X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)支線機(jī)場(chǎng)應(yīng)用及分析

康曉華　周文杰　陳昶

摘 要：本文以在陜西省榆林榆陽(yáng)機(jī)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)為例，論述了工作原理，分析了雙偏振探測(cè)效果，對(duì)比了不同天氣條件下的雷達(dá)產(chǎn)品，通過(guò)典型的天氣過(guò)程分析該型雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)榆林機(jī)場(chǎng)航空氣象服務(wù)的支持能力，對(duì)全國(guó)其它支線機(jī)場(chǎng)的航空氣象服務(wù)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：X波段 雙偏振 試驗(yàn)驗(yàn)證 航空氣象服務(wù)

引 語(yǔ)

X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，具備多普勒天氣雷達(dá)的功能，獲取回波的強(qiáng)度、相位信息之外，還具備獲取了回波的偏振（極化）信息，通常有如下幾種雙偏振參數(shù)：差分反射率因子，差分傳播相位常數(shù)，線性退偏振比，相關(guān)系數(shù)。此外，它還具有全固態(tài)的優(yōu)勢(shì)，故障率低、體積小、輕便、易安裝、易維護(hù)等特點(diǎn)。

中國(guó)民航局于2012年下發(fā)的《民用機(jī)場(chǎng)多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于天氣雷達(dá)頻率的種類增加了X波段，旨在滿足不同類型的機(jī)場(chǎng)的需要。近幾年，中國(guó)民用航空運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)中也開始逐步應(yīng)用X波段天氣雷達(dá)，例如呼倫貝爾東山國(guó)際機(jī)場(chǎng)、祁連機(jī)場(chǎng)等。因此，研究X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在支線機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用具有重要意義。

雙偏振天氣雷達(dá)經(jīng)過(guò)多年的研究應(yīng)用，技術(shù)已日趨成熟，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較多，如中電14所、中電38所、航天二院23所、成都錦江784廠等均有不同型號(hào)、不同波段的雙偏振天氣雷達(dá)。

1 基本原理

本文所涉及的X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)是航天二院23所研制的WR-X100型，屬于單發(fā)雙收偏振天氣雷達(dá)，發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)體制，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

雷達(dá)發(fā)射機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的工作時(shí)序，產(chǎn)生高功率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)、極化開關(guān)、環(huán)行器、耦合器和正交模耦合器到達(dá)饋源，根據(jù)極化開關(guān)控制狀態(tài)以水平或垂直極化方式由天線輻射出去。

天線輻射出去的電磁波遇到云、雨等氣象目標(biāo)，產(chǎn)生后向散射，成為氣象目標(biāo)的回波信號(hào)。經(jīng)天線接收到的回波信號(hào)通過(guò)正交模耦合器后分為兩路，一路經(jīng)環(huán)行器、保護(hù)開關(guān)、耦合器，送往接收機(jī)的水平極化接收通道；另一路經(jīng)環(huán)行器、保護(hù)開關(guān)、耦合器，進(jìn)入接收機(jī)的垂直極化接收通道。兩路回波信號(hào)經(jīng)低噪聲放大、兩次混頻和濾波后，最終形成60MHz的中頻信號(hào)。數(shù)字中頻接收機(jī)對(duì)水平極化中頻信號(hào)和垂直極化中頻信號(hào)進(jìn)行A/D變換、數(shù)字下變頻、濾波、脈壓等處理，得到信號(hào)功率、頻率和相位信息，形成兩路相干的反映信號(hào)強(qiáng)度和相位信息的數(shù)字正交視頻信號(hào)I、Q，信號(hào)處理器對(duì)I、Q正交視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字視頻積分處理（DVIP）、脈沖對(duì)（PPP）或快速傅立葉變換（FFT）等處理后，輸出氣象目標(biāo)的信號(hào)功率、徑向速度、速度譜寬、信噪比、信號(hào)質(zhì)量指數(shù)、雙程差分傳播相移、零延遲相關(guān)系數(shù)等參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步處理，并進(jìn)行一定的質(zhì)量控制，生成并顯示回波強(qiáng)度、徑向速度、譜寬、線性退極化比、差分反射率因子、差分傳播相位常數(shù)等。

終端分系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)向用戶提供氣象目標(biāo)的位置、強(qiáng)弱、徑向速度、譜寬及極化特征等信息，并且可以通過(guò)進(jìn)一步處理，提供基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品、物理量產(chǎn)品、風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品、識(shí)別產(chǎn)品等氣象產(chǎn)品。

