S波段雙偏振雷達(dá)和X波段相控陣天氣雷達(dá)中氣旋識(shí)別結(jié)果對(duì)比*

蘇永彥 劉黎平

1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081

提 要： 為了比較S波段雙偏振雷達(dá)資料和X波段相控陣天氣雷達(dá)資料識(shí)別中氣旋的差異，結(jié)合X波段相控陣天氣雷達(dá)(XPAR)和S波段雙偏振天氣雷達(dá)(SPOL)及地面觀測(cè)資料，對(duì)比分析了2019年4月19日發(fā)生在廣州的一次中小尺度天氣過程，結(jié)果顯示：使用的識(shí)別算法可以正確識(shí)別出中氣旋；XPAR的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)SPOL仰角層不足的缺陷，觀測(cè)到更加完整的中氣旋垂直結(jié)構(gòu)，識(shí)別結(jié)果中的參數(shù)也比SPOL更加細(xì)致，更精準(zhǔn)地揭示了中氣旋的短時(shí)演變。研究結(jié)果表明XPAR對(duì)于強(qiáng)天氣回波的觀測(cè)識(shí)別性能相比SPOL具有持續(xù)時(shí)間更長、垂直結(jié)構(gòu)更加精細(xì)、正負(fù)速度對(duì)差值更大、隨整個(gè)天氣過程演變更加細(xì)致等優(yōu)勢(shì)，有利于對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的快速發(fā)展、演變開展細(xì)致深入的研究。

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣中的暴雨、冰雹、強(qiáng)風(fēng)、龍卷等中小尺度天氣系統(tǒng)是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的主要原因。中尺度氣旋是中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的重要組成部分，是雷暴尺度的渦旋，帶有中氣旋的對(duì)流風(fēng)暴具有很高概率產(chǎn)生龍卷、冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，因此中氣旋的出現(xiàn)是強(qiáng)對(duì)流天氣即將發(fā)生的明顯信號(hào)和主要預(yù)警指標(biāo)。如果能提前精準(zhǔn)識(shí)別中氣旋，便能在很大程度上減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

我國新一代天氣雷達(dá)(CINRAD)采用的業(yè)務(wù)觀測(cè)模式一般為VCP21模式，掃描周期較長(6 min)，仰角層較為不足(9層仰角且分布不均)，導(dǎo)致其垂直分辨率不足，對(duì)中氣旋識(shí)別、參數(shù)定量估計(jì)和快速演變探測(cè)能力有待進(jìn)一步提高。雙偏振天氣雷達(dá)采用發(fā)射水平和垂直偏振的電磁波來對(duì)粒子相態(tài)進(jìn)行識(shí)別及對(duì)降水率進(jìn)行準(zhǔn)確的定量估測(cè)。相控陣天氣雷達(dá)則通過提高雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率來提高觀測(cè)性能，目前已經(jīng)被逐步運(yùn)用到實(shí)際業(yè)務(wù)之中，是可能廣泛應(yīng)用的下一代天氣雷達(dá)技術(shù)。

