GPM双频降水雷达雨型分类算法模块外文翻译资料

GPM双频降水雷达雨型分类算法模块

JUN AWAKA

Tokai University, Sapporo, Japan

MINDA LE AND V. CHANDRASEKAR

Colorado State University, Fort Collins, Colorado

NAOFUMI YOSHIDA AND TOMOHIKO HIGASHIUWATOKO

Remote Sensing Technology Center of Japan, Tsukuba, Japan

TAKUJI KUBOTA

Japan Aerospace Exploration Agency, Tsukuba, Japan

TOSHIO IGUCHI

National Institute of Information and Communications Technology, Koganei, Japan

(Manuscript received 12 January 2016, in final form 17 May 2016)

摘要：

全球降水测量（GPM）双频降水雷达（DPR）算法由模块组成。 本文描述了GPM DPR等级2（L2）分类（CSF）模块的版本4（V4），它由两个单频（SF）模块组成，即仅Ku和仅Ka模块， 双频（DF）模块。 每个CSF模块检测亮带（BB）并将雨分为三种主要类型，即层状，对流和其他类型。 Ku-only和Ka-only CSF模块使用类似于热带降雨测量任务（TRMM）雨型分类算法2A23的算法。 DF CSF模块采用一种称为测量双频比（DFRm）的新方法来进行雨型分类和BB检测。 结果表明，Ku统计的CSF模块和DF CSF模块在统计意义上产生了几乎不可区分的降雨类型数。 还显示了DF CSF模块中的DFRm方法改进了BB的检测。

1. 介绍

GPM核心天文台携带在Ku波段和Ka波段工作的双频降水雷达（DPR）（Kobayashi和Iguchi，2003; Kubota等，2014）。 雨型分类对于准确测量DPR降水率非常重要，因为反射系数Z和降水造成的衰减取决于降雨类型（如Battan 1973; Meneghini and Kozu 1990）。

在GPM DPR算法中，雨型分类是在三个分类（CSF）模块中进行的：两个单频（SF）模块 - 即Ku-only和Ka-only模块和一个双频（DF）模块。由于Ku波段雷达的电气特性与热带降雨测量任务（TRMM）Ku波段降水雷达（PR）非常相似，Ku-only CSF模块使用的算法流程类似于TRMM PR雨型分类算法2A23（Awaka等1997,1998,2007,2009），其检测亮带（Bright Band，BB）并将雨分为三种主要类型，即层状，对流和其他类型。层状雨很弱但广泛存在，并伴随着BB，其中固体颗粒在高空融化并变成雨滴。明亮的频带出现在零度层高度附近，并在雷达观测时返回强烈的回波。对流雨很强，但局部地区很小。另一种类型的雨特点是地表附近没有降雨，但高云区存在雷达回波。 Ka-only CSF模块是通过对Ku-only CSF模块进行必要的更改而开发的。与此相反，DF CSF模块采用了一种称为测量双频率比（DFRm）方法的新方法（Le和Chandrasekar 2013a，b），用于雨型分类和假定的熔化层（ML）的检测相当于层状雨情况下BB的检测。

本文介绍了CSF模块的最新版本，版本4（V4）代码的详细信息。 还显示了使用最近的V4数据获得的一些统计结果。

1. GPM DPR L2算法结构概述

有三种GPM DPR等级2（L2）算法：两种SF算法（Ku-only和Ka-only算法）和DF算法。 虽然这三种算法不同，但它们的数据流结构类似于图1所示。每种算法由准备（PRE）模块，垂直剖面（VER）模块，CSF模块，液滴大小分布（DSD） 模块，表面参考技术（SRT）模块和求解器（SLV）模块（Seto和Iguchi 2011,2015）。 本文的目的是给出CSF模块的详细描述。

在PRE模块中，从主瓣表面杂波中分离出雨回波，并排除旁瓣杂波后，做出降雨或不降雨决定。 在VER模块中，通过大气气体和水蒸气对所测量的反射率因子进行衰减校正。 在V模块中，零度等温线的高度也由日本气象厅（JMA）的全球分析数据（GANAL）估算。 在CSF模块中，进行BB和雨型分类的检测。 在DSD模块中，估计雨滴大小分布。 在SRT模块中，通过表面参考技术获得从雷达到表面的传播的总衰减。 最后，在SLV模块中，计算降雨率。

