W波段和Ka波段云雷達(dá)探測(cè)回波對(duì)比分析

吳舉秀，魏鳴，蘇濤，王學(xué)榮，李勇，范亞駒

(1. 山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044； 3. 四創(chuàng)電子有限公司，安徽 合肥 230088)

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W波段和Ka波段云雷達(dá)探測(cè)回波對(duì)比分析

吳舉秀1，魏鳴2，蘇濤3，王學(xué)榮3，李勇3，范亞駒3

(1. 山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044； 3. 四創(chuàng)電子有限公司，安徽 合肥 230088)

通過(guò)分析W波段和Ka波段云雷達(dá)同時(shí)探測(cè)回波的差異，驗(yàn)證了W波段云雷達(dá)初樣機(jī)的探測(cè)性能。結(jié)果表明：1)W波段云雷達(dá)初樣機(jī)工作穩(wěn)定，兩個(gè)波段雷達(dá)都可以探測(cè)云層、云的邊界、云厚等宏觀參數(shù)，也可以反映出云的精細(xì)結(jié)構(gòu)及云內(nèi)微物理參數(shù)的變化，回波強(qiáng)、速度小、譜寬大的冰晶云含有上升氣流及較多過(guò)冷水。2)增強(qiáng)模式的W波段云雷達(dá)在近地面探測(cè)霧、霾的能力比Ka波段云雷達(dá)強(qiáng)；兩部云雷達(dá)對(duì)云層較薄的云探測(cè)能力基本相當(dāng)，對(duì)多層云、云層較厚、含水量較多的云及降水的探測(cè)，由于強(qiáng)衰減的作用，W波段雷達(dá)所測(cè)云厚度小、云頂?shù)?、回波?qiáng)度小，并且非瑞利散射也會(huì)造成W波段雷達(dá)的回波強(qiáng)度降低。

W波段云雷達(dá)； Ka波段云雷達(dá)； 探測(cè)能力； 云回波； 云微物理參數(shù)

引言

毫米波測(cè)云雷達(dá)對(duì)非降水云及弱降水云的探測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)60年代美國(guó)空軍研制了AN/TPQ-11型Ka波段云雷達(dá)(波長(zhǎng)8.5 mm)，替代云冪測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)的云[1]，80年代早期研制了W波段云雷達(dá)(波長(zhǎng)約3.2 mm)，后期主要應(yīng)用于云物理和降水物理研究項(xiàng)目中，用來(lái)研究小積云的湍流結(jié)構(gòu)[2]。20世紀(jì)90年代美國(guó)研制了8 mm波合成孔徑雷達(dá)及35 GHz/94 GHz雙頻云雷達(dá)，用于探測(cè)和識(shí)別冰云、過(guò)冷水和云滴譜，1996年美國(guó)在云輻射測(cè)試項(xiàng)目中使用了新型的無(wú)人操控式35 GHz云雷達(dá)，長(zhǎng)期探測(cè)非降水云及弱降水云的回波特征[3]。黃毅梅和周毓荃[4]利用美國(guó)云輻射測(cè)試項(xiàng)目中使用的94 GHz云雷達(dá)分析了一次冷鋒云系的云結(jié)構(gòu)。Shupe等[5-7]利用35 GHz云雷達(dá)結(jié)合多種探測(cè)儀器的探測(cè)資料研究了混合相云的特性，Luke等[8]利用毫米波雷達(dá)的多普勒速度譜識(shí)別過(guò)冷水。英國(guó)在20世紀(jì)90年代發(fā)展了94 GHz多普勒云雷達(dá)Galileo和35 GHz多普勒云雷達(dá)Copernicus，Hogan等[9]聯(lián)合兩部雷達(dá)進(jìn)行了冰水含量反演，吳舉秀等[10]利用兩部云雷達(dá)研究了不同類(lèi)型云的回波特征。德國(guó)1999年研制了3 mm波長(zhǎng)的極化雷達(dá)用于觀測(cè)層狀云，日本在2000年及2003年分別研制出95 GHz機(jī)載云廓線雷達(dá)和35 GHz的多普勒雷達(dá)，2006年發(fā)射的CloudSat搭載了94 GHz云雷達(dá)，為研究云輻射特性提供了云內(nèi)液態(tài)水和冰水的垂直廓線[11]，仲凌志等[12]利用星載毫米波測(cè)云雷達(dá)研究了凍雨形成的云物理機(jī)制。