早在2002年，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)就被美國國家雷達(dá)技術(shù)委員會(huì)推薦為未來取代美國WSR-88D系統(tǒng)的技術(shù)，2006年美國聯(lián)邦氣象工作辦公室的工作報(bào)告也推薦可同時(shí)服務(wù)于天氣過程監(jiān)測(cè)、空管和飛機(jī)跟蹤的相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)(Weber et al，2007)。為了分析相控陣天氣雷達(dá)的這些優(yōu)勢(shì)，評(píng)估其應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，為進(jìn)一步發(fā)展替代WSR-88D的技術(shù)，美國建立了國家氣象雷達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)，將退役的宙斯盾(SPY-1)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行改造，建立了兩維相掃體制的相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)，安裝在俄克拉何馬州的諾曼市，并進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)(Weadon et al, 2009)。2016年美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)工作人員對(duì)一次使用WSR-88D雷達(dá)探測(cè)龍卷風(fēng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)該雷達(dá)能夠正確識(shí)別出龍卷風(fēng)中的渦旋特征，但當(dāng)中氣旋距離雷達(dá)較遠(yuǎn)時(shí)，WSR-88D識(shí)別結(jié)果誤差較大，甚至識(shí)別不出渦旋特征(Steve, 2016)，垂直結(jié)構(gòu)特征也不明顯。同年日本研究人員使用單極化相控陣?yán)走_(dá)對(duì)千葉市一次降水過程進(jìn)行探測(cè)，觀測(cè)到了明顯的垂直風(fēng)切變并且含有明顯的垂直發(fā)展回波(Kashiwayanagi et al，2016)。日本研究人員在2018年還利用X波段相控陣天氣雷達(dá)對(duì)東京市一次強(qiáng)對(duì)流天氣中含有的中氣旋進(jìn)行了三維分析，通過三維快速掃描揭示了中氣旋的空間結(jié)構(gòu)及快速發(fā)展過程(Shimamura et al，2019)。通過與WSR-88D雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相控陣天氣雷達(dá)能夠更好和更準(zhǔn)確地探測(cè)快速變化的天氣系統(tǒng)，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流過程的分析和預(yù)警非常有用。除此之外，美國還討論了在相控陣天線上實(shí)現(xiàn)雙偏振技術(shù)，制定了實(shí)現(xiàn)氣象和導(dǎo)航等多任務(wù)功能(MPAR)的相控陣?yán)走_(dá)可行性方案及性能指標(biāo)。同時(shí)，美國的協(xié)同適應(yīng)性大氣遙感觀測(cè)計(jì)劃(collaborative adaptive sensing of the atmosphere，CASA)也采用了“相控陣小雷達(dá)”，以提高低空探測(cè)能力。美國計(jì)劃在2025年完成對(duì)目前機(jī)械掃描多普勒天氣雷達(dá)的替換。

中國也開展了對(duì)于相控陣和雙偏振雷達(dá)技術(shù)的研究。2007年，中國氣象科學(xué)研究院與中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所等單位合作，攻克了軍用相控陣?yán)走_(dá)向相控陣天氣雷達(dá)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了一部S波段相控陣天氣雷達(dá)原理樣機(jī)(張志強(qiáng)和劉黎平，2011)，獲得了部分資料，并開展了相控陣天氣雷達(dá)方面的研究，證明了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的可行性。2009年，中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司合作，研發(fā)專門應(yīng)用于快速變化的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的車載X波段相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)。2014年，中國氣象科學(xué)研究院的研究人員研究了相控陣天氣雷達(dá)的測(cè)試和定標(biāo)方法，并利用該雷達(dá)與C波段雙線偏振雷達(dá)于2013年4—6月在廣東省江門市鶴山站進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)該雷達(dá)觀測(cè)模式及其對(duì)快速變化的對(duì)流云演變過程的觀測(cè)能力。廣州、佛山、珠海等地也布設(shè)了X波段相控陣天氣雷達(dá)網(wǎng)，進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流的觀測(cè)。2016年中國氣象科學(xué)研究院的研究人員利用X波段相控陣天氣雷達(dá)(XPAR)和S波段雙偏振天氣雷達(dá)(SPOL)對(duì)華南一次強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行了分析，XPAR獲取了時(shí)空分辨率遠(yuǎn)高于SPOL的觀測(cè)資料，可以彌補(bǔ)SPOL仰角層不足的缺陷，觀測(cè)到了超級(jí)單體完整的垂直結(jié)構(gòu)，可更精確地描述超級(jí)單體的短時(shí)演變，但衰減較為嚴(yán)重，難以觀測(cè)到10 dBz以下的回波(于明慧等，2019)。2019年9月在江蘇高郵安裝了國內(nèi)第一部C波段相控陣天氣雷達(dá)。

