X波段相控陣天氣雷達對流過程觀測外場試驗及初步結果分析

劉黎平1 吳林林1, 2 吳翀1, 4 汪旭東3 陳曉輝3 曹俊武3 莊薇1

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X波段相控陣天氣雷達對流過程觀測外場試驗及初步結果分析

劉黎平吳林林吳翀汪旭東陳曉輝曹俊武莊薇

1中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081;2南京信息工程大學，南京210044;3安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088;4中國氣象局成都高原氣象研究所，成都6100072

中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了專門用于快速觀測對流過程、具有多波束觀測能力的X波段相控陣天氣雷達（XPAR），并利用該雷達與C波段雙線偏振雷達（CPOL）于2013年4～6月在廣東省江門市鶴山站進行了對比觀測試驗，以檢驗該雷達觀測模式及其對快速變化的對流云演變過程的觀測能力，為進一步改進雷達觀測模式提供依據(jù)。本文首先介紹了XPAR的主要技術指標和觀測模式，利用實測數(shù)據(jù)對比分析了三種觀測模式觀測的回波結構、靈敏度，并與C波段雙線偏振雷達數(shù)據(jù)進行了對比，詳細分析了2013年5月30日一次中尺度線狀對流系統(tǒng)后部的單體的發(fā)展和消亡過程，討論了XPAR分鐘級數(shù)據(jù)在分析對流過程演變中的作用。結果表明：（1）XPAR三種觀測模式獲取的降水回波結構合理，實現(xiàn)了在1 min內(nèi)完成一個高空間分辨率的體掃的探測功能，數(shù)據(jù)的時空分辨率遠遠高于現(xiàn)有的機械掃描雷達；（2）XPAR的精細觀測模式數(shù)據(jù)揭示了單體觸發(fā)、發(fā)展和演變過程，清晰給出了兩次徑向輻合發(fā)展過程及其與回波發(fā)展的關系，給出了新一代天氣雷達和C波段雙線偏振雷達不能提供的新的事實；（3）XPAR分鐘級數(shù)據(jù)對進一步認識對流單體內(nèi)部γ中尺度及其更小尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變有非常大的幫助。

X波段相控陣天氣雷達 觀測模式檢驗 對流單體精細結構

1 引言

強對流過程中龍卷、下?lián)舯┝?、冰雹和大風等中小尺度系統(tǒng)尺度小，生消迅速，是產(chǎn)生局地氣象災害的重要原因，強對流過程中尺度結構高時空分辨率的探測對中小尺度研究、預警和預報有重要作用。現(xiàn)有業(yè)務運行的天氣雷達如美國的160余部WSR-88D天氣雷達、我國158部新一代天氣雷達等雷達系統(tǒng)均采用了機械掃描方法，即通過改變雷達天線的方位和仰角實現(xiàn)對天氣過程的三維掃描。這種掃描方法在保證雷達資料精度基礎上最快在6 min內(nèi)完成14層的掃描，這種雷達資料可以滿足對大范圍過程如臺風、暴雨等天氣探測、預警和臨近預報及其雷達資料同化要求，對提高災害性天氣監(jiān)測和預測水平起到了較大的作用，如美國的WSR-88D雷達系統(tǒng)將龍卷的預警時間從5.3 min提高到9.5 min，預警成功率從35％提高到60%，減小了45％龍卷造成的人員死亡和40％的財產(chǎn)損失（Simmons and Sutter，2005）。但業(yè)務運行的體積掃描模式在垂直方向的分辨率比較差，掃描周期（5～6 min）比較長，對快速變化的小尺度天氣過程如龍卷、微下?lián)舯┝?、中尺度渦旋的監(jiān)測、識別能力有待提高。

