強降水對X波段天氣雷達探測能力影響分析

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 王 軍 吳 雷

引言

降水、特別是強降水會使雷達電磁波產(chǎn)生衰減，從而引起回波資料的失真。有些雷達回波的失真在可控范圍之內(nèi)，對實際應(yīng)用不會產(chǎn)生重大影響，而有些失真已超出一般用戶的認知范圍，會對觀測、預(yù)報工作產(chǎn)生很大的負面影響，例如在強降水過程中參考已出現(xiàn)較大失真的雷達回波圖對機場飛行進行指揮調(diào)度。因此，探討降水對電磁波產(chǎn)生的衰減作用以及對雷達回波產(chǎn)生的影響，具有十分重要的意義。

1.電磁波在大氣中的衰減

降水對高頻段（如X波段）電磁波有很大的衰減，這一問題早在1951年已被Atlas和Banks證實[1]。為了訂正這種誤差, 1954年Hitschfeld和Bordan提出了對雨衰進行直接訂正的方法——HB算法[2]。但是由于此算法存在不穩(wěn)定性以及對雷達的校正誤差過于敏感，最終未能應(yīng)用于實踐。雖然研究人員都認識到雨衰對雷達會產(chǎn)生影響，但這種影響程度到底有多大，對單部雷達的影響臨界點是多少還無法進行理論上的測算。實際應(yīng)用中，在雷達回波圖上何時出現(xiàn)了雨衰影響，失真的程度有多大等問題，現(xiàn)在國內(nèi)還無直觀、科學(xué)的應(yīng)用研究。

對于雷達電磁波的衰減主要有：大氣溫度、云、雨、冰雹幾類，其中云對大氣的衰減影響較小，大氣溫度、雨、冰雹對衰減都有較大影響，本文中僅僅就雨、和冰雹對雷達電磁波的影響進行闡述。

1.1 降雨的衰減影響

電磁波在傳播過程中會被降雨所衰減，衰減程度隨波長變化。降雨對幾個波段的電磁波的衰減情況為(單程)[3]：

其中，λ為波長，k為衰減系數(shù)，單位dB/km，R為降水率，單位mm/h。

電磁波在雨中傳播時，如果其波長遠大于雨滴的直徑，則降雨衰減基本是由吸收引起的；而當波長與雨滴的直徑可相比擬時，則降雨衰減基本是由散射引起的，且電磁波的波長與雨滴的直徑越接近衰減就越大。電磁波的波長由雷達工作頻率所決定，雨滴直徑由雨的大小所決定，所以降雨衰減與電磁波的頻率及雨滴的大小有關(guān)。雨的衰減作用隨波長的增加而迅速減小，隨雨強的增大而增大，隨著溫度的不同而變化。對10cm 波長而言，雨的衰減影響很小，只是在雨強大到50 mm/h時,其衰減作用才和氣體衰減達到同一個量級，在實際工作中可以不考慮。對5 cm 波長，當它穿過大范圍中等以上雨強的雨區(qū)時衰減影響已經(jīng)比較顯著，而對3 cm 波長除了小范圍或弱降水以外，雨的衰減影響都比較大，在大范圍強降水時的衰減影響十分嚴重。不同波長（頻率）上，電磁波在雨中衰減率的變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同波長電磁波在降雨時的衰減情況

降雨對電磁波的衰減作用，使雷達測得的目標反射率因子與真實的反射率因子之間有一定差異，雷達定量測量降水的精度在很大程度上受到降水對雷達回波衰減的影響，因此當用波長較短(如3cm、5cm) 的天氣雷達探測強降水時, 衰減會導(dǎo)致雷達回波數(shù)據(jù)失去意義。

表1 3cm波長條件下降雨量、衰減、雨強的基本數(shù)值對照表

1.2 冰雹的衰減影響

冰雹也會造成雷達回波的嚴重衰減，對3cm波長雷達而言，在某些條件下衰減可以達到4dB/km，對5cm波長雷達同樣也有較大的衰減影響。

表2 冰雹的衰減系數(shù)kh(dB/km)

2.衰減引起的回波失真

2.1 衰減引起的回波失真模擬

由于衰減，雷達所顯示的降水回波將小于實際的降水區(qū)，尤其是在遠離雷達一側(cè)的降水區(qū)。為了形象地看出衰減所造成的回波失真，可對一個假設(shè)的雨區(qū)做理論計算，如圖2所示。圖2(a）為虛擬的雨區(qū)，呈圓形，直徑8km，中心降水強度為100mm/h，向邊緣均勻遞減。圖2(b）和2(c）分別是3cm和10cm雷達顯示的回波強度分布?？梢钥闯觯?0cm雷達由于衰減小，等回波強度線與等降水強度線接進一致，而3cm雷達由于衰減嚴重，遠離雷達一側(cè)的雨區(qū)顯示不完整，使回波的范圍縮小，形狀也發(fā)生失真，回波的中心位置向近雷達站一側(cè)產(chǎn)生偏移。