在中氣旋識(shí)別方面的進(jìn)展，大致分為三個(gè)階段：第一階段，即Donaldson(1970)提出的使用徑向速度的方位切變值和垂直伸展厚度值作為中氣旋識(shí)別判據(jù)，閾值為徑向速度方位切變值≥5×10-3s-1，其伸展厚度大于3 km；第二階段，即1977年NSSL研究人員提出的使用與距雷達(dá)距離有關(guān)的徑向速度方位切變閾值和厚度閾值識(shí)別中氣旋，數(shù)值為在距雷達(dá)230 km；以內(nèi)方位切變值≥5×10-3s-1，其伸展厚度大于3 km；在230 km以外切變值≥1×10-3s-1，無厚度要求(JDOP, 1979)，此后，針對(duì)中氣旋的研究一直使用該識(shí)別判據(jù)；第三階段，即1987年NSSL研究人員在多普勒/閃電試驗(yàn)中首次提出的，其使用旋轉(zhuǎn)速度代替方位切變值作為判據(jù)(Forsyth et al, 1989)。Andra(1997)根據(jù)美國俄克拉何馬中部伴有強(qiáng)雹和龍卷的中氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)給出了距雷達(dá)不同距離圈上觀測(cè)到的旋轉(zhuǎn)速度和中氣旋強(qiáng)度的關(guān)系，將中氣旋判據(jù)進(jìn)行了細(xì)化，其分成了弱切變、弱中氣旋、中等強(qiáng)度中氣旋、強(qiáng)中氣旋四個(gè)區(qū)域，并沿用至今。

近年來國內(nèi)也提出了許多中氣旋識(shí)別方法。2001年，胡明寶等(2003)利用多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖識(shí)別中氣旋的方法設(shè)計(jì)了自動(dòng)識(shí)別軟件，個(gè)例測(cè)試表明：該方法識(shí)別出的中尺度氣旋與反射率因子圖上出現(xiàn)的鉤狀回波相對(duì)應(yīng)，用徑向速度圖進(jìn)行不同高度之間的驗(yàn)證性識(shí)別可降低報(bào)錯(cuò)率。陶嵐(2006)研究了以蘭金模式(Rankin)為基礎(chǔ)的中氣旋三維識(shí)別技術(shù)，即通過在不同仰角的徑向速度圖上尋找、提取三維特征信息，進(jìn)而與中氣旋的切變和時(shí)空連續(xù)性三條判據(jù)進(jìn)行比對(duì)，去掉不符合條件的偽中氣旋，最后再使用NSSL的算法進(jìn)行后期的驗(yàn)證。2010年，廣東工業(yè)大學(xué)和廣州中心氣象臺(tái)提出了一種基于浸水模擬改進(jìn)算法的中氣旋自動(dòng)識(shí)別方法。該方法利用應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)圖像分割，得到符合特征要求的廣義極值區(qū)域，進(jìn)而在徑向速度灰度圖中得到符合基本屬性特征的凸峰和凹谷區(qū)，并利用兩者關(guān)系檢測(cè)中氣旋(潘運(yùn)紅等，2010)。2017年，天津大學(xué)提出了一種基于速度對(duì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的中氣旋識(shí)別方法，該方法利用圖像樹形結(jié)構(gòu)分析方法，用樹的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一片同強(qiáng)度區(qū)域，用邊代表不同強(qiáng)度區(qū)域間的重疊關(guān)系，先在雷達(dá)的徑向速度場(chǎng)中尋找速度極值區(qū)域，包括速度極大值區(qū)域和速度極小值區(qū)域，然后通過匹配的方式獲取渦旋的速度對(duì)結(jié)構(gòu)。該方法直接從檢測(cè)單仰角徑向速度圖中的二維正負(fù)速度對(duì)結(jié)構(gòu)入手，避免了因一維切變段檢測(cè)造成的誤報(bào)問題，為速度對(duì)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)極值區(qū)域設(shè)計(jì)樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既可將中氣旋的蘭金條件隱含于其中，又有效避免了環(huán)境風(fēng)的影響(侯謹(jǐn)毅和王萍，2017)。

為了進(jìn)一步分析SPOL和XPAR探測(cè)強(qiáng)對(duì)流的能力，本文以兩種雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)中氣旋識(shí)別結(jié)果進(jìn)行定量對(duì)比，以進(jìn)一步提高對(duì)中小尺度氣旋系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