多觀測目標的相控陣天氣技術可能是取代機械掃描雷達體制的候選體制之一，是當今大氣探測領域的一個重要方向和熱點，其靈活的波束控制及快速的掃描具有獲得高時空分辨率的探測能力，可利用一部相控陣雷達同時完成氣象探測、軍事目標跟蹤和飛機導航等任務（Weber et al., 2007）。2003年，美國將其退役的“宙斯盾”（SPY-1）雷達改裝為二維相控陣天氣雷達實驗平臺（NWRT PAR），安放于Oklahoma州的Norman市，與附近的WSR-88D多普勒天氣雷達進行了大量對比觀測實驗（Zrni? et al., 2007；Pamela et al., 2008）。另外，美國也發(fā)展了一維相掃體制的可移式X波段相控陣天氣雷達（MWR-05XP），并用于2007～2008年外場試驗，觀測龍卷、超級對流單體、線狀回波過程等，其觀測資料質量與其他雷達相當，但掃描速度遠遠高于WSR-88D雷達（Bluestein et al., 2010）。相控陣天氣雷達快速掃描資料對理解和預警快速變化的天氣過程是非常有用的，如分辨龍卷過程需要掃描周期為20～30 s的雷達資料（Rasmussen et al., 2000）。美國二維相掃的相控陣天氣雷達最新的觀測資料分析表明：與WSR-88D相比，該雷達能夠更好和更準確探測快速變化的天氣系統(tǒng)（Zrni? et al., 2007；Heinselman et al., 2008）。Snyder and Zhang（2003）和Zhang et al.（2004）研究表明：利用EnKF方法，同化6～8次完整的雷達資料后 才能產(chǎn)生比較合理的分析場，但同化時間為30～40 min，顯然有點過長。Nusra and2010的研究進一步表明：比較同化15 min的6 min為周期的常規(guī)WSR-88F雷達資料和1 min為周期的相控陣天氣雷達，并預報50 min，相控陣天氣雷達資料對超級單體的過程描述和預報要明顯優(yōu)于常規(guī)多普勒雷達。另外，快速掃描資料能夠減小降水估測中的降水累積誤差，特別是需要高空間分辨率的降水資料情況，如城區(qū)降水估測，以提高流量估測、洪峰預報能力（Anagnostou and Krajewski，1999）。

我國也開展了相控陣天氣雷達技術和應用研究。2007年，中國氣象科學研究院與中國電子科技集團14所合作在軍用相控陣雷達的基礎上進行氣象通道改造，研制了我國首部S波段一維有源相控陣天氣雷達原理樣機。該雷達采用32根窄邊裂縫波導組成一維線陣，垂直方向的掃描體制為1個8°～12°的寬波束發(fā)射，同時4個接收通道以3.12°的窄波束接收（張志強和劉黎平，2011）。中國氣象局氣象探測中心牽頭組織的863計劃“機載氣象雷達云雨探測應用系統(tǒng)”項目，將某軍用X波段二維機載相控陣雷達改造為天氣雷達，以驗證新型機載雷達系統(tǒng)對天氣目標的探測能力。2012年在機載雷達基礎上改進的X波段二維相掃相控陣天氣雷達也進行了地面觀測，并于2013年進行了機載觀測試驗，為我國開展相控陣天氣雷達奠定了一定的基礎，但這兩部雷達都是在原有的軍用雷達基礎上改進的，其波瓣寬度等關鍵參數(shù)均不能滿足對對流過程精細結構探測的要求。

2009年中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室與四創(chuàng)公司合作，開始研發(fā)專門應用于快速變化的中尺度對流系統(tǒng)的車載X波段相控陣天氣雷達系統(tǒng)（XPAR），該雷達具備多種觀測模式和快速掃描功能，這一設備為我國開展相控陣天氣雷達在快速變化的中尺度對流系統(tǒng)探測中的應用提供了條件。為了初步檢驗該雷達觀測強對流天氣中小尺度結構的能力以及進一步改進其觀測模式提供依據(jù)，2013年4月15日～6月15日，該雷達在廣東鶴山進行外場試驗，與C波段雙線偏振雷達進行了同一地點的觀測，以檢驗該雷達觀測數(shù)據(jù)的可靠性以及觀測數(shù)據(jù)在對流系統(tǒng)中尺度結構分析中的作用。

本文利用這次外場試驗數(shù)據(jù)，對比XPAR不同觀測模式的觀測結果的一致性和靈敏度的差異，并與相同位置的C波段雙線偏振雷達數(shù)據(jù)進行了對比，分析XPAR觀測的回波強度和徑向速度的合理性；以一次線狀對流過程為例，初步研究了1 min間隔的高時空分辨率的數(shù)據(jù)在分析對流單體演變中的作用。

