X波段相控陣?yán)走_(dá)與S波段雷達(dá)的對(duì)比分析

田聰聰，張羽，曾琳，李浩文，傅佩玲

（廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新一代多普勒氣象雷達(dá)的組網(wǎng)及業(yè)務(wù)運(yùn)行日趨完善，在臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了重要作用。新一代天氣雷達(dá)是多普勒天氣雷達(dá)，它不但能測(cè)量回波強(qiáng)度，還可以測(cè)量降水目標(biāo)物的徑向速度和速度譜寬。雙偏振升級(jí)改造后，還可以探測(cè)到差分反射率因子ZDR、差分相移ΦDP、差分相移率KDP以及相關(guān)系數(shù)CC等偏振參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析、反演，可以進(jìn)一步識(shí)別降水粒子的形狀大小、空間取向、相態(tài)分布以及降水類型等更為具體的信息［1-4］。但是新一代多普勒天氣雷達(dá)采用機(jī)械控制掃描，即通過(guò)改變雷達(dá)天線的方位和仰角實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣過(guò)程的三維掃描，當(dāng)前業(yè)務(wù)上常用的VCP 21掃描模式，6 min完成14層的掃描，對(duì)于快速變化的中小尺度天氣過(guò)程，如冰雹、龍卷、微下?lián)舯┝鞯痊F(xiàn)有雷達(dá)的體掃模式，在垂直方向的分辨率比較差，掃描周期過(guò)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

相控陣天氣雷達(dá)是靠相位控制掃描，其波束的轉(zhuǎn)換更為靈活迅速，能夠在1 min左右完成一個(gè)體掃，有助于雷達(dá)在短時(shí)間內(nèi)獲得更高時(shí)間分辨率的探測(cè)資料數(shù)據(jù)。雙偏振相控陣天氣雷達(dá)既具有相控陣?yán)走_(dá)快速掃描的特點(diǎn)，又擁有雙偏振雷達(dá)獲取天氣系統(tǒng)豐富探測(cè)信息的優(yōu)勢(shì)，從而使其具備了快速獲取中小尺度、快變天氣系統(tǒng)詳細(xì)信息的能力，在探測(cè)天氣系統(tǒng)內(nèi)部完整、精細(xì)的結(jié)構(gòu)上具有極大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也使得對(duì)降水粒子的形狀、相態(tài)、頻譜分布等微物理特征的細(xì)致分析成為可能［5-6］。為了驗(yàn)證新型X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)（XPAR-D）探測(cè)能力和數(shù)據(jù)可靠性，2017年開(kāi)始，依托中國(guó)氣象局超大城市綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)，廣州市氣象局與珠海納睿達(dá)科技有限公司合作，開(kāi)展X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)試驗(yàn)。2017年底開(kāi)始，第一臺(tái)雷達(dá)布設(shè)完成并開(kāi)始進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)。本研究利用試驗(yàn)期間觀測(cè)的一次層狀云和強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，分析該型雷達(dá)探測(cè)性能及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 XPAR-D系統(tǒng)簡(jiǎn)介

參與觀測(cè)試驗(yàn)的XPAR-D屬一維體制的相控陣?yán)走_(dá)，具備雙偏振探測(cè)功能，雷達(dá)俯仰方向采用電子掃描，水平方向采用機(jī)械掃描。雷達(dá)的主要性能指標(biāo)如表1所示。天線系統(tǒng)采用全固態(tài)收發(fā)TR組件的設(shè)計(jì)，通過(guò)在空間進(jìn)行多路能量合成而得到所需的發(fā)射功率以及在接收通道進(jìn)行多路信號(hào)同相合成。一共使用了64個(gè)全固態(tài)相參收發(fā)T/R組件，在收發(fā)T/R組件的損壞率不超過(guò)10%情況下，雷達(dá)還可以正常工作，進(jìn)一步提高了雷達(dá)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。雷達(dá)還采用了固態(tài)發(fā)射機(jī)，結(jié)合非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)，由100∶1的壓縮比例將20μs的寬脈沖壓縮為0.2μs。由于寬脈沖造成了約3 km的探測(cè)盲區(qū)，雷達(dá)采用長(zhǎng)短脈沖相結(jié)合的方式進(jìn)行補(bǔ)盲，兼顧最近和最遠(yuǎn)距離的探測(cè)。

表1 X波段相控陣天氣雷達(dá)與S波段雙偏振天氣雷達(dá)性能參數(shù)對(duì)比

2 對(duì)比觀測(cè)方法

為衡量XPAR-D的探測(cè)性能及數(shù)據(jù)可靠性，利用常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)與之進(jìn)行對(duì)比。常用的對(duì)比方法有直接對(duì)比法、格點(diǎn)對(duì)比法和對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)比法［7-9］。直接對(duì)比法利用采集到的兩部雷達(dá)的PPI數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)比，但要求兩部雷達(dá)位置基本一致、采用相同的掃描方式，并且時(shí)間上基本同步。在本研究的外場(chǎng)試驗(yàn)中，廣州S波段雙偏振雷達(dá)（CINRAD/SAD）位于番禺南村大鎮(zhèn)崗山頂，相控陣?yán)走_(dá)位于廣州市氣象局觀測(cè)場(chǎng)，兩者相距僅3.8 km（圖略），可近似認(rèn)為處于同一位置。采用直接對(duì)比法對(duì)兩部雷達(dá)的PPI探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