1 資料來源和方法

本文使用的觀測(cè)設(shè)備如下：(1)架設(shè)在廣州白云區(qū)帽峰山森林公園的XPAR，可獲取最大掃描范圍42 km的徑向速度數(shù)據(jù)及12層仰角的垂直結(jié)構(gòu)。(2)位于廣州番禺區(qū)的SPOL，可掃描230 km半徑的回波強(qiáng)度以及偏振數(shù)據(jù)，且衰減極低。其中SPOL為廣東省氣象局業(yè)務(wù)雷達(dá)，按業(yè)務(wù)規(guī)定需定期進(jìn)行周維護(hù)和月維護(hù)，且S波段雷達(dá)幾乎無衰減，因此數(shù)據(jù)較為可靠；XPAR為廣州4部組網(wǎng)相控陣天氣雷達(dá)中的一部，已完成定標(biāo)并投入使用，且雷達(dá)本身使用了自適應(yīng)約束的衰減訂正方法，因此無需進(jìn)行重復(fù)的衰減訂正，數(shù)據(jù)也相對(duì)可靠(程元慧等，2020)。識(shí)別中氣旋最主要是運(yùn)用徑向速度，雷達(dá)探測(cè)徑向速度主要依據(jù)多普勒頻移原理，在雷達(dá)得到較好標(biāo)定，雷達(dá)頻率穩(wěn)定性得到保障的前提下，一般可以達(dá)到較好的探測(cè)精度。圖1給出了兩部雷達(dá)的相對(duì)位置。

圖1 SPOL和XPAR的相對(duì)位置Fig.1 Relative position of SPOL and XPAR

XPAR性能主要指標(biāo)見表1，本次外場(chǎng)試驗(yàn)期間，XPAR獲取一個(gè)樣本(即雷達(dá)對(duì)所有仰角掃描完畢，獲得該時(shí)刻所有仰角層的徑向數(shù)據(jù)，以下統(tǒng)稱一次體掃)所需時(shí)間為1.5 min，掃描后可得到均勻分布的12層仰角掃描資料，能夠獲得最均衡的時(shí)空分辨率。表1還同時(shí)列出了SPOL的相關(guān)參數(shù)，其中SPOL采用常規(guī)拋物面天線，以VCP21的觀測(cè)模式進(jìn)行觀測(cè)。

表1 XPAR和SPOL的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of XPAR and SPOL

理論上，XPAR時(shí)空分辨率越高，能觀測(cè)到的中氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)更加精細(xì)，觀測(cè)到的中氣旋生命史時(shí)間應(yīng)當(dāng)更長，識(shí)別的中氣旋正負(fù)速度對(duì)差值應(yīng)當(dāng)更大，但由于XPAR波長較短，因此與SPOL相比,XPAR衰減更嚴(yán)重且容易發(fā)生速度模糊。

表2給出了雨強(qiáng)對(duì)兩個(gè)波段雷達(dá)的衰減情況，由表可知在反射率因子超過55 dBz時(shí)，X波段雷達(dá)衰減極為嚴(yán)重，而S波段雷達(dá)衰減很少。且由廠家提供的技術(shù)手冊(cè)可知，距離雷達(dá)10 km處，最小可測(cè)回波強(qiáng)度是10 dBz，若可測(cè)信號(hào)低于該數(shù)值，雷達(dá)將無法探測(cè)到有用信號(hào)。因此雖然XPAR的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過衰減訂正，但如果在回波距雷達(dá)過遠(yuǎn)，或回波強(qiáng)度很弱的情況下，回波本身已經(jīng)衰減至觀測(cè)不到，那么也就無法進(jìn)行衰減訂正了，這是不可避免的。

表2 不同雨強(qiáng)條件下X與S波段雷達(dá)的衰減Table 2 Attenuation of X-band and S-band radars under different rain intensities

在進(jìn)行本文所做工作之前，使用該算法對(duì)廣州市SPOL的2016年數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果與業(yè)務(wù)雷達(dá)中氣旋識(shí)別算法識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別結(jié)果基本吻合，算法運(yùn)行穩(wěn)定，因此使用該算法進(jìn)行本文所述工作。

