基于微波鏈路的雷達回波雨衰訂正方法和試驗研究

中圖分類號：TN959.4 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）05-0016-03

Abstract：Mostof the weather radars used incivil aviationare C-band，therefore，toavoid the impact of raininduced echo attenuation inradar detection，usualy，the weather radar echo atenuation correction is required before used.For a civilaviation weather radar serving in Guangzhou Baiyun Airport，aradarechoatenuation correction model is formulatedbyusing the microwave linkwhichbuiltalong theradarradial，andanexperimentof heradar echo attenuation correction method ofcivil weather radar is present.Byanalyzing a cases of convective weather， the correction efect for precipitation is analyzed based onrain gauges.Therain intensity estimation result shows that the radar echo attenuation correction model based onthe microwave link is able toreconstruct the intensityofrain gauges reasonably，therefore，the methodof microwave link assted weatherradar tocorrect echoatenuation can be applied to C-band Doppler weather radarof civil aviation.

Keywords： microwave link; weather radar; radar echo attenuation correction

0 引言

民航所用氣象探測雷達多為C波段多普勒天氣雷達，因波長較短，其時空分辨率和探測靈敏度均高于S波段天氣雷達，但同時，短波長雷達在探測強降水時，會因雨致衰減而容易造成雷達回波過低，如不加以合理訂正則無法正常進行業務應用。

目前，應用最廣泛的雨衰訂正方法大多基于雷達回波衰減量A與雷達反射率因子Z的關系解析式，即A -Z關系：

該方法假設雷達第一個距離庫不受雨致衰減影響的前提下，通過式（1）前向逐庫迭代計算路徑累積衰減A來實現雷達回波訂正，這種算法被稱為H-B解析算法，此算法缺陷在于訂正結果不穩定。為了規避上述算法的缺陷，后續的雨衰訂正思路一般在此基礎上引入路徑距離已知的其他衰減參考對象，并假設其路徑累積衰減A也是已知的，以此作為訂正結果

的約束[1-5]。

微波鏈路雨衰訂正方法

根據H-B解析算法可知，雷達回波雨衰減訂正算法的核心技術為確定反射率因子雙程路徑累積衰減量，將該處雷達測量的反射率因子 與衰減量A相加，即為該處訂正后的反射率因子Z訂正后。

分析式（1）可知，α和β分別為經驗回歸系數，其數值決定著衰減量A與反射率因子Z的關系形式。因此，可以通過建立一條微波鏈路作為雨衰參考對象，根據其信號衰減量A微波模擬出最符合當前降雨程度的最優解a和 β 。

假設微波鏈路測得的鏈路累積衰減量為 ，則此時根據式（1）可得到相同路徑下的由經驗關系計算的路徑累積衰減量 A⊥ ，則兩種方法得到的路徑累積衰減量之間的殘差項 σ 表達式如下：

其中，由于微波鏈路測得路徑累積衰減量僅為單程，假設微波鏈路中雨滴譜分布均勻的條件下可認為其發射和接收之間的衰減量相同。

根據式（2），將微波鏈路測量的鏈路衰減量認為是真值，為節約算法時間，本文將衰減系數a和β的預設范圍選為 [10^-5，10^-3] 和[0.7，1.1]，步長分別設為 10^-4 和0.1，通過不斷調整式（1）中的經驗回歸系數a和 β ，使得式（2）中的殘差項最小時，可認為此時的經驗回歸系數 和β最符合當前降雨分布。

同時為避免訂正過度，算法模型還增加了單庫衰減約束 r和路徑累積衰減約束 A_max ，根據經驗參考，對于C波段雷達其約束閾值可確定如下：

本文選取與本場C波段天氣雷達中心頻率5.59GHz相近的5.18GHz微波頻率，因此最后參與訂正的衰減量A，還需經過式（4）轉換：

A_5.59GHz=1.08A_5.18GHz

2 基于微波鏈路的雷達回波雨衰訂正 試驗

2.1試驗方案設計

本文中所搭建微波鏈路，采用的發射頻率為5.18GHz的定向天線，其發射端位于雷達塔，雷達塔距白云機場約 3.9km ，接收端位于距雷達塔西北側 3.2km 處。發射端與接收端高度相差17m ，因此可以近似為水平發射。鏈路采樣間隔為 15s ，為匹配雷達數據采樣，將鏈路采樣數據做 ?5min 滑動平均處理。

試驗所用雷達為 5.59GHz 頻率的民航C波段天氣雷達，該雷達位于白云國際機場西北方向 3.9km ，雷達體掃數據時間間隔為 5min 為匹配微波鏈路，選用低仰角 1.2^° PPI數據作為匹配樣本。