1979年中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和安徽井岡山機(jī)械廠合作研發(fā)了X波段(3 cm)和Ka波段 (8.2 mm)雙波長(zhǎng)雷達(dá)，目前已有多個(gè)公司生產(chǎn)出不同型號(hào)的Ka波段云雷達(dá)應(yīng)用于云微物理研究及人工影響天氣等方面，孫曉光[13]研究了毫米波雷達(dá)在航空氣象保障中的應(yīng)用，宗蓉等[14]利用中國(guó)第一部靈敏度較高的35 GHz多普勒雙極化雷達(dá)研究了降水粒子反射率因子的閾值。中國(guó)W波段云雷達(dá)研究起步較晚，目前南京信息工程大學(xué)研制了應(yīng)用磁控管的94 GHz云雷達(dá)，2013年安徽四創(chuàng)電子有限公司863項(xiàng)目組研制了一臺(tái)機(jī)載W波段雙極化云雷達(dá)，Wu 等[15]利用該雷達(dá)首次成功探測(cè)的云回波，分析了含有毛毛雨的層積云回波特征，并進(jìn)行了云物理參數(shù)的初步反演。此后安徽四創(chuàng)電子有限公司繼續(xù)開(kāi)展地基W波段云雷達(dá)研究測(cè)試，并將研制35 GHz/94 GHz雙頻云雷達(dá)，2015年成功研制地基W波段多普勒雙極化云雷達(dá)初樣機(jī)，為了驗(yàn)證該雷達(dá)初樣機(jī)測(cè)云的可靠性，與Ka波段云雷達(dá)進(jìn)行了多次對(duì)比試驗(yàn)， Ka波段云雷達(dá)也是該公司研制成功的，其探測(cè)性能已經(jīng)得到驗(yàn)證。本文利用2015年1月和3月W波段云雷達(dá)與Ka波段云雷達(dá)的靜態(tài)比對(duì)試驗(yàn)，通過(guò)比較兩個(gè)波段云雷達(dá)的探測(cè)回波的差異及原因，驗(yàn)證W波段云雷達(dá)測(cè)云工作穩(wěn)定性及探測(cè)性能，并簡(jiǎn)單分析了所測(cè)云的宏微觀特性。

1 設(shè)備及定標(biāo)

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

試驗(yàn)時(shí)，將W波段雷達(dá)與Ka波段雷達(dá)放在同一地點(diǎn)(兩設(shè)備相距2 m)進(jìn)行開(kāi)機(jī)探測(cè)，兩部雷達(dá)都固定不動(dòng)，采取天線垂直指向天頂?shù)膾呙璺绞?。兩部雷達(dá)工作時(shí)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雷達(dá)工作參數(shù)

Table 1 Radar working parameters

工作參數(shù)W波段雷達(dá)Ka波段雷達(dá)頻率94 58GHz35GHz波長(zhǎng)3 17mm8 6mm脈沖重復(fù)頻率2kHz2kHz發(fā)射功率1 5kW0 6kW脈寬1 32μs0 5μs/20μs脈沖壓縮比—40距離庫(kù)長(zhǎng)200m75m最大不模糊速度噪聲系數(shù)-1 63～1 63m/s9dB-4 3～4 3m/s4 5dB脈沖積累數(shù)接收機(jī)靈敏度噪聲系數(shù)256-100dBm<9dB128-106dBm<4 5dB