圖1 X波段相控陣天氣雷達系統(tǒng)（XPAR）框圖

2 XPAR系統(tǒng)和外場試驗介紹

XPAR系統(tǒng)框圖見圖1。該雷達采用了一維全數(shù)字有源相控陣體制，在垂直方向天線俯仰固 定，依靠數(shù)字波束合成技術（BDF）產(chǎn)生不同寬度和指向的波束，每個方位角完成類似常規(guī)雷達的垂直掃描（RHI），實現(xiàn)了多種波束發(fā)射和接收的功能，并由水平的機械伺服控制雷達的掃描速度，完成先垂直掃描再水平掃描的體積掃描（VRHI）觀測模式。該雷達系統(tǒng)最大的特點在于使用了8個高度集成的16路數(shù)字陣列模塊（DAM），共128個有源T/R收發(fā)組件。發(fā)射時DBF控制DAM的T/R組件產(chǎn)生不同幅度和相位的中頻信號，并通過上變頻及放大發(fā)射后在空間完成波束的合成，接收時DAM完成放大濾波、下變頻及AD采樣等功能，通過 光纖將IQ數(shù)據(jù)直接送至數(shù)字信號處理。與業(yè)務使用的天氣雷達相比，該雷達的波束寬度更窄（≤1°），距離分辨率更高（最低37.5 m），并可以根據(jù)觀測任務的需求形成寬度不同的波形，同時使用多波束多路同時接收的技術，提高了雷達的觀測速度。目前，XPAR的典型掃描模式暫有三種，即警戒搜索（Guard Mode，簡稱GM）、精細測量（Fine Mode，簡稱FM）、快速觀測（Quick Mode，簡稱QM），使用33 μs的寬脈沖發(fā)射信號，脈沖壓縮比為100:1，距離庫為37.5 m、75 m、150 m，在這三個模式中，徑向平均對數(shù)為128，以確保觀測數(shù)據(jù)的取樣精度。該雷達與C波段雙線偏振雷達的主要技術參數(shù)和觀測模式見表1。

表1 X波段相控陣天氣雷達和C波段雙偏振雷達工作模式及參數(shù)

警戒搜索模式為XPAR快速搜索天氣目標時采用，雷達發(fā)射的賦形波束覆蓋0°～20°仰角，并以14個VCP11體掃模式仰角的1°窄波束同時接收。在該模式下雷達掃描效率最高，能在30 s完成常規(guī)雷達6 min的三維掃描，但非常寬的發(fā)射波束造成其能量不如單波束集中，探測威力有限。

精細測量模式為雷達天線水平慢速轉動過程中，通過相控陣技術在1.6 s內(nèi)實現(xiàn)1°窄波束0.5～39.5°波位的順序垂直掃描，該VRHI掃描在水平方向和垂直方向的間隔均為1°。一般情況下，該模式使用扇區(qū)掃描的方式，主要對重要的對流區(qū)域進行順時針掃描，完成90°方位的掃描時間為2.5 min。值得注意的是，新一代天氣雷達和C波段雙線偏振雷達等機械掃描雷達主要采用PPI（Plane Position Indicator）掃描方式，若想實現(xiàn)類似的扇區(qū)掃描有一定困難，天線轉速需頻繁的加減，轉速 的不同使得數(shù)據(jù)的方位分辨率發(fā)生變化、獨立取樣數(shù)也不同，而且這種天線轉速的頻繁變化對雷達的穩(wěn)定運行也會產(chǎn)生問題，降低了雷達運行的可靠性。而相控陣天氣雷達由于實現(xiàn)了垂直掃描，可以在天線機械掃描很慢的情況下，完成不同方位的RHI掃描，扇區(qū)掃描的實現(xiàn)非常便捷。

快速觀測模式下雷達發(fā)射1個4°展寬寬波束并同時以4個均勻分布的1°窄波束接收，在以4°俯 仰為間隔的10個波位完成掃描后可得到與精細測量分布一致的40層掃描資料，一個掃描周期的所需時間為2.5 min。在該模式下雷達掃描的精細程度高于警戒搜索而低于精細測量，掃描時間高于精細測量，能夠獲得最均衡的時空分辨率。

當然，根據(jù)陣列天線理論，該X波段數(shù)字陣列雷達的波束設計非常靈活，以上三種掃描模式僅作為雷達系統(tǒng)驗證及初步調(diào)試時使用。隨著外場試驗的深入開展，通過不同的輻相加權方案可以產(chǎn)生可變展寬的收發(fā)波束，以兼顧不同距離下雷達的發(fā)射能量與掃描效率，同時更為完善的掃描策略能夠獲得針對性更強的垂直波位分布，以平衡不同需求下的時空分辨率。