圖3演示的是接近同一時刻兩部位置相近的雷達對于同一雨區(qū)的回波顯示情況，風(fēng)暴A、B沿徑向排列。由圖中可以看到，3cm雷達所顯示的遠處B風(fēng)暴（強度為50dBZ）的回波范圍，由于受到近處A風(fēng)暴(強度為55dBZ)強烈衰減，明顯小于10cm雷達所探測到的B風(fēng)暴，而到17∶40分時已經(jīng)幾乎探測不到。同時近處的A風(fēng)暴的回波遠側(cè)，由于受其自身的衰減影響，也有嚴重的失真[4]。

2.2 真實環(huán)境下雨衰引起的回波失真分析

某地區(qū)有多普勒天氣雷達兩部，其中一部C波段雙偏振多普勒天氣雷達位于A處，一部X波段多普勒天氣雷達位于B處，兩部雷達相距45km。

下面兩組圖分別是2015年8月7日19點59分和2015年7月27日22點15分，兩部雷達在各自位置均以2度仰角進行PPI掃描時所獲取的回波圖。左邊為C波段雷達回波圖，其中紅色五角星位置是B雷達所在位置，右邊為X波段雷達回波圖，兩部雷達均處于正常工作狀態(tài)。

第一組：

該組圖4中左側(cè)的C波段雷達顯示量程150km，當時B處的X波段雷達在雨區(qū)中，其西北、正西、正東和東北方向均存在雨區(qū)，尤其是東北方向存在一個寬度近30km，深度近70km的強雨區(qū)。右側(cè)圖X波段雷達顯示量程75km，雖然這張圖也顯示了在B處周圍存在強雨區(qū)，但是雨區(qū)的寬度都很窄，特別是它的東北方向，在距離雷達站20km左右的位置顯示只有深度幾公里的強雨區(qū)存在，和C波段雷達顯示的回波圖相去甚遠。

第二組：

該組圖5中左側(cè)的C波段雷達和右側(cè)的X波段雷達顯示都是量程150km。從C波段雷達回波圖中可以看出X波段雷達正西以及西偏南方向有近40km深度的強雨區(qū)。X波段雷達的回波圖中也顯示出正西位置確實有強雨區(qū)，但雨區(qū)深度只有幾公里，而且在這片強雨區(qū)后面幾乎沒有任何回波顯示。

另外，右側(cè)回波圖中X波段雷達站東偏南方向100km左右距離存在有局地強降水，該回波效果比C波段雷達更精細。從該組圖可以看出，X波段雷達回波圖在正西方向的強雨區(qū)后方?jīng)]有任何顯示，而且從C波段雷達的回波圖來看該強雨區(qū)內(nèi)極可能存在冰雹之類的強對流天氣過程，正是由此造成X波段雷達回波大幅度衰減，削弱了雷達回波。

圖2 虛擬雨區(qū)在3cm雷達和10cm雷達上的回波強度分布

圖3 10cm和3cm雷達探測回波素描

圖4 雷達實際探測回波對比圖一

圖5 雷達實際探測回波對比圖二

3.總結(jié)

理論分析表明，在相同雨強條件下，3cm雷達和5cm雷達的反射率因子有一定的差異，并且這一差異隨著雨強的增加而變大[5]?？v觀各種資料都說明，S波段主要探測大雨、強風(fēng)暴和天氣預(yù)警，C波段主要探測中雨和雪，X波段主要探測小雨和雪，Ka波段主要探測云和云滴。

本文從X波段天氣雷達在實際中運行遇到的問題展開了一定的分析，在分析中可以明確各種波段的雷達都會遇到雨衰問題，只是X波段更加嚴重而已。因此，當業(yè)務(wù)工作中遇到強降水過程時，我們還是應(yīng)該多一些思考、多一份參考，最大限度保障安全。

4.結(jié)束語

最后，關(guān)于雨衰在天氣雷達探測中的影響，正如在文獻中所述[6]：在S波段如果不采取任何措施減小雨的影響，雷達作用距離在中等雨中也會大大下降。在更高的頻段，雷達更會因降雨而性能下降。

[1]Peter Meischner.Weather Radar Principles and Advanced Applications[M].Springer Press.1 edition, 2004,337pp.

[2]Marzoug,M.and P.Amayenc.Improved range profiling algorithm of rainfall rate from a space-borne radar with a path integrated constraint[J].IEEE Trans.Geosci. Remote Sens.1994,GE-29,584–592.

[3]程明虎等.暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達反演理論和方法[M].氣象出版社,2004.

[4]俞小鼎等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].氣象出版社,2007.

[5]張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達氣象學(xué)[M].氣象出版社,2001.

[6]Merrill I.Skolnik.雷達系統(tǒng)導(dǎo)論(第三版)[M].電子工業(yè)出版社,2007.