兩部雷達(dá)都采用“單發(fā)-雙收”極化體制，發(fā)射固定的水平極化波，同時(shí)接收回波的水平極化(同極化)分量和垂直極化(正交極化)分量，即雙路接收機(jī)同時(shí)接收后向散射回波的同極化和正交極化分量。Ka波段測(cè)云雷達(dá)采用組合脈沖的工作模式，在3.3 km以?xún)?nèi)采用0.5 μs的窄脈沖，在3.3 km以外采用20 μs的寬脈沖。Ka波段雷達(dá)采用寬脈沖發(fā)射可以提高發(fā)射機(jī)的平均功率，接收時(shí)利用脈沖壓縮技術(shù)獲得窄脈沖，從而提高距離分辨率。W波段雷達(dá)脈沖寬度也有兩種，標(biāo)準(zhǔn)工作模式時(shí)采用0.33 μs的窄脈沖，增強(qiáng)工作模式時(shí)采用1.32 μs的寬脈沖。當(dāng)W波段雷達(dá)采用0.33 μs脈沖工作時(shí)，3.3 km以?xún)?nèi)的探測(cè)能力與Ka波段雷達(dá)相當(dāng)，3.3 km以外的探測(cè)能力遠(yuǎn)低于Ka波段雷達(dá)；當(dāng)采用1.32 μs脈沖工作時(shí)，3.3 km以?xún)?nèi)的探測(cè)能力優(yōu)于Ka波段雷達(dá)，3.3 km以外探測(cè)能力略低于Ka波段雷達(dá)。在靜態(tài)試驗(yàn)中，W波段雷達(dá)均采用脈寬為1.32 μs的增強(qiáng)工作模式，探測(cè)靈敏度較高。

1.2 定標(biāo)

為了確保靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每次試驗(yàn)前需要對(duì)雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)，通過(guò)定標(biāo)確定雷達(dá)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)。首先根據(jù)雷達(dá)的工作參數(shù)，驗(yàn)算該雷達(dá)的探測(cè)能力，不考慮云、雨等的衰減，根據(jù)雷達(dá)氣象方程可以推導(dǎo)出回波強(qiáng)度Z的計(jì)算公式:

20logR-2G0+LΣ+R×LP+150

(1)

其中，Z(dBZ)為回波強(qiáng)度，pt(kW)為發(fā)射脈沖峰值功率，pr為接收機(jī)接收到的功率，λ(mm)為波長(zhǎng)，τ(μs)是脈沖寬度，θ是波束寬度，G0(dB)為天線的增益，LΣ(dB)是雷達(dá)系統(tǒng)饋線總損耗，R×LP(dB)為電磁波在大氣中的傳輸衰減，公式右側(cè)的150是將距離、功率、波長(zhǎng)等參數(shù)從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位轉(zhuǎn)化為雷達(dá)氣象中常用單位而產(chǎn)生的值，|K|2是粒子的介電因子。即|K|2=|m2-1|2/|m2+2|2，m為氣象目標(biāo)復(fù)折射指數(shù)，不同頻率雷達(dá)的|K|2取值見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，厘米波雷達(dá)通常取|K|2=0.93，Ka波段雷達(dá)通常取0.87，文中的W波段雷達(dá)取|K|2=0.668。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，兩個(gè)波段雷達(dá)對(duì)應(yīng)冰晶的介電因子基本一樣，所測(cè)回波強(qiáng)度應(yīng)該一致，但雷達(dá)氣象方程中實(shí)際用水的介電因子，水的介電因子在W波段比在Ka波段小，所以會(huì)因?yàn)榻殡娨蜃拥娜≈翟斐蒞波段雷達(dá)探測(cè)的冰晶云的實(shí)際回波強(qiáng)度偏大一點(diǎn)。雷達(dá)常數(shù)C0定義為：

(2)

雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)變化都會(huì)對(duì)回波強(qiáng)度(反射率因子)探測(cè)精度有直接影響，因此在試驗(yàn)前需要對(duì)發(fā)射功率、噪聲系數(shù)、脈沖寬度作定標(biāo)檢測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)值對(duì)雷達(dá)常數(shù)C0進(jìn)行修正。線性退極化比探測(cè)精度與雙路接收機(jī)(同極化接收機(jī)、正交極化接收機(jī))的一致性直接相關(guān)，實(shí)驗(yàn)前，用外接信號(hào)源分別注入兩路接收機(jī)，在強(qiáng)、中、弱3種輸入功率下，分別檢測(cè)兩路接收機(jī)的輸出強(qiáng)度，根據(jù)兩通道差對(duì)退極化比測(cè)量值進(jìn)行修正。將接收機(jī)可測(cè)到的最小功率及雷達(dá)相應(yīng)的參數(shù)帶入公式(1)，可得到雷達(dá)探測(cè)能力。W波段云雷達(dá)脈沖寬度取1.32 μs；Ka波段云雷達(dá)脈沖寬度在3.3 km以?xún)?nèi)取0.5 μs，在3.3 km以外取20 μs；不同距離處雷達(dá)可測(cè)最小回波強(qiáng)度見(jiàn)表2。不考慮衰減，W、Ka波段云雷達(dá)在1 km處最小可測(cè)雷達(dá)回波強(qiáng)度分別為-43 dBZ、-35 dBZ，隨高度增加變大，由于Ka波段云雷達(dá)脈沖寬度在3.3 km以外取20 μs，所以3.3 km以外可測(cè)最小回波強(qiáng)度要小于W波段云雷達(dá)。實(shí)際上，由于大氣、云雨等的衰減，兩部雷達(dá)可測(cè)最小回波強(qiáng)度都要比表中的值大，即測(cè)不到這么弱的回波。