為了檢驗XPAR的不同觀測模式的探測能力和數(shù)據(jù)的質量，中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室和安徽四創(chuàng)電子股份有限公司在國家自然基金項目支持下，聯(lián)合在廣東省氣象局江門鶴山市氣象站新站（22.7°N，113.0°E，42.8 m）開展了前汛期暴雨的外場試驗，為了進行相同地點的對比觀測，CPOL也設置在這個地點，它們均位于廣州站CINRAD/SA天氣雷達的西南方向，約48 km。在2013年4月15日至6月15日期間，XPAR交替進行了多種觀測模式的試驗，目的是初步檢驗XPAR多種觀測模式的工作狀態(tài)，檢查觀測的回波結構的合理性，觀測的回波強度、徑向速度和速度譜寬的質量。當有重要天氣時，主要采用精細模式進行扇形掃描，以快速獲取中尺度對流系統(tǒng)的精細結構數(shù)據(jù)。CPOL和SA雷達均采用VCP21的掃描模式，其中CPOL使用64點的脈沖積累數(shù)、SA雷達為40～100點，而XPAR為128點，其觀測條件基本一致。根據(jù)吳翀等（2014）的研究，XPAR各個模式經(jīng)訂正后的數(shù)據(jù)與CPOL的測量偏差在±1 dB以內(nèi)，其數(shù)據(jù)可靠性滿足天氣分析的需求。XPAR獲取的主要過程和采用的觀測模式見表2。

表2 外場試驗觀測的主要個例和對應的觀測模式

3 XPAR不同觀測模式的對比

利用XPAR不同模式交替觀測的數(shù)據(jù)，分析這些模式觀測的回波結構的差異，并與CPOL和SA進行對比，以確定XPAR觀測模式設計的準確性。

3.1 三種模式觀測的回波結構對比

5月28日和29日，XPAR分別采用了三種觀測模式進行了對比觀測。其中28日為穩(wěn)定性層狀云混合云降水過程，29日為對流降水過程。圖2給出了5月28日19:38～19:53（北京時，下同） XPAR 以不同模式觀測的3.5°仰角回波強度和徑向速度PPI，圖3給出了沿325°方位的回波強度和徑向速度的RHI（Range Height Indicator），其中精細觀測的觀測時段為19:38～19:41（10 min掃描360°，90°的扇區(qū)耗時約2.5 min），快速觀測和警戒搜索的觀測時段分別為19:47～19:49、19:52～19:53，3個PPI的觀測時間最大相差15 min。從圖中可以明顯看到：XPAR三種模式觀測的回波強度和徑向速度的結構非常一致，但回波強度有一定的偏差。XPAR利用這三種模式均探測到了清晰的零度層亮帶現(xiàn)象，零度層高度和結構非常一致；因警戒模式的回波強度的靈敏度偏低，不能觀測到弱回波，觀測到的回波面積明顯偏小。從RHI可以看出，警戒模式因仰角分辨率比較低，對回波垂直結構的觀測比較粗糙。

圖2 2013年5月28日XPAR三種觀測模式觀測的3.5°的（a、b、c）回波強度和（d、e、f）徑向速度的PPI結構。其中精細模式（FM）時間為19:38～19:41，快速觀測模式（QM）時間為19:47～19:49，警戒模式（GM）觀測時間為19:52～19:53。距離圈間隔為15 km，下同

圖3 2013年5月28日XPAR三種觀測模式觀測的325°方位的（a、b、c）回波強度和（d、e、f）徑向速度的RHI結構。其中精細模式（FM）時間為19:38～19:41，快速觀測模式（QM）時間為19:47～19:49，警戒模式（GM）觀測時間為19:52～19:53

圖4、圖5給出了5月29日15:21～15:36時段XPAR以三種模式觀測的3.5°仰角的回波強度和徑向速度的水平結構和345°方位上的垂直結構，其中FM觀測時段為15:21～15:24，QM觀測時段為15:30～15:32，GM觀測時段為15:35～15:36。FM、QM與GM探測的強對流單位的位置、回波結構等對應比較好，在三塊對流單體中出現(xiàn)的明顯的徑向輻合和中氣旋的探測結構比較一致（徑向速度的負值區(qū)），但FM和QM模式探測的更加清晰?；夭◤姸取较蛩俣鹊腜PI的細微結構的差別主要是觀測時段的差異造成的。