2 雙偏振探測(cè)效果分析

我們選取2016年7月5日至2017年9月9日天氣雷達(dá)的雙偏振產(chǎn)品為依據(jù)，通過(guò)榆林機(jī)場(chǎng)的天氣過(guò)程實(shí)例對(duì)雷達(dá)雙偏振產(chǎn)品進(jìn)行分析。

1、差分反射率

差分反射率是有效的估算粒子的形狀參數(shù)之一，其表達(dá)式為：

其中，式1中Zhh為雷達(dá)發(fā)射水平偏振波時(shí)接收水平偏振波的反射率因子dBZ值；Zvv為雷達(dá)發(fā)射垂直偏振波時(shí)接收垂直偏振波的反射率因子dBZ值。通常，氣象回波Zdr典型值在-2～6dB之間。雨滴的形狀近似扁平的橢球體，若雨滴越大，粒子形狀越接近扁平，水平極化波遇到粒子后向散射的回波功率將比垂直極化波后向散射回波功率大得多，即Zhh>Zvv，因此，Zdr>0；冰雹的形態(tài)為球形，水平極化波遇到粒子后向散射的回波功率等于垂直極化波后向散射回波功率，即Zhh=Zvv，因此，Zdr=0。

圖2為一次雨夾雪天氣過(guò)程中的Zdr圖像，榆林機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雨夾雪天氣，以雨為主。圖中榆林機(jī)場(chǎng)10km范圍內(nèi)Zdr在0.5～1之間；10km～40km范圍內(nèi)稍高云層中存在大量固態(tài)降水粒子，Zdr在-1～0之間。

2、相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)描述了雷達(dá)發(fā)射的水平極化波與垂直極化波后向散射回波特性的一致性程度。零值極化相關(guān)系數(shù)其表達(dá)式為：

（式2）

Rhh（0）、Rvv（0）分別是水平極化回波與垂直極化回波的零階自相關(guān)函數(shù)，而Rhv（0）為水平極化回波與垂直極化回波的零階互相關(guān)函數(shù)。當(dāng)水平極化波和垂直極化波完全一致時(shí)，ρhv（0）為100%，即為1，否則<1。有些雷達(dá)的相關(guān)系數(shù)的分辨率為0.0001，精度為0.01。

在比較基本反射率，差分反射率與相關(guān)系數(shù)的產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，影響識(shí)別粒子的因素，也將影響ρhv（0）值的大小。后文中相關(guān)系數(shù)用ρ來(lái)表示。

圖3為一次強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中的ρhv（0）圖像，榆林機(jī)場(chǎng)東部25km～40km處出現(xiàn)降水伴冰雹。圖中黑色橢圓處，其ρhv（0）<0.8，顯示出區(qū)域內(nèi)降水粒子的一致性較低，存在大量不同相態(tài)的降水粒子。

3、差分傳播相移

在雙偏振天氣雷達(dá)中，差分相移用來(lái)研究給定距離上水平極化脈沖與垂直極化脈沖沿同一傳播介質(zhì)路徑上傳播導(dǎo)致的相位差值。降水粒子降落時(shí)形狀類似橢球體，水平軸距要大于垂直軸距，水平極化脈沖在水平方向上受雨水的影響更大，在雨滴中傳播的速度比垂直極化脈沖傳播的速度慢。其表達(dá)式為：

（式3）

式中，，為水平偏振波通過(guò)降水目標(biāo)后散射回天線的相對(duì)變化量，為垂直偏振波通過(guò)降水目標(biāo)后散射回天線的相對(duì)變化量。由于降水目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，和的量是不同的。

是降水目標(biāo)區(qū)中距雷達(dá)r1和r2兩點(diǎn)之間區(qū)域的平均差分傳播相位常數(shù)。降水區(qū)中的液態(tài)水含量越多，值越大。

過(guò)去定量測(cè)量降水依據(jù)Z-I（反射率-雨強(qiáng)）模式，因?yàn)槭苡甑巫V易變的影響，如降水中出現(xiàn)冰雹，使Z值增大，就會(huì)估高降水量。

圖4為一次強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中的圖像，榆林機(jī)場(chǎng)東部25km～40km處出現(xiàn)降水伴冰雹，較為均勻，并未因出現(xiàn)冰雹而對(duì)降水量出現(xiàn)明顯高估。

4、線退偏振比

線退偏振比LDR定義為交叉偏振信號(hào)功率與同向偏振信號(hào)功率的比值。其公式表示為：

dB（式4）

或者

dB（式5）

式中是發(fā)射水平偏振波時(shí)，接收到垂直偏振波的反射率因子dBZ值。

中科院大氣物理研究所漆梁波等2002年的數(shù)值研究表明，利用LDR<-35dB這一判斷來(lái)識(shí)別冰雹，無(wú)論對(duì)X、C、S波段天氣雷達(dá)均有效。