表2 兩部雷達(dá)不同距離處最小可測(cè)雷達(dá)回波強(qiáng)度

Table 2 The detectable minimum echo intensity of the two radars at different distance

距離/km12345678910W雷達(dá)回波強(qiáng)度/dBZ-43-37-33-31-29-27-26-25-24-23Ka雷達(dá)回波強(qiáng)度/dBZ-35-29-25-39-37-35-34-33-32-31

2 回波對(duì)比分析

靜態(tài)工作試驗(yàn)時(shí)間取2015年1月28、30日，3月23、26日，試驗(yàn)地點(diǎn)位于四創(chuàng)電子有限公司院內(nèi)(31.821°N，117.19°E)，兩部雷達(dá)均為地面探測(cè)狀態(tài)，波束垂直指向天頂。雷達(dá)主要探測(cè)4個(gè)參數(shù)：回波強(qiáng)度、多普勒速度、多普勒速度譜寬、線性退極化比LDR。線性退極化比是指雷達(dá)同時(shí)測(cè)到同極化信號(hào)的反射率因子(ZH)和正交極化信號(hào)的反射率因子(ZV)的比值，即LDR=10log(ZV/ZH)?；夭◤?qiáng)度主要受粒子相態(tài)、大小、數(shù)量的影響；多普勒速度在雷達(dá)垂直掃描模式下反映了粒子在垂直方向上的下落末速度，是粒子在靜止空氣中的下落速度與空氣的垂直運(yùn)動(dòng)速度的矢量和；多普勒速度譜寬表征著有效照射體積內(nèi)不同大小的多普勒速度偏離其(這一群粒子速度的)平均值的程度，4個(gè)因素決定了多普勒譜的寬度：粒子下落速度的不均勻分布、大氣湍流運(yùn)動(dòng)、垂直風(fēng)切變和因雷達(dá)波束寬度存在的橫向風(fēng)效應(yīng)。毫米波雷達(dá)垂直指向天頂時(shí)，橫向風(fēng)效應(yīng)及垂直風(fēng)切變?cè)斐傻挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，因此譜寬主要由粒子下落速度的不均勻分布及大氣湍流運(yùn)動(dòng)造成；LDR反應(yīng)了粒子形狀偏離球形的程度，球形粒子LDR理論上不存在，越偏離球形LDR越大，LDR的具體值和雷達(dá)系統(tǒng)的正交隔離度有關(guān)，兩部雷達(dá)LDR探測(cè)范圍都為-30～5 dB。探空資料來(lái)自離實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)最近的安慶探空站(117.05°E，30.53°N)。

2.1 單層云及霧的探測(cè)