從RHI結構來看（圖5），F(xiàn)M模式對單體內(nèi)徑向速度的小尺度的輻合（距離60 km，高度1～5 km）、高空的出流結構（距離55～63 km，高度10 km）的探測等明顯好于QM和GM。因觀測時間的差別和單體的移動，這3個RHI對應的回波的位置可能有一定的差別。

圖4 同圖2，但為5月29日對流個例觀測結果。其中FM觀測時段為15:21～15:24，QM觀測時段為15:30～15:32，GM觀測時段為15:35～15:36

圖5 同圖3，但為5月29日對流個例觀測結果。其中FM觀測時段為15:21～15:24，QM觀測時段為15:30～15:32，GM觀測時段為15:35～15:36

為了解釋三種模式觀測的回波強度范圍的不同，圖6給出了經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到的XPAR三種模式和CPOL的最小可測回波強度（靈敏度），因三種觀測模式的天線增益的差別，寬波束發(fā)射分散了發(fā)射能量，使得GM模式的靈敏度最低，比FM低了近13 dB，而QM也比FM低近5 dB；雖然XPAR采用了脈沖壓縮技術，但XAR的FM模式仍比CPOL的靈敏度低約3 dB，但距離分辨率提高了1.5倍。

從以上結果可以看出：XPAR三種模式觀測的回波強度、徑向速度的回波結構、位置比較合理；靈敏度有明顯差異；精細模式可以更好分辨回波的精細結構。

圖6 相控陣天氣雷達三種模式及雙線偏振雷達最小可測反射率因子對比

3.2 XPAR與SA和CPOL觀測結果的對比

為了通過XPAR與CPOL和SA雷達觀測結果的對比，分析XPAR觀測數(shù)據(jù)的可靠性，圖7 給出了5月21日三部雷達觀測的回波強度以及XPAR和CPOL觀測的徑向速度的PPI對比，其中因SA雷達在不同的位置，它觀測的徑向速度無法與XPAR進行對比，而SA的回波強度也是經(jīng)過插值處理到XPAR格點上的。對比觀測結果可以看到，XPAR與其他兩部雷達觀測的對流降水系統(tǒng)的結構比較一致，而且SA觀測的兩條回波帶的結構更加明顯。XPAR強回波的衰減造成了明顯的V型回波結構明顯（方位0°，距離30 km），CPOL雷達觀測的回波因衰減使得右上側的回波變?nèi)?。從徑向速度來看，左側單體對應的成對的中氣旋和反氣旋結構（負徑向速度中兩塊正的徑向速度區(qū)，方位300°和360°，距離30 km）、兩條回波帶間的偏南氣流（方位370°，距離15～45 km）、右側回波的輻合帶（負徑向速度中兩塊正的徑向速度區(qū)，方位30°，距離30～45 km）均表現(xiàn)的非常一致。因天線增益、距離分辨率等不同，觀測時間也有差別，徑向速度的細微結構有一定的差別。因采用了脈沖壓縮，XPAR有5 km的探測盲區(qū)。

圖7 2013年5月21日（a、b、c）XPAR精細觀測模式與CPOL、SA雷達觀測的回波強度和（d、e）XPAR、COPL觀測的徑向速度的PPI結構對比。XPAR、CPOL和SA的體掃開始時間分別為18:23、18:25和18:24

從方位305°垂直結構來看（圖8），XPAR可以獲取對流系統(tǒng)更清晰的垂直結構，因仰角分辨率為1°，范圍可以達40°，可以得到云頂信息，特別是徑向速度中單體對應的完整的徑向輻合帶的垂直分布（正徑向速度區(qū)，距離30 km，高度2～10 km），云上端的輻散區(qū)等（正徑向速度和負徑向速度的極大值區(qū)，距離30～40 km，高度15 km）。XPAR觀測的云體的傾斜程度與另外兩部雷達的結果有差別，其主要原因可能是XPAR幾乎同時獲取到這個徑向的垂直結構，上層和下側的時間差不超過1.6 s，而CPOL第一層和最高層的觀測時間可相差6 min，另外一個原因是因強回波的衰減形成的回波邊界的彎曲。

值得注意的是：由于災害天氣國家重點實驗室沒有機械掃描的X波段多普勒雷達參加本次對比試驗，因降雨對X波段、C波段和S波段雷達波衰減的差異，必定造成回波強度定量對比的不確定性。

通過以上個例XPAR、CPOL和SA雷達數(shù)據(jù) 的對比，可以看到：三種雷達觀測的回波強度、徑向速度的水平和垂直結構非常一致，XPAR觀測數(shù)據(jù)擁有更高的時空分辨率，可以更好的分辨中尺度甚至更小尺度降水系統(tǒng)的回波結構。