2020年4月5日，受冷空氣影響，廣州出現(xiàn)了大范圍層云降水天氣，兩部雷達(dá)都觀測(cè)到了該次降水。在該次降水過(guò)程中，XPAR-D和CINRAD/SA-D都采用體掃模式，XPAR-D在90 s完成11層的PPI掃描（0.9°～20.7°）；CINRAD/SA-D采用21模式，6 min內(nèi)完成9個(gè)仰角掃描（0.5°～19.5°）。為確保觀測(cè)時(shí)間的一致性，兩部雷達(dá)觀測(cè)體掃時(shí)間均為17：48（北京時(shí)，下同）。考慮XPAR-D在4.5°仰角以下都有遮擋，選擇4.5°以上仰角進(jìn)行對(duì)比。

3 對(duì)比結(jié)果及分析

3.1 回波結(jié)構(gòu)對(duì)比

XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一時(shí)刻觀測(cè)到的回波強(qiáng)度如圖1所示，選取的仰角分別為6.3°和6.0°，顯示距離均為42 km。

圖1 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）反射率因子對(duì)比

從回波強(qiáng)度看，XPAR-D未出現(xiàn)明顯衰減，兩部雷達(dá)觀測(cè)的回波強(qiáng)度基本相當(dāng)，介于5～35 dBz之間。在遠(yuǎn)距離處（＞30 km）XPAR-D探測(cè)的回波強(qiáng)度出現(xiàn)偏弱，這可能是由于XPAR-D波束較寬，在遠(yuǎn)距離處出現(xiàn)了明顯的波束平滑及充塞系數(shù)的降低有關(guān)。從回波結(jié)構(gòu)看，XPAR-D觀測(cè)到降水回波的結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，主要是由于XPAR-D最小空間分辨率高達(dá)30 m，遠(yuǎn)高于CINRAD/SA-D 250 m的最小分辨率。從回波面積看，CINRAD/SA-D的回波基本覆蓋了整個(gè)探測(cè)范圍，XPAR-D探測(cè)的回波面積小于CINRAD/SA-D，XPAR-D出現(xiàn)了較多的缺測(cè)區(qū)域，與CINRAD/SA-D的會(huì)回波對(duì)比發(fā)現(xiàn)，缺測(cè)部分主要分布在強(qiáng)度小于10 dBz的弱回波區(qū)域。這是由于XPAR-D雷達(dá)發(fā)射功率高、天線增益等遠(yuǎn)低于CINRAD/SA-D，導(dǎo)致靈敏度過(guò)低，無(wú)法探測(cè)到更多的弱回波數(shù)據(jù)。

兩部雷達(dá)的垂直剖面圖如圖2所示，從圖2可以看出，相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)連續(xù)性、時(shí)間一致性更好。相控陣?yán)走_(dá)在垂直方向采用電掃描，時(shí)間延遲極低，可以在0.2 s左右完成0.9°～20.7°的無(wú)間隙的垂直掃描，避免了傳統(tǒng)雷達(dá)由于仰角跳躍而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺測(cè)問(wèn)題，降低使用插值所帶來(lái)的數(shù)據(jù)可靠性。S波段天氣雷達(dá)方位和俯仰均采用機(jī)械伺服轉(zhuǎn)動(dòng)，在體掃時(shí)必須先完成一個(gè)360°的水平掃描再更換下一個(gè)仰角的機(jī)械掃描方式，使得其對(duì)垂直剖面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)延遲高達(dá)6 min，另外，為了節(jié)約掃描時(shí)間，S波段雷達(dá)還采用跳躍仰角掃描模式，只能通過(guò)插值方法來(lái)彌補(bǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失，這也就帶來(lái)了誤差，使得數(shù)據(jù)的可靠性降低。相控陣?yán)走_(dá)不僅掃描用時(shí)短，其特有的電子掃描方式還能在幾乎同一時(shí)刻完成各仰角的探測(cè)，獲取時(shí)間一致性的觀測(cè)數(shù)據(jù)，有利于快速變化的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)的分析與監(jiān)測(cè)。