圖1為 1月30日14:30左右雷達(dá)探測(cè)的回波。上面的云為高層云，根據(jù)探空整層大氣在零度以下，所以云粒子為冰晶，與10時(shí)相比(圖略)，云已經(jīng)變低且慢慢變薄消散，云底高約為3.5 km，兩部雷達(dá)的反射率因子、徑向速度等基本相同，高層云反射率范圍基本在-30～-10 dBZ之間，徑向速度范圍基本為-0.5～-0.1 m/s。當(dāng)電磁波通過(guò)大氣和云雨霧時(shí)，都會(huì)有衰減，波長(zhǎng)越短，衰減越大，所以W波段雷達(dá)信號(hào)比Ka波段雷達(dá)衰減大[3,16-17]。由于衰減，14:27W波段雷達(dá)所測(cè)云厚為400 m，遠(yuǎn)小于Ka波段雷達(dá)所測(cè)的700 m。通過(guò)分析英國(guó)94 GHz云雷達(dá)大量的探測(cè)回波及根據(jù)文獻(xiàn)[10]的分析，只含有單一冰晶粒子的云速度譜寬不會(huì)超過(guò)0.4 m/s，此時(shí)Ka波段雷達(dá)所測(cè)高層云譜寬范圍基本為0～0.3 m/s，比較合理，W波段雷達(dá)的譜寬偏大一點(diǎn)，甚至超過(guò)0.6 m/s，可能和信噪比較低有關(guān)，信噪比低到了雷達(dá)靈敏度臨界點(diǎn)，噪聲信號(hào)被誤判為了云回波信號(hào)。W波段雷達(dá)存在較大LDR值(較高值達(dá)-8 dB)，較大LDR值是不可用的，因信噪比較低造成。兩部雷達(dá)也有同時(shí)探測(cè)到高層云LDR為-20 ～-18 dB，這與中國(guó)氣象研究院聯(lián)合中國(guó)航天研究二院第23所研發(fā)的8.6 mm測(cè)云雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果相符合[13]。

圖1 2015年1月30日雷達(dá)回波 (a. W波段雷達(dá), b. Ka波段雷達(dá))Fig.1 The radar echoes on 30 January 2015 (a. W-band radar, b. Ka-band radar)

根據(jù)30日08時(shí)探空資料，逆溫層高度1.5 km，其以下大氣相對(duì)濕度大于91%，所以近地面是霧的回波，天氣實(shí)況記錄是輕霧。與10時(shí)相比(圖略)，W波段雷達(dá)測(cè)到霧回波高度由500 m發(fā)展為1 km，低于逆溫層高度，而Ka波段雷達(dá)幾乎沒(méi)看到，是因?yàn)樵谌鹄⑸錀l件下，粒子的后向散射能力和波長(zhǎng)的4次方成反比，所以在發(fā)射相同功率時(shí)，粒子對(duì)W波段雷達(dá)信號(hào)的后向散射能力是Ka波段雷達(dá)信號(hào)的54倍。文中W波段雷達(dá)發(fā)射功率較大，在3.3 km內(nèi)脈寬較大，天線直徑較小，在1 km處可測(cè)最小回波強(qiáng)度-43 dBZ，比Ka波段雷達(dá)(1 km處可測(cè)最小回波強(qiáng)度-35 dBZ)探測(cè)能力強(qiáng)。霧回波強(qiáng)度在-35 dBZ左右，速度約在-0.8～0.8 m/s之間，速度比較雜亂，應(yīng)該是底層大氣湍流造成的；湍流的存在也造成對(duì)應(yīng)譜寬較大，最大超過(guò)0.9 m/s?？梢钥吹?，此處?kù)F的LDR值較大(-16～-12 dB)，理論上霧滴為圓形時(shí)，LDR應(yīng)非常小，雷達(dá)測(cè)不到。多次實(shí)驗(yàn)證明，地面下毛毛雨時(shí)，W波段云雷達(dá)沒(méi)有測(cè)到LDR，因此認(rèn)為由于是輕霧，氣溶膠粒子雖然濕度大，但大量粒子仍保持非球形，造成LDR較大，在回波邊界也存在信噪比較低造成的LDR值較大的點(diǎn)。

2.2 兩層云及霾的探測(cè)

圖2為2015年3月23日兩部雷達(dá)探測(cè)回波，可以看到有兩層云。10 km左右的高云為卷云，高云云底高為9.2 km以上，云厚約為1.6 km。因?yàn)橹性圃茖雍瘛⒑看?，?duì)W波段電磁波衰減大，所以與Ka波段雷達(dá)相比，W波段雷達(dá)探測(cè)到的回波面積減小。由于衰減，相同區(qū)域的卷云回波強(qiáng)度，W波段雷達(dá)探測(cè)到應(yīng)該低于Ka波段雷達(dá)，可以看到W波段雷達(dá)反而稍高于Ka波段雷達(dá)，應(yīng)該是因?yàn)閷⒌托旁氡鹊男盘?hào)看作了云信號(hào)造成的。卷云兩部雷達(dá)徑向速度范圍分別為0～0.2 m/s和0～1.1 m/s，多普勒速度是正速度，說(shuō)明云中有上升氣流。W波段雷達(dá)探測(cè)到多普勒速度偏小，是由于衰減及W波段雷達(dá)脈沖寬度小于Ka波段雷達(dá)，卷云中具有較大上升速度的小冰晶回波功率微弱，低于雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，多普勒譜密度不存在，因此W波段雷達(dá)探測(cè)到的平均多普勒速度小。W波段雷達(dá)探測(cè)到的LDR值也是很大的，主要是由于衰減及信噪比較低造成的。W波段雷達(dá)的譜寬范圍也偏大，應(yīng)該也與信噪比較低有關(guān)。