圖8 同圖7，但為沿方位角305°的RHI

圖9 XPAR以FM模式觀測的2013年5月30日15:13～15:32時段對流過程發(fā)展的3.5°仰角回波強度和徑向速度的PPI。時間間隔為2 min

4 X波段相控陣天氣雷達監(jiān)測對流單體精細結構及演變的能力分析

我們以5月30日一次對流過程的新單體的觸發(fā)和發(fā)展為例，分析一次兩條線狀對流系統(tǒng)演變過程，一是北側線狀對流的消亡過程，二是南側線狀回波的發(fā)展過程，特別是在其后部發(fā)展出的一個對流單體詳細的回波強度和徑向速度的分鐘級數(shù)據(jù)演變過程，同時探討XPAR高時空分辨率數(shù)據(jù)在對流過程分析中的應用。

在這次觀測過程中，XPAR精細觀測方式采用了扇區(qū)掃描的方式（方位范圍：50°～90°），67 s完成1個40層的體掃，方位和仰角的分辨率均為1°，數(shù)據(jù)的時間和空間分辨率遠遠高于SA和CPOL雷達。圖9給出了15:13～15:32，3.5°仰角的回波強度和徑向速度的PPI，因篇幅所限，給出的PPI的時間間隔為2 min（實際數(shù)據(jù)為近似1 min分辨率）。圖10 給出了64°方位的回波強度和徑向速度的RHI圖（圖9上部虛線方向）。圖9和圖10描述了北側線狀對流的頂端對流單體（方位64°，距離50 km）衰亡過程。從回波強度的PPI結構看，15:13開始，該對流系統(tǒng)為兩條靠的非常近的線狀對流回波，水平尺度在30 km以內(nèi)，該對流系統(tǒng)整體向東北方向移動，開始時北側的頂端回波比較強，然后頂端回波開始減弱，形成兩個線狀回波。頂端單體的發(fā)展成熟階段伴有低層的徑向輻合（PPI正的徑向速度區(qū)中出現(xiàn)的負徑向速度，距離50 km，方位64°）。從RHI圖可以看出：該對流系統(tǒng)對應明顯的風場的垂直切變。單體增強和維持時，5 km以下的中低層的輻合逐漸增強（RHI圖，距離55 km，高度5 km以下），并對系統(tǒng)的發(fā)展起了重要的作用（15:13～15:17），最大回波強度達到55 dB，最大回波強度的高度到5 km；在這4 min以內(nèi)，明顯看到了徑向速度輻合的變化和回波形狀的變化，15:14在5 km高度上的徑向速度的負值到達最小，對應的回波懸垂回波結構和回波墻結構也最明顯。15:17～15:23，低層的徑向輻合逐漸上移，高層的強回波中心很快消失并下移，結構逐漸變得松散，同時下部的回波強度增強，體積增大。

圖10 與圖9對應時段的沿64°方位的RHI，時間間隔為1 min

值得注意的是：在強回波的頂端有對應結構異常的弱回波，高度超過15 km，其回波強度結構和徑向速度的大小與下端強回波非常對應，但回波強度相差30 dB，這明顯是由于副瓣引入的回波干擾所致。經(jīng)事后的仔細分析，XPAR長時間工作后陣面將積累較多的熱量，若此時雷達處于午后的烈日下，其陣面溫度可達70°C、內(nèi)部DAM的工作溫度高達上百度，過高的溫度造成雷達固態(tài)元器件的性能出現(xiàn)較大的波動，部分DAM失效。根據(jù)天線理論的模擬，DAM失效對接收波束的最大副瓣和平均副瓣均影響較大，當只有一個DAM失效時，接收波束的最大副瓣由－45 dB惡化到－35 dB，而若有7個DAM失效時，接收波束的平均副瓣電平將由－45 dB惡化到－25 dB，并引入異常的副瓣回波。

下面分析后側線狀對流中后部對流單體發(fā)展過程，圖11給出了15:34～15:56 間隔2 min的PPI的變化。結合圖9可以看到：15:13～15:15，南側對流單體在后部發(fā)展，在原有基礎上新生成了兩個單體，從而形成線狀回波，長度35 km，寬度小于5 km。到15:24，后端的單體得到快速的發(fā)展，并形成了相對獨立的一個單體，基本維持原地不 動，同時其他單體向東運動，位置越來越分開。從徑向速度圖可以看出：回波的發(fā)展始終伴隨著低空輻合的存在，而且越來越強，到15:39，輻合達到最多，然后回波強度和輻合越來越弱，到15:54，輻合基本消失。