2 識(shí)別結(jié)果對(duì)比

由于XPAR的時(shí)空分辨率要高于SPOL，理論上在相同時(shí)間、相同區(qū)域內(nèi)XPAR對(duì)于中氣旋的識(shí)別數(shù)量要多于SPOL，即大部分處于XPAR探測(cè)范圍內(nèi)的SPOL識(shí)別結(jié)果也同樣能被XPAR識(shí)別出。因此本文的思路是先在SPOL雷達(dá)數(shù)據(jù)上尋找距離合適的中氣旋識(shí)別結(jié)果，進(jìn)行地理坐標(biāo)換算后與相近時(shí)間的XPAR識(shí)別結(jié)果相比對(duì)，若處于換算后位置的比對(duì)結(jié)果符合中氣旋標(biāo)準(zhǔn)(正負(fù)速度對(duì)差值大于20 m·s-1，垂直厚度大于3 km，持續(xù)時(shí)間大于等于2個(gè)體掃)，則將兩個(gè)結(jié)果判斷為同一中氣旋，再對(duì)兩部雷達(dá)識(shí)別參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2給出了SPOL 3.29°和XPAR 2.70°分別在2019年4月19日03:42:01—03:54:00和03:41:20 —03:53:38的共計(jì)6個(gè)時(shí)刻的徑向速度PPI圖。在色標(biāo)選擇上，XPAR探測(cè)最大不模糊徑向速度為32 m·s-1，SPOL探測(cè)最大不模糊徑向速度為30 m·s-1，但由于兩部雷達(dá)的徑向速度輸出參數(shù)中最大速度大多處于20～26 m·s-1，因此為方便對(duì)比，本文XPAR和SPOL選用同一色標(biāo)。

從圖2可以看出，本次中小尺度天氣過程自西向東發(fā)展，并且在該時(shí)間段內(nèi)兩部雷達(dá)識(shí)別出兩個(gè)中氣旋個(gè)例A和B。為了方便對(duì)比相近時(shí)間兩部雷達(dá)的徑向速度PPI圖，圖2并未給出識(shí)別出兩個(gè)中氣旋的所有時(shí)刻的速度圖，文章后半部分將會(huì)展示所有時(shí)刻的中氣旋對(duì)比圖。 對(duì)于中氣旋個(gè)例A來說，SPOL最初在03:42:01(圖2a)識(shí)別出黑圈所標(biāo)出的距雷達(dá)33 km的該中氣旋個(gè)例，直到03:54:00(圖2c)最后一次識(shí)別出距雷達(dá)40 km處的該中氣旋個(gè)例；而XPAR在03:41:20(圖2d)時(shí)刻第一次識(shí)別出該中氣旋個(gè)例，距雷達(dá)36 km，03:55:10為最后一次識(shí)別出該中氣旋的時(shí)刻，距雷達(dá)18 km。對(duì)于中氣旋個(gè)例B來說，SPOL最初在03:54:00(圖2c)識(shí)別出距雷達(dá)56 km的該中氣旋個(gè)例，直到04:00:01時(shí)刻最后一次識(shí)別出距雷達(dá)54 km的該中氣旋個(gè)例；XPAR雷達(dá)在03:53:38(圖2f)時(shí)刻第一次識(shí)別出該中氣旋個(gè)例，距雷達(dá)31 km，04:02:51為最后一次識(shí)別出該中氣旋的時(shí)刻，距雷達(dá)25 km。

2.1 生命史差異

由圖2及前文所述，SPOL識(shí)別中氣旋A的時(shí)間段為03:42:01—03:54:00，歷經(jīng)11 min 59 s(即3個(gè)體掃)；XPAR識(shí)別中氣旋A的時(shí)間段為03:41:20—03:55:10，歷經(jīng)13 min 50 s(即9個(gè)體掃)。從起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻可以看出，XPAR識(shí)別的該中氣旋個(gè)例的起始時(shí)刻比SPOL早41 s，在SPOL上一個(gè)體掃數(shù)據(jù)時(shí)刻后，結(jié)束時(shí)刻比SPOL晚1 min 10 s，在SPOL下一個(gè)體掃數(shù)據(jù)時(shí)刻前，而SPOL在03:36:00和04:00:00時(shí)刻均未識(shí)別出該位置存在中氣旋。