由于交叉偏振的功率值比同向偏振功率要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以線性退偏振比比差分反射率因子和相關(guān)系數(shù)更容易受到噪聲污染的影響。

當(dāng)球形水凝物降落，它們的主軸既不平行也不垂直于電場(chǎng)方向時(shí)就會(huì)產(chǎn)生交叉偏振信號(hào)，即意味著如果一個(gè)垂直（水平）偏振的入射電場(chǎng)與某個(gè)軸平行的話則不會(huì)產(chǎn)生水平（垂直）偏振的后向散射，因此，LDR趨向于-∞dB。在降落過(guò)程中，扁平球形粒子搖擺不定，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾斜角的分布，因此LDR值會(huì)增大。另外，不規(guī)則形狀的水凝物也能導(dǎo)致LDR增加。

由降雨引起的退偏振比值非常小，約為-30dB左右。扁平干冰雹或霰的退偏振比約為-20dB，雪花即使顆粒非常扁平，其偏振比也非常小，大約-32dB左右。

圖5為一次冰雹天氣過(guò)程中的圖像。在榆林機(jī)場(chǎng)東部18km處附近出現(xiàn)冰雹天氣。

在實(shí)際的天氣過(guò)程分析中，單一的偏振量不能準(zhǔn)確判斷天氣現(xiàn)象的時(shí)候，需要利用其它氣象因素（物理量）來(lái)綜合判斷。

3 天氣過(guò)程分析

雷達(dá)系統(tǒng)的使用效果最終體現(xiàn)在航空氣象服務(wù)上，而復(fù)雜天氣過(guò)程的分析能夠較全面地檢驗(yàn)雷達(dá)產(chǎn)品的性能。選取若干榆林機(jī)場(chǎng)保障的典型天氣過(guò)程，對(duì)該型雷達(dá)在監(jiān)測(cè)預(yù)警和短臨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

與X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)試驗(yàn)驗(yàn)證分析對(duì)比的天氣雷達(dá)是陜西省榆林氣象局CINRAD/CB雷達(dá)，數(shù)據(jù)對(duì)比前應(yīng)考慮的因素是相對(duì)坐標(biāo)位置和地物雜波。

（1）相對(duì)坐標(biāo)位置

（2）地物雜波的影響

圖7可以看出，0.5°PPI掃描榆林機(jī)場(chǎng)東部30°～150°方向50km有明顯地物遮擋，1.5°PPI地物對(duì)回波仍有影響，2.4°基本無(wú)影響，因此，數(shù)據(jù)對(duì)比過(guò)程中應(yīng)考慮地物對(duì)回波反射率的影響，選擇體掃數(shù)據(jù)中第三層（2.4°）及以上可以基本剔除地物對(duì)于回波反射率的影響。

1、颮線

2016年7月14日傍晚，有颮線自西北向東南逼近榆林機(jī)場(chǎng)，由X波段雷達(dá)的組合反射率（CR）演變分析，颮線的形態(tài)清晰，颮線上的雷暴單體組織結(jié)構(gòu)完整，回波邊界清楚，能夠觀測(cè)到颮線系統(tǒng)的移動(dòng)和單體的形態(tài)變化，從而判斷系統(tǒng)的移向移速和發(fā)展趨勢(shì)。如下圖8所示：

對(duì)比X波段雷達(dá)與C波段雷達(dá)相近時(shí)次的組合反射率（CR）產(chǎn)品（圖9中左圖為X波段雷達(dá)，右圖為C波段雷達(dá)），二者探測(cè)到的颮線系統(tǒng)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和回波強(qiáng)度基本一致，對(duì)流單體的數(shù)量和位置一致；X波段雷達(dá)在颮線后部的較強(qiáng)回波處探測(cè)到的回波反射率因子較弱（右圖紫圈處），主要是由于X波段雷達(dá)相比于C波段雷達(dá)的電磁波穿透能力較弱，有一定程度的衰減。

X波段雷達(dá)產(chǎn)品終端中的二次產(chǎn)品“風(fēng)暴信息追蹤”，準(zhǔn)確識(shí)別出7個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體，如下圖10中白圈所示。

2、雨夾雪

2017年3月23日，榆林機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雨夾雪天氣。雷達(dá)雙偏振產(chǎn)品圖選取了體掃中的第三層，距中心點(diǎn)約60公里處觀測(cè)到零度層亮帶，且零度層亮帶回波清晰、形態(tài)完整，結(jié)合仰角和水平距離信息，可以估算零度層所在高度，對(duì)榆林機(jī)場(chǎng)及附近降水的相態(tài)判斷有指示意義：中心點(diǎn)附近差分反射率約1～3dB，中心點(diǎn)附近在-10～-15dB，回波中心區(qū)域相關(guān)系數(shù)ρ在0.8～0.9之間，結(jié)合上述信息，可以判斷其降水相態(tài)為濕雪或雨夾雪。如下圖11所示：