圖11 同圖9，只是時段為15:34～15:56

圖12給出了圖9對應觀測時段15:13～15:33的1 min間隔的后部發(fā)展的單體的垂直結構（方位80°，沿圖9內(nèi)的虛線），圖13給出了圖11對應的時段15:34～15:56的單體的垂直結構（方位80°，沿圖11的虛線）。對比回波強度和徑向速度的RHI結構可以明顯看到單體演變的過程：由于15:13和15:14時刻老單體形成的出流（距離35 km，低層徑向速度為負的區(qū)域）的作用，15:15，在3 km高度處出發(fā)了一塊新的回波（老回波的左側），15:18，這塊回波到達45 dB，強回波中心的高度處在5 km，同時，老單體逐漸消亡，到15:20新單體得到充分的發(fā)展老單體徹底消亡。15:20～15:23，這時新單體發(fā)展到6 km，與風垂直切變高度一致，回波向上發(fā)展比較緩慢，但由于強回波柱對風的阻擋作用，高空偏西氣流逐漸下傳，在強回波的前部逐漸形成一個輻合區(qū)（距離35 km，高度5 km），并逐步向下發(fā)展，面積越來越大，到15:24逐漸形成一個完整的單體內(nèi)輻合帶，在這個輻合帶的作用 下，15:24～15:28，在輻合帶產(chǎn)生的上升氣流進一步促使回波進一步向高空發(fā)展，結構更加密實，后部回波得到進一步發(fā)展，輻合區(qū)逐漸移到了單體的中心，15:28輻合最強，回波方向明顯后傾。15:29～15:33，隨著回波高度的進一步發(fā)展，偏西風被逐漸切斷，這個輻合區(qū)逐漸減弱，整個回波柱對應的徑向速度全部為正值，回波柱變垂直。15:13～15:33這20 min的演變過程是單體內(nèi)部輻合區(qū)從中高層向下層發(fā)展的過程，是單體從觸發(fā)到發(fā)展成熟的過程。

圖12 同圖10，但為RHI剖面的方位角為80°（圖11虛線方向），時段為15:13～15:33.

15:34～15:40，回波的阻擋作用又在前部7 km高度處形成了前部的輻合（15:38，距離4 km，高度7 km），促使回波進一步增高和變強，形成了較為明顯的懸垂回波，15:40回波處在成熟期。15:41以后，由于缺少中低層的輻合和粒子下落速度作用，回波高度降低，高空的偏西風貫穿了對流單體的上部，結構松散，同時在后部又觸發(fā)了一些高度比較低的回波塊。

為了對比，圖14給出了CPOL 6 min間隔的后部單體發(fā)生過程和演變PPI和RHI，從這些圖給出了單體發(fā)展過程，但很難看到新生單體觸發(fā)增強和老單體的演變的詳細過程，如徑向速度輻合帶的發(fā)展和消亡過程。因仰角范圍比較小，對流單體的頂部沒有觀測到。

圖14 CPOL觀測的3.4°仰角上的回波強度和徑向速度的PPI（上兩排）和沿80°的RHI（下兩排）

5 初步結論

為了檢驗X波段相控陣天氣雷達多種觀測模式的探測能力，分析快速掃描數(shù)據(jù)在研究對流過程精細結構和演變的能力，本文利用X波段相控陣天氣雷達和雙線偏振雷達在廣東省鶴山市同一地點觀測的數(shù)據(jù)，對比分析了X波段相控陣天氣雷達三種觀測模式回波的結構差異，與C波段雙線偏振雷達和SA雷達進行了對比；利用精細模式觀測數(shù)據(jù)，分析了一次對流過程的中小尺度演變過程，得到如下結論：

（1）X波段相控陣天氣雷達三種觀測模式得到的回波的位置、水平和垂直結構比較合理，徑向速度與C波段雙線偏振雷達比較一致，回波強度有一定系統(tǒng)性偏差。X波段相控陣天氣雷達實現(xiàn)了在1 min內(nèi)完成一個40仰角層和1°方位分辨率的扇形體掃的探測功能，數(shù)據(jù)的時空分辨率遠遠高于現(xiàn)有的機械掃描雷達。這種扇形掃描方式，在常規(guī)天氣雷達上實現(xiàn)有一定困難；