圖2 2015年3月23日雷達(dá)回波 (a. W波段雷達(dá), b. Ka波段雷達(dá))Fig.2 The radar echoes on 23 March 2015 (a. W-band radar, b. Ka-band radar)

5 km左右的中云是高層云，W、Ka波段雷達(dá)探測(cè)到的云底高分別為3.2 km、3.3 km，根據(jù)探空資料，零度等溫線約在3.0 km，所以此高層云主要是混合相云。W波段雷達(dá)測(cè)得的云底比Ka波段雷達(dá)的稍低，是因?yàn)樵?.15～3.3 km內(nèi)W波段雷達(dá)探測(cè)能力比Ka波段雷達(dá)探測(cè)能力強(qiáng)。所測(cè)云厚分別為2.8 km、4.8 km，W波段雷達(dá)測(cè)得的云厚比Ka波段的小很多，是由于W波段雷達(dá)信號(hào)在云中的強(qiáng)衰減造成的。隨著高度下降，冰晶增長(zhǎng)，云的反射率強(qiáng)度隨高度下降增大，最高都達(dá)13 dBZ，中云底層冰晶粒子較大，由于非瑞利散射造成W波段回波強(qiáng)度降低，因此小于Ka波段。徑向速度范圍基本都為-2.4～0 m/s，W波段雷達(dá)向下的多普勒速度由于超過(guò)1.6 m/s，出現(xiàn)了速度模糊，最大速度為-2.4 m/s(對(duì)應(yīng)1.0 m/s)。兩部雷達(dá)所測(cè)高層云譜寬范圍基本一致，出現(xiàn)速度模糊的地方W波段雷達(dá)譜寬略偏大，速度模糊也會(huì)造成譜寬偏大[18]。LDR基本在-20～-18 dB左右，W波段雷達(dá)探測(cè)大冰晶的LDR偏小約2 dB。

根據(jù)探空資料，182～835 m為逆溫層，835 m以?xún)?nèi)空氣相對(duì)濕度都小于60%，所以W波段雷達(dá)近地面探測(cè)到小于-35 dBZ的回波為霾，Ka波段雷達(dá)沒(méi)有測(cè)到，霾的多普勒速度很小，基本是朝向地面的。霾基本上是非球形的氣溶膠粒子，其LDR值較大，與文獻(xiàn)[18]是符合的。

2.3 厚層狀云的探測(cè)

圖3是3月26日探測(cè)到的厚層狀云回波。根據(jù)Ka雷達(dá)探測(cè)回波，云發(fā)展較高較厚，云厚超過(guò)5 km，云頂高達(dá)8.5 km。Ka雷達(dá)探測(cè)厚層狀云約在3.7 km左右有一條反射率因子亮帶，最高約15 dBZ，根據(jù)探空資料，零度等溫線為3.1 km，速度是連續(xù)增大的，沒(méi)有突然增大，LDR也沒(méi)有融化層亮帶特征，所以此處不是零度層亮帶，應(yīng)該是冰晶在下落中凝華增長(zhǎng)造成反射率因子增加，同高度對(duì)應(yīng)W波段雷達(dá)譜寬的一條明顯的亮帶，Ka波段雷達(dá)譜寬也有亮帶，速度是一致向下的，沒(méi)有上升氣流，說(shuō)明此處可能含有較多過(guò)冷水，冰晶和過(guò)冷水的混合造成譜寬增加，冰晶增長(zhǎng)快，但是W波段雷達(dá)沒(méi)有明顯的反射率因子亮帶，主要是因?yàn)楸л^大，進(jìn)入W波段的非瑞利散射區(qū)造成的。云底部離零度等溫線較近，冰晶沒(méi)有明顯的融化，并且由于蒸發(fā)，造成反射率因子的降低，因此回波沒(méi)有融化層特征。在探測(cè)厚云時(shí)，由于Ka波段雷達(dá)比W波段雷達(dá)衰減小，所以Ka波段雷達(dá)的穿透能力強(qiáng)，可以穿透發(fā)展融合在一起的厚云， W波段雷達(dá)也測(cè)到兩層云，但沒(méi)有完整反映云的結(jié)構(gòu)。兩部雷達(dá)徑向速度基本一致， W波段雷達(dá)譜寬亮帶明顯，退極化比相差不大，大的冰晶粒子具有較小LDR值約-24 dB(W波段雷達(dá))。根據(jù)探空資料，885 m以下為逆溫層，空氣相對(duì)濕度都小于80%，所以W波段雷達(dá)近地面探測(cè)回波為霾。