圖2 2019年4月19日SPOL 3.29°(a,b,c)和XPAR 2.70°(d,e,f)分別在時(shí)刻相近的兩時(shí)間段內(nèi)的中氣旋識(shí)別結(jié)果徑向速度PPI圖(黑色圓圈內(nèi)為該中氣旋個(gè)例區(qū)域，下同)Fig.2 The radial velocity PPI of SPOL at 3.29° elevation angle (a, b, c) and XPAR at 2.70° elevation angle (d, e, f) in two similar time periods on 19 April 2019(The black circle is the mesocyclone area， the same below)

對(duì)于中氣旋B，SPOL識(shí)別該中氣旋時(shí)間段為03:54:00—04:00:01，歷經(jīng)6 min 1 s(即2個(gè)體掃)；XPAR識(shí)別該中氣旋時(shí)間段為03:53:38—04:02:51，歷經(jīng)9 min 13 s(即7個(gè)體掃)。從起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻可以看出，XPAR識(shí)別的該中氣旋個(gè)例的起始時(shí)間比SPOL早22 s，也恰好在SPOL上一個(gè)體掃數(shù)據(jù)時(shí)刻后，結(jié)束時(shí)刻比SPOL晚2 min 50 s，在下一個(gè)體掃數(shù)據(jù)時(shí)刻前，而SPOL在03:48:00和04:06:01 時(shí)刻均未識(shí)別出該位置存在中氣旋。

因此，XPAR由于具有較高的時(shí)間分辨率，其探測(cè)到的中氣旋發(fā)展的生命史更為完整。

2.2 中氣旋參數(shù)差異

2.2.1 徑向速度特征

理論上來說，與背景風(fēng)場(chǎng)相同的方向會(huì)存在速度模糊的情況，導(dǎo)致虛假的中氣旋識(shí)別，但通過查看本文所述中氣旋個(gè)例輸出的徑向速度值文本文件發(fā)現(xiàn)，徑向速度最大值均小于雷達(dá)的最大不模糊速度，而從徑向速度圖中也未看出明顯的速度模糊區(qū)域，因此未做退速度模糊處理。由于XPAR和SPOL數(shù)據(jù)時(shí)刻不重疊，因此本文選取了相對(duì)接近且三維渦旋內(nèi)部的二維特征較多的時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，即對(duì)于中氣旋個(gè)例A，SPOL選取2019年4月19日的03:42:01—03:54:00，XPAR選取19日的03:41:20 —03:55:10，選取時(shí)間段兩部雷達(dá)初始和結(jié)束時(shí)間相差1 min 10 s(XPAR延后一個(gè)體掃)，其中SPOL經(jīng)過3個(gè)體掃，XPAR經(jīng)過10個(gè)體掃；對(duì)于中氣旋個(gè)例B，SPOL選取2019年4月19日的03:54:00—04:00:01，XPAR選取19日的03:53:38—04:02:51，其中SPOL經(jīng)過2個(gè)體掃，XPAR經(jīng)過7個(gè)體掃； SPOL和XPAR在中氣旋個(gè)例A和B分別對(duì)應(yīng)時(shí)間段識(shí)別結(jié)果及主要參數(shù)對(duì)比如圖3和圖4所示。

圖3 2019年4月19日03:42:01—03:54:00 SPOL和03:41:20—03:55:10 XPAR觀測(cè)中氣旋個(gè)例A的徑向速度極值差和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的垂直厚度隨時(shí)間的變化Fig.3 The difference between extreme values of radial velocity and vertical thickness at corresponding time of mesocyclone Case A by SPOL from 03:42:01 BT to 03:54:00 BT 19 April 2019, and by XPAR from 03:41:20 BT to 03:55:10 BT 19 April 2019

由于兩部雷達(dá)所處海拔高度不同，而SPOL的3.29° 仰角識(shí)別出的中氣旋所在位置經(jīng)過坐標(biāo)換算后并無XPAR仰角對(duì)應(yīng)，因此選取相鄰兩個(gè)大仰角(2.70°，4.49°)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，又由于在所選時(shí)間段內(nèi)2.70°仰角的二維特征識(shí)別結(jié)果多于4.49°，為了更詳細(xì)地分析兩部雷達(dá)的差異，因而著重對(duì)比2.70°。