在单频算法中，也就是在Ku-only和Ka-Only算法中，从VER模块到SLV模块的过程重复两次，以获得对Z的可靠衰减校正。然而，在DF算法中， ，因为DF算法使用已经进行了可靠衰减校正的单频算法的输出，所以没有这样的重复。

图1 GPM DPR L2算法的数据流

1. 雨型CSF模块

CSF模块的主要目标与TRMM PR标准算法2A23类似，如下所示：

1. 检测BB
2. 雨型分为三大类
3. 探测弱降水

图2显示了每个CSF模块中雨型分类的概念。 图2a显示了Ku-only或Ka-only CSF模块的雨型分类流程，图2b显示了双频CSF模块的分类流程。 在CSF模块中，雨型分类是以像素为基础进行的。 因此，雨型在雷达波束上是相同的。 下面讨论每个CSF模块的一些细节。

1. Ku-only CSF模块

Ku-only CSF模块使用计算机代码，其逻辑与TRMM PR 2A23算法的逻辑类似; 即采用垂直剖面法（V法）和水平剖面法（H法）确定降雨类型。 在V方法中，首先进行BB的检测。 在BB检测之后，V方法将雨分为三类：层状，对流和其他类型。

BB的检测通过BB搜索窗口中的Z的峰值搜索来进行，该搜索窗口由在VER模块中使用GANAL数据估计的零度层等温线的高度来确定的。 BB搜索窗口从距零度层高度以上1公里至距零度层以下2公里处。 BB搜索窗口的这种选择基于经验性TRMM PR结果，统计上BB峰平均出现在零度层高度以下约0.5km处（Awaka et al。2009）。

当检测到BB时，BB的宽度（BBwidth）从BB的上部（BBtop）和下部边界（BBbottom）计算得出。 上限和下限通过检查反射率分布来确定。 BBbottom首先被确定，并且与Fabry和Zawadzki（1995）的定义类似。 BBtop是下一步确定的，其定义介于Fabry和Zawadzki（1995）和Klaassen（1988）之间。

在最低点，BBwidth是使用这个公式计算的：

其中rBBbottom gt;rBBtop，因为范围是从星载雷达测量到地球。

在其他天线波束方向上，BBwidth由以下经验公式计算（Awaka et al.2009）：

其中theta;是当地天顶角，rBBbottom和rBBtop是获得的最低外部雷达波束的数量，Lo是天线射束足迹的直径，F（lt;1）是经验校正因子（在源程序中F = 0.5）。

当检测到BB时，像素通常被认为是层状，但如果Z通过非降水（NP）粒子对衰减进行校正，在BB以下的值超过对流阈值（其被设置为39dBz），则其被归类为对流。的计算在VER模块中完成。 如果没有检测到BB，即如果在风暴顶部以下的超过对流阈值，则该像素被分类为对流; 否则，该像素被分类为其他。

在Ku-only CSF模块中，降雨类型也由H方法确定，该方法水平检查Z值. H方法基于华盛顿大学的对流/层状分离方法（Steiner等1995; Yuter和Houze 1997），我们将其称为原始H方法。然而，在实践中，对原始H方法的一些修改对于制作适合于分析星载雷达数据的方法是必要的。首先最重要的是，在H法中检验的不是在恒定高度上的Z值，而是沿着给定天线波束的Z值在从零度层以下1.5km到地表以上最低无杂波点的范围内的最大Z值。设表示如此获得的Z的最大值。在较冷的状态下（即当零度层下方1.5公里的高度下降低于无杂波的底部时），H方法使用无杂波底部的Z作为。如果给定像素的相对于周围像素的背景突出或超过预定阈值（对于Ku和Ka波段均为40dBZ），则该像素被视为对流中心，与对流中心相邻的像素也被归类为对流。如果值被认为是噪声，则该像素被分类为其他。如果降雨类型既不是对流也不是其他类型，则该像素被分类为层状。

图2 每个CSF模块的雨型分类概述：（a）Ku-only或Ka-only CSF模块和（b）DF CSF模块

除上述内容外，Ku-only CSF模块还可检测浅层雨和小单体雨。 如果风暴顶部位于从GANAL数据估计的零度层高度以下超过1公里并且未检测到BB，则认为像素具有浅层降雨。 小单体大小表示小的水平范围（即，由无雨像素围绕的单个像素或两个相邻的雨像素）。 当检测到浅层雨或小单体时，该像素被分类为对流。