圖3 2015年3月26日層狀云回波 (a. W波段雷達(dá), b. Ka波段雷達(dá))Fig.3 The echoes of stratiform clouds on 26 March 2015 (a. W-band radar, b. Ka-band radar)

2.4 雪的探測(cè)

圖4是2015年1月28日兩部雷達(dá)探測(cè)的雪回波?？梢钥闯?，由于雪含水量較高，衰減較大，W波段雷達(dá)探測(cè)回波強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Ka波段雷達(dá)的，最大相差約10 dBZ，同時(shí)造成探測(cè)不到10 km的高云。W波段雷達(dá)僅穿透約5 km的高度，Ka波段雷達(dá)可穿透約7.5 km高度。Ka波段雷達(dá)測(cè)到雪的退極化比基本在-20～-18 dB，W波段雷達(dá)測(cè)到雪的退極化比基本在-20～-14 dB，徑向速度范圍基本一致，為-1.8～0 m/s，W波段雷達(dá)多普勒速度出現(xiàn)模糊。

圖4 2015年1月28日云回波 (a. W波段雷達(dá), b. Ka波段雷達(dá))Fig.4 The echoes of clouds on 28 January 2015 (a. W-band radar, b. Ka-band radar)

根據(jù)探空資料，整層大氣處于0 ℃以下。在Ka波段雷達(dá)回波強(qiáng)度圖中，可以看到：隨高度下降，回波強(qiáng)度基本是增強(qiáng)的，說(shuō)明冰晶在下落中增大，約5 km及3.75 km下面，對(duì)應(yīng)多普勒速度反而變小。結(jié)合W波段雷達(dá)速度圖，約在-0.2～0.2 m/s之間，對(duì)應(yīng)譜寬增大，說(shuō)明有較多過(guò)冷水及上升氣流存在，較大的冰晶克服空氣阻力朝向地面雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，過(guò)冷水的速度反映了上升氣流的速度，所以?xún)煞N粒子平均多普勒速度變小，譜寬變大。3.75 km以下，W波段雷達(dá)LDR存在約-14～-16 dB的較大值，可能與過(guò)冷水及上升氣流導(dǎo)致雪花凝華增長(zhǎng)從而造成非球形程度增大有關(guān)。W波段雷達(dá)回波強(qiáng)度基本是隨高度降低增加的，但2.5 km下面及近地面的回波強(qiáng)度變小，與雪花增大，出現(xiàn)非瑞利散射有關(guān)。約0.8～2.5 km之間，兩部雷達(dá)都對(duì)應(yīng)較小的譜寬及較大的速度，說(shuō)明雪花在下落中碰并增長(zhǎng)。0.8 km以下的近地面，速度隨時(shí)間變化劇烈，有時(shí)大有時(shí)小，譜寬也較大，主要是因?yàn)榻孛娲嬖趤y流引起的。W波段雷達(dá)譜寬總體比Ka波段雷達(dá)的大，可能與衰減及低信噪比有關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)將W波段雷達(dá)探測(cè)回波與可靠性較高的Ka波段雷達(dá)探測(cè)回波相比較，分析了不同種類(lèi)云探測(cè)結(jié)果差異的原因，驗(yàn)證了W波段雷達(dá)對(duì)非降水云及弱降水云的探測(cè)能力。結(jié)論如下：