試驗選取北京時2023年7月17日至18日經過微波鏈路一次降雨過程。如圖1所示，在北京時7月18日11：00＼～14：00，經過微波鏈路的最大反射率因子值可達到57dBZ，并且在微波鏈路接收端（即，距雷達塔西北側 3.2km 處）最大反射率因子值為47dBZ，表明該時間段內出現大到暴雨。

訂正前

在微波鏈路接收端附件，配有雨量計，采樣時間為1min，分辨率為 0.1mm ，同樣，為匹配數據，再進行試驗前需要將數據做 5min 滑動平均處理。

2.2數據個例收集

通過文中所述構建微波鏈路雨衰訂正模型，如圖2所示，可得到微波鏈路轉換后的路徑累積衰減量A_5，59GHz ，通過對比相同時間段內的雨量計實測累積雨量與路徑累積衰減量 A_5.59GHz 可以發現：在雨量計顯示的降雨時段內，微波鏈路存在明顯衰減，當降雨強度越大時，其衰減也越明顯。同時，由于雨量計僅代表單點降雨，而微波鏈路代表路徑累積降雨，因此在單站雨量計的非降雨時段微波鏈路也會存在衰減，從而可驗證本文所構建的微波鏈路雨衰訂正模型的合理性。

3 基于微波鏈路的雨衰訂正試驗結果分析

3.1訂正結果分析

圖3為上述個例降雨強度下沿微波鏈路的路徑累積訂正結果對比，從中分析發現，在降雨時段，算法對雷達回波進行了衰減訂正，且其最大衰減訂正量達到

7dB。衰減訂正量隨時間的變化的分布符合樣例中對流性降雨經過該區域又離開該區域的變化特征，訂正量大小也符合C波段雷達在不同降雨類型下回波強度衰減特征[]。

3.2訂正效果分析

為驗證此次訂正效果，本文通過初步雨強估計與雨量計實測結果進行比較分析。由于在微波鏈路接收端附近同步設有雨量計，因此利用常用反射率因子與雨強 （Z-I） 關系：

對訂正前后的微波鏈路接收端的雨強進行反演，從對比結果（見圖4）可以看出：訂正前后雨強估計結果相差較大，訂正前最大雨強僅為約 32mm/h 與訂正后的 82mm/h 相差 50mm ，說明此處在訂正前存在明顯低估，而訂正后的雨強結果則與雨量計實測雨強結果更為相近。同時可以發現由雷達反射率因子估計的雨強隨時間的變化與雨量計實測雨強變化相比存在約 5～6min 的滯后，這是由于天氣雷達數據收集時間與雨量計數據收集時間原理不一致所造成的。

試驗結論與討論

從訂正前后結果對比可發現：對于大到暴雨的對流性降水，其衰減訂正效果十分明顯，同時訂正后的雷達回波估測的降雨強度與雨量計實測結果更趨于一致。

而通過雨強反演，并與實測雨量計雨強對比可以看出：即使在Z-關系不夠精準的情況下，對雨強的低估能夠通過本文所構建的微波鏈路雨衰訂正模型進行有效且合理的補償，并且補償的結果更符合雨量計實測結果，變化趨勢也更為一致，這表明相比僅靠固定經驗關系式進行C波段天氣雷達雨衰訂正的方法，基于微波鏈路的雨衰訂正方法不僅能夠自適應且有效地進行衰減訂正，從而驗證了本文研究的衰減訂正方法可以貼合當前降雨狀態，進一步提高C波段天氣雷達衰減訂正結果的準確性和可靠性，有效避免了常規逐庫訂正方法的不穩定性問題。

對于國內民航機場尤其大型機場，實際也覆蓋有許多點對點微波通信鏈路。研究結果表明，發揮微波鏈路的優勢可彌補機場雨量計觀測站點密度低對民航C波段多普勒天氣雷達衰減訂正技術發展的局限性。

參考文獻

[1]姜世泰，高太長，劉西川，等.基于微波鏈路的降雨場反演方法研究[J].物理學報，2013，62（15）：241-248.

[2]印敏，姜世泰，高太長，等.微波雨衰特性在降雨測量中的應用[J].氣象科技，2015，43（01）：1-7.

[3]高太長，宋堃，劉西川，等.基于微波鏈路的路徑雨強反演方法及實驗研究[J].物理學報，2015，64（17）：162-170.

[4]薛楊，劉西川，高太長，等.基于微波鏈路的雷達回波衰減訂正個例分析[J].氣象科技，2017，45（05）：787-794.

[5]張鵬，劉西川，周則明，等.基于實測雨滴譜數據的微波鏈路和天氣雷達降水估計關系研究[J].氣象，2021，47（07）：843-853.

[6]劉雨佳，陳洪濱，朱君鑒.山東省S波段與C波段天氣雷達回波強度的對比分析[J].氣象科學，2014，34（01）：87-95