Ku-only雨型统一与TRMM PR标准算法2A23所做的雨型统一非常相似，统一雨型由层状，对流和其他三大类组成。统一的降雨类型为其他意味着例如出现在仅存在云的情况下，下雨区域的雷达回波是噪声。图3显示了Ku-only雨型统一是如何进行的。当V法检测到BB并将雨型划分为层状时，统一降雨类型为层状，除非类型被检测到浅层雨和/或小尺度雨所覆盖。当V法将雨型划分为对流（有或没有BB）时，统一雨型为对流（有或没有BB）。当V法将雨型划分为其他类型时，除非类型被浅层雨和/或小单体雨的检测覆盖，否则统一雨型为H型。图3也适用于Ka-only雨型统一。

虽然酷雨型统一与2A23雨型统一类似，但它们之间有两个主要的区别。 在TRMM 2A23算法中，降雨类型用三位数表示，但在GPM DPR CSF模块中，降雨类型用八位数表示（详见附录）。 另一个区别在于弱降水的雨型。

在TRMM 2A23的决定中，浅层孤立是对流，但浅层非孤立是对流或层状。 然而，在GPM CSF决策中，浅层孤立和浅层非孤立是对流的。 Funk等人的分析基于浅层非隔离的降雨类型的这种变化（2013年）。

图3 用于统一SF雨型的矩阵.当检测到浅层雨或小细胞雨时，前面提到的统一类型被覆盖，统一类型变为对流.这个矩阵适用于Ku-only和Ka-only雨型。

b. Ka-only CSF模块

Ka波段PR在两种类型的扫描中工作：一种是匹配光束扫描（MS），其中光束与Ku波段PR的中心25个光束匹配，另一个是高灵敏度模式扫描（HS），它的高灵敏度是通过使用比MS高两倍的宽分辨率实现的。 HS光束在匹配光束的扫描图案内交错。虽然Ka波段数据与Ku波段数据存在差异，但Ka-only CSF模块的基本算法流程与Ku-only CSF模块的基本算法流程相同。然而，由于BB在Ka频段的轮廓与Ku波段相比变得不那么清晰，这使得使用Ka波段数据不利于BB的检测，但Ka-only CSF模块使用简化的BB检测代码并试图仅检测清晰的BB。另一方面，在MS雨型分类中，Ka-only CSF模块中弱降水的探测和对小单体雨的探测与Ku-only CSF模块的探测非常相似。特别是，对流阈值等基本参数与Ku-only CSF模块相同。

Ka-only CSF模块输出由三个主要类别组成的统一降雨类型：层状，对流和其他类型。 统一降雨类型为其他意味着下雨区雷达回波为噪声。 雨型统一的原理与Ku-only CSF模块相同。

c. DF CSF模块

DF CSF模块使用由科罗拉多州立大学（CSU; Le and Chandrasekar 2013a，b）开发的DFRm方法，该方法在双频数据可用的内刈幅中进行。 DFRm方法利用了使用双频数据的优势。 DFRm方法检测ML，其概念比BB的含义更广泛，并将降雨类型分为三类：层状，对流和过渡，最后一类是新的降雨类型。 而DF CSF模块通过（MS或HS）DFRm方法和单频（Ku-only或HS Ka-only）方法统一降雨类型，DF CSF模块输出统一的降雨类型，这些类型是层状， 对流和其他。

1. 用DFRm法分类降雨类型

DFRm方法使用所谓的测量双频比（DFRm），其定义如下：

其中Zm（Ku）和Zm（Ka）分别是在Ku波段和Ka波段测得的反射系数（dBZ）。 DFRm方法检查DFRm的垂直剖面。

图4显示了当ML存在时，关键点A-D（Le和Chandrasekar 2013a，b）的DFRm配置文件示例。 在A点，DFRm的斜率取峰值。 在B点，DFRm取一个局部最大值DFRm（max）。 在C点，DFRm取一个局部最小值DFRm（min）。 D点是DFRm可用的最低点。

图4 以关键点A-D（Le和Chandrasekar 2013a，b）为例的DFRm概况。 在A点，DFRm的斜率取峰值; 在B点，DFRm取一个局部最大值; 在C点，DFRm取一个局部最小值; 而点D表示DFRm可用的最

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