3、層狀云降水

圖12左圖為C波段雷達(dá)，右圖為X波段雷達(dá)，對(duì)比相近時(shí)次兩部雷達(dá)的組合反射率（CR）產(chǎn)品，二者回波范圍、回波形態(tài)基本一致。

4、冰雹

2017年06月14日16時(shí)30分～2017年06月14日17時(shí)20分，榆林機(jī)場(chǎng)榆林機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雷雨天氣并伴有冰雹。由兩部雷達(dá)（圖13中左圖為C波段雷達(dá)，右圖為X波段雷達(dá)）1.5°仰角下的PPI圖像可以看出，在機(jī)場(chǎng)西北方向有一西北-東南向線狀回波逼近榆林機(jī)場(chǎng)，最強(qiáng)處回波反射率強(qiáng)度約65dBz；榆林機(jī)場(chǎng)東部孤立對(duì)流回波的缺失主要是由于東部地形的遮擋和此X波段雷達(dá)探測(cè)距離只有100公里導(dǎo)致。

16時(shí)34分X波段雷達(dá)在該時(shí)次2.4°仰角下的Z、、ρ、產(chǎn)品經(jīng)放大后如下圖14所示：

經(jīng)分析，中心點(diǎn)及附近回波反射率強(qiáng)度大于50dBz，極大值約65dBz，約1～2dB，為較小的正值，ρ在0.9～0.95之間，結(jié)合上述信息，可以判斷出上述區(qū)域有冰雹出現(xiàn)，且為小雹或雹雨混合降水。

16時(shí)48分，榆林機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)冰雹，觀測(cè)發(fā)布SPECI報(bào)，報(bào)文內(nèi)容如下圖15所示，與雷達(dá)信息分析出的結(jié)論相吻合。

5.雷暴

2017年7月25日下午，榆林機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)一次雷雨天氣過(guò)程。預(yù)報(bào)員通過(guò)對(duì)天氣形勢(shì)的判斷和雷達(dá)信息（如下圖16）的分析，認(rèn)為榆林機(jī)場(chǎng)西部的對(duì)流回波將東移影響榆林機(jī)場(chǎng)，得出榆林機(jī)場(chǎng)將出現(xiàn)雷雨的天氣結(jié)論，并在13時(shí)（世界時(shí)）的機(jī)場(chǎng)例行天氣報(bào)告（METAR報(bào)）中附加榆林機(jī)場(chǎng)將出現(xiàn)中等強(qiáng)度雷雨的趨勢(shì)預(yù)報(bào)，在隨后的機(jī)場(chǎng)例行天氣報(bào)告（METAR報(bào)）及機(jī)場(chǎng)特殊天氣報(bào)告（SPEIC報(bào)）（如下圖）中得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中獲取資料的天氣現(xiàn)象種類有限，只是初步定性分析了各偏振因子與降水強(qiáng)度、冰雹等的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)此次試驗(yàn)驗(yàn)證的觀測(cè)資料分析，得出如下結(jié)論：

（1）X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)功能、性能能夠滿足支線機(jī)場(chǎng)航空氣象業(yè)務(wù)的需求。

（2）X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)整體性能穩(wěn)定，移動(dòng)和架設(shè)快捷方便，可在重大活動(dòng)和突發(fā)性事件的天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮作用。

（3）雷達(dá)觀測(cè)所取得的雙偏振產(chǎn)品資料基本可靠。反射率因子Z的值能較好地反映降水的強(qiáng)度，差分傳播相移和相關(guān)系數(shù)ρ的值能較好地反映云內(nèi)粒子相態(tài)?？傮w而言，強(qiáng)度信息與偏振量有較好的對(duì)應(yīng)。

（4）雷達(dá)存在速度模糊，在降低探測(cè)距離的情況下，不能較好的消除速度模糊，采用雙發(fā)雙收的系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)消除速度模糊有較好的作用。

應(yīng)用結(jié)果表明，X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)工作穩(wěn)定，功能齊全，探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率高，準(zhǔn)確可靠，實(shí)際應(yīng)用中彌補(bǔ)了支線機(jī)場(chǎng)無(wú)降水、降雪、雷暴等天氣現(xiàn)象自動(dòng)探測(cè)設(shè)備的空白，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)提升支線機(jī)場(chǎng)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的提前量和準(zhǔn)確性有重大意義，對(duì)提高支線機(jī)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力具有積極作用，符合民航支線機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

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