣,黄兴友,等.双线偏振多普勒天气雷达探测原理与应用 [M].气象出版社:201801.324.

[3]肖艳姣,万玉发,王志斌.多普勒天气雷达双 PRF 径向速度资料质量控 制[J].高原气象,2016,35(04):1112-1122.