（2）X波段相控陣天氣雷達三種模式的靈敏度有一定差異，4層的快速掃描模式和40層的RHI體掃模式對研究快速演變的對流過程發(fā)展非常適合，特別是對進一步研究γ中尺度及其更小尺度的演變非常有意義；

（3）X波段相控陣天氣雷達分鐘級數(shù)據(jù)探測到了新單體的觸發(fā)、發(fā)展和老單體消亡的過程，揭示了后部發(fā)展的對流單體內(nèi)部兩次完整徑向輻合帶的產(chǎn)生和發(fā)展演變過程，很好解釋了對流單體發(fā)展和消亡的過程；

（4）雨區(qū)對X波段雷達和C波段雷達的衰減 會影響回波強度和形狀，這在分析數(shù)據(jù)時應引起足夠的重視。

另外，也應該注意到，該雷達的部分資料在20°上出現(xiàn)了明顯的旁瓣問題，造成了在強回波上部虛假的回波，這與雷達的散熱系統(tǒng)設計缺陷有關。通過本次外場試驗，雷達在后期改裝調(diào)試時增加了風冷系統(tǒng)，有效降低了數(shù)字陣列模塊的工作溫度，提高了觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。同時，該雷達的掃描策略仍有改進的空間，其40層仰角均勻的分布于0.5°～39.5°間，造成了低空的數(shù)據(jù)不夠精細，而高空過于精細降低了掃描效率，今后將根據(jù)實際情況適時對垂直方向的波位分布進行優(yōu)化，提高觀測精細度和掃描效率。另外，本次外場試驗沒有機械掃描的X波段多普勒雷達進行同步觀測，使回波強度的定量對比存在一定的不確定性。

該X波段相控陣天氣雷達的天線波瓣寬度、距離壓縮技術和信號處理等是專門根據(jù)氣象探測的要求設計的，一些相控陣雷達控制技術繼承了軍用相控陣雷達的最新技術。但從掃描方式來看，目前的觀測仰角的均勻分布、最高掃描仰角和觀測層數(shù)的設置、RHI方位分辨率的設置等均有改進的余地，如何根據(jù)相控陣天氣雷達觀測特點和觀測對象的時空分辨率來設置優(yōu)化的觀測模式，也是我們正在研究的一個課題。

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Field Experiment on Convective Precipitation by X-Band Phased-Array Radar and Preliminary Results

Liu Liping, Wu Linlin, Wu Chong, Wang Xudong, Chen Xiaohui, Cao Junwu, and Zhuang Wei

1,,100081;2,210044;3.,230088;,,610072

Developed by the State Key Laboratory of Severe Weather, the Chinese Academy of Meteorological Sciences, and Anhui Sun-Create Electronics Ltd. Co., X-band phased-array radar (XPAR) was combined with C-band polarization radar (CPOL) to observe convective precipitation in Heshan, Jiangmen district, Guangzhou, from April to June 2013. S-band operational radar (SA) data were also collected to examine the reflectivity bias of XPAR. In this study, the work modes and observation capability for convective precipitation are examined to improve the radar performances. The characteristics of XPAR and work mode are first introduced in this paper, and the precipitation structures and reflectivity sensitivities by three work modes are compared with those by CPOL and SA. XPAR data with temporal resolution of 1 min are used to analyze the genesis and evolution of convective cell that developed in the rear of a convection line on May 30, 2013. The results indicate that XPAR can capture the main characteristics of 3D structures of precipitation with the three work modes and can complete one volume scan within 1 min with higher temporal and spatial resolutions than that by CPOL and SA. Moreover, the XPAR data with fine mode can reveal the initiation and evolution of convective cells in detail, in addition to two convergence zones and their relationships with reflectivity structures, which could not be observed by CPOL and SA. Further, the XPAR data with high temporal and spatial resolutions are helpful for improving the understanding of the meso-γ and additional detailed structures in convective systems.

X-band phased-array radar, Examination of work mode, Detail structure of convective cell

1006?9895(2014)06?1079?16

P412

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13253

2013?09?02，2014?02?25收修定稿

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2012CB417202，國家自然科學基金項目41175038，中國氣象科學研究院科研團隊項目

劉黎平，男，1963年出生，博士，研究員。主要從事雷達氣象研究。E-mail: lpliu@cams.cma.gov.cn