1)在靜態(tài)試驗(yàn)期間，W波段雷達(dá)初樣機(jī)工作穩(wěn)定，兩個(gè)波段雷達(dá)都可以穿透幾層云，探測(cè)云底高、云頂高、云厚等宏觀參數(shù)，能清晰看到云內(nèi)結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)回波分析出云內(nèi)微物理過(guò)程。聯(lián)合回波強(qiáng)度、速度、譜寬及LDR的變化可以大體分析云內(nèi)過(guò)冷水及湍流情況，譜寬較大的地方說(shuō)明過(guò)冷水含量多或者存在湍流。

2)在增強(qiáng)模式下，W波段雷達(dá)探測(cè)霧、霾、低云的能力優(yōu)于Ka波段雷達(dá)，可以更細(xì)微反映云的精細(xì)結(jié)構(gòu)、湍流情況。對(duì)云層較薄、含水量較少的云(3.3 km以上)的探測(cè)，W波段雷達(dá)與Ka波段雷達(dá)探測(cè)能力基本相當(dāng)；對(duì)云層較厚、含水量較多的云及降水的探測(cè)，由于強(qiáng)衰減的作用，W波段雷達(dá)比Ka波段雷達(dá)探測(cè)能力弱，所測(cè)云厚度小、云頂?shù)?，回波?qiáng)度小。隨冰晶增大到一定程度，非瑞利散射造成W波段雷達(dá)的回波強(qiáng)度出現(xiàn)隨冰晶增大而降低的現(xiàn)象。

3)薄高云由于W波段雷達(dá)信噪比低、衰減等原因造成LDR值非常大外，W波段雷達(dá)探測(cè)冰晶云及雪花的LDR值基本在-22～-16 dB左右，與Ka波段雷達(dá)相差不大；W波段雷達(dá)探測(cè)冰晶粒子LDR偏小一點(diǎn)，探測(cè)雪花LDR稍大一點(diǎn)，應(yīng)該和粒子在兩個(gè)波段的散射特性的差異有關(guān)。霾的LDR較大，霧的LDR較小。通過(guò)分析大量的回波發(fā)現(xiàn)，W波段的譜寬范圍總體上要大于Ka波段雷達(dá)探測(cè)譜寬，除了速度模糊及信噪比較低的原因外，W波段的譜寬可能存在系統(tǒng)偏差，因?yàn)槲闹兄饕獜脑屏Ｗ由⑸涮匦?、云物理、云的結(jié)構(gòu)等方面定性分析W雷達(dá)的探測(cè)能力，沒(méi)有進(jìn)行定量分析，所以不能確定是否存在系統(tǒng)偏差，以后將針對(duì)這個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步探討。

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Comparison of the echoes detected by W-band and Ka-band cloud radars

WU Juxiu1, WEI Ming2, SU Tao3, WANG Xuerong3, LI Yong3, FAN Yaju3

(1.EnsuringCenterofAtmosphericSoundingTechnology,ShandongProvincialMeteorologicalBureau,Jinan250031,China; 2.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 3.AnhuiSun-CreateElectronicsCorporationLtd.,Hefei230088,China)

By analyzing the difference between the echoes detected by the W-band radar and the cloud echoes detected by Ka-band radar at the same time, the detection capabilities of the W-band radar prototype are verified. The results show that: 1) W-band radar prototype operates reliably. The macro-parameters of clouds including the layer, boundary and thicker, the fine structure of cloud and the change of the microphysics parameters of clouds can be obtained by both the two band radars. Strong echoes, small speed and broad spectrum of ice clouds reveal existence of updrafts and more supercooled water. 2) The capabilities to detect fog and haze of W-band radar with enhancement pattern in close to the ground is stronger than that of Ka-band radar. The two cloud radars have the same detection capabilities to thin clouds, but the less thicker, lower cloud top and less echo intensity for precipitation and thick clouds with more water content and multilayer clouds are measured by W-band radar because of the stronger attenuation to W-band radar, and the echo intensity of W-band radar is also reduced in the case of Rayleigh scattering.

W-band cloud radar; Ka-band cloud radar; detection capabilities; cloud echoes; microphysics parameters of clouds

2017-04-20；

2017-05-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41305031)；山東省氣象局課題(2015sdqxm13)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

吳舉秀(1974—)，女，博士，主要從事雷達(dá)氣象學(xué)研究，gurunmin@163.com。

P412.25

A

2096-3599(2017)02-0057-08

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.02.007