圖2 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）層云降水RHI回波對(duì)比

3.2 靈敏度對(duì)比分析

靈敏度表示雷達(dá)接收微弱信號(hào)的能力。能接收到信號(hào)越微弱，則接收機(jī)的靈敏度越高，因而雷達(dá)的作用距離也就越遠(yuǎn)。靈敏度通常用最小可檢測(cè)功率表示，如果信號(hào)功率低于此值表示信號(hào)將被淹沒(méi)在噪聲之中，不能被可靠的檢測(cè)處理。靈敏度不便于直接測(cè)量，但是其在數(shù)據(jù)中反映為各距離庫(kù)中能夠記錄到的最小反射率因子。選取同一時(shí)次兩部雷達(dá)各仰角未經(jīng)插值處理的反射率因子數(shù)據(jù)按5 km分段統(tǒng)計(jì)最小值，畫(huà)出最小可測(cè)反射率因子沿距離變化的廓線圖，從而反映出不同雷達(dá)靈敏度的高低。從圖3可以看到，兩部雷達(dá)的靈敏度都隨著探測(cè)距離的增長(zhǎng)而變大，CINRAD/SA-D靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于XPAR-D，在30 km處，CINRAD/SA-D的最小可測(cè)反射率因子為0 dBz左右，XPAR-D則高達(dá)11 dBz。兩者差值達(dá)到11 dBz，靈敏度的差異是造成相控陣?yán)走_(dá)弱回波的探測(cè)能力，尤其是在較遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，顯著的低于CINRAD/SA-D，這將對(duì)XPARD探測(cè)到的回波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

圖3 最小可測(cè)反射率因子隨距離變化

3.3 徑向速度對(duì)比

XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一時(shí)刻探測(cè)的徑向速度如圖4所示，選取的仰角分別為6.3°和6.0°，顯示距離均為42 km，測(cè)速范圍均為±27 m/s。兩部雷達(dá)探測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本一致，零速度線基本吻合（S波段雷達(dá)由于地物濾波原因?qū)е?速度線被濾除，徑向速度圖上呈現(xiàn)為雷達(dá)站附近空白的缺測(cè)區(qū)域）。垂直方向的風(fēng)向隨著高度變化，近地層為東北風(fēng)，中層為東南風(fēng)，高層為西南風(fēng)。在270°方位角方向附近，兩部雷達(dá)都探測(cè)到了風(fēng)速大值區(qū)（-15至-20 m/s）。S波段雷達(dá)由于弱回波探測(cè)能力強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)面積更大，回波更完整。

圖4 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）徑向速度對(duì)比

3.4 差分反射率對(duì)比

差分反射率因子（ZDR）是反映云雨氣象目標(biāo)特征的主要參數(shù)之一，其在定量估測(cè)降水、降水粒子相態(tài)識(shí)別等方面有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)雙偏振雷達(dá)理論，小雨粒子的形狀較小，符合瑞利散射分布，粒子成球狀，其ZDR值應(yīng)接近于0。圖5是XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一時(shí)刻探測(cè)的ZDR，選取的仰角分別為6.3°和6.0°，顯示距離均為42 km，XPAR-D的ZDR分布均勻，主要集中在-1到1 dB之間，部分區(qū)域超過(guò)了1 dB，符合小雨的粒子特征。CINRAD/SA-D的ZDR比XPAR-D高1 dB左右，并在近距離處受地物影響明顯，數(shù)據(jù)噪聲較大。

圖5 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）差分反射率對(duì)比

3.5 相關(guān)系數(shù)對(duì)比

相關(guān)系數(shù)表示單個(gè)脈沖采樣體內(nèi)，水平和垂直極化脈沖返回信號(hào)的相似程度，反映了降水粒子對(duì)水平和垂直偏振波的后向散射的相關(guān)性，取值范圍從0到1.0。相關(guān)系數(shù)的大小與粒子的軸比、傾斜角、形狀不規(guī)則性以及相態(tài)有關(guān)，但它對(duì)雷達(dá)噪聲比較敏感，也容易受到地物雜波和旁瓣回波的影響。相關(guān)系數(shù)對(duì)比圖如圖6所示，可以看出弱降水下XPAR-D雷達(dá)的相關(guān)系數(shù)基本接近于1，近距離處，由于地物雜波等影響，出現(xiàn)了一些相關(guān)系數(shù)明顯降低的區(qū)域，而CINRAD/SAD雷達(dá)相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，在近距離受地物影響明顯，大部分相關(guān)系數(shù)都低至0.9以下。

圖6 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）相關(guān)系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1）X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)的回波結(jié)構(gòu)、回波強(qiáng)度、徑向速度等與S波段雷達(dá)基本一致。更高的空間分辨率能夠探測(cè)到回波更精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息；在垂直方向采用相控陣掃描，數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性優(yōu)于采用機(jī)械掃描體制的S波段雷達(dá)。

2）相控陣?yán)走_(dá)靈敏度比S波段雷達(dá)低11 dB左右，導(dǎo)致弱回波探測(cè)能力偏低。相控陣?yán)走_(dá)易受衰減影響，無(wú)法探測(cè)到更遠(yuǎn)距離處的回波信息。

3）相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)弱降水的差分反射率接近于0，純降水的相關(guān)系數(shù)接近于1。

需要說(shuō)明的是，本研究?jī)H是基于一次層狀云降水觀測(cè)資料對(duì)X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，而在強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中，X波段雷達(dá)會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減，對(duì)流云中粒子結(jié)構(gòu)、相態(tài)也更加復(fù)雜，與S波段雷達(dá)的觀測(cè)差異會(huì)更加明顯，需要進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)比分析，評(píng)估其探測(cè)能力。