圖3和圖4給出了兩部雷達(dá)分別在被選取的時(shí)間段內(nèi)識(shí)別該中氣旋的徑向速度極值差和垂直厚度隨時(shí)間變化情況，其中圖3由于03:53:38時(shí)刻XPAR未在該層仰角識(shí)別出二維中氣旋，因此圖中未給出該時(shí)刻的徑向速度極值差。由圖3和圖4可以看出，在絕大多數(shù)時(shí)刻，XPAR得益于更高的時(shí)空分辨率，識(shí)別的中氣旋最大最小徑向速度差值和垂直厚度數(shù)值均比SPOL大，并且從徑向速度差值變化可以看出，XPAR可以更清晰地顯示正負(fù)速度對(duì)差值和中氣旋垂直延展厚度隨時(shí)間細(xì)微的變化情況，例如圖3所示中氣旋個(gè)例A的03:41:20—03:47:29 期間XPAR識(shí)別中氣旋個(gè)例A識(shí)別正負(fù)速度對(duì)差值從52.6 m·s-1變?yōu)?2.2 m·s-1，而SPOL識(shí)別該中氣旋個(gè)例正負(fù)速度對(duì)差值均為47 m·s-1，無變化，03:47:29—03:55:10期間XPAR識(shí)別該中氣旋個(gè)例正負(fù)速度對(duì)差值經(jīng)歷了先減小、再增大、再減小的過程，甚至在03:50:33 時(shí)刻減小至SPOL的直線下方，而SPOL識(shí)別結(jié)果僅減小了很小的數(shù)值。圖4所示中氣旋個(gè)例B同理。由于識(shí)別正負(fù)速度對(duì)差值是現(xiàn)有中氣旋識(shí)別算法中的第一步，也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，XPAR相比于SPOL在識(shí)別正負(fù)速度上的優(yōu)勢(shì)也能從一定程度上反映出識(shí)別中氣旋的優(yōu)勢(shì)。

圖5給出了03:42:01—03:54:00的SPOL的3.29°仰角觀測(cè)到的中氣旋個(gè)例A在徑向速度圖上的特征以及相應(yīng)時(shí)刻中氣旋中心方位的垂直剖面。

圖5 2019年4月19日03:42:01(a,d), 03:48:00(b,e)和03:54:00(c,f) SPOL 3.29°仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例A的徑向速度(a,b,c)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的中心方位垂直剖面(d,e,f)(圖5a～5c的黑色虛線方向?yàn)橹袣庑卣髦行姆轿坏膹较蚍较?，圖5d～5f的黑色虛線標(biāo)注即為中氣旋特征中心距雷達(dá)的距離，下同)Fig.5 Radial velocity (a, b, c) and vertical section of center azimuth at corresponding time (d, e, f) of mesocyclone Case A observed by SPOL at 3.29° elevation at 03:42:01 BT (a, d), 03:48:00 BT (b, e) and 03:54:00 BT (c, f) 19 April 2019(The black dotted lines in Figs.5a-5c are the radial direction of the feature center of the mesocyclone, and the black dotted lines in Figs.5d-5f are the distance from the feature center of the mesocyclone to the radar, the same below)

其中圖5a～5c的黑色虛線方向?yàn)橹袣庑卣髦行姆轿坏膹较蚍较?，需要注意的是，本文所述的特征中心方位均表示的是算法判斷該被?biāo)記為二維中氣旋的特征區(qū)域內(nèi)由每個(gè)模式矢量動(dòng)量加權(quán)所得的中心方位，和最大最小方位的中間值有所不同的是，該方位理論上來說是該特征區(qū)域強(qiáng)度最強(qiáng)，切向方向旋轉(zhuǎn)速度最大的位置，因此不一定在特征區(qū)域方位的正中間，下文同理。圖5d～5f的黑色虛線標(biāo)注即為中氣旋算法識(shí)別中氣旋特征中心位置距雷達(dá)的距離。

由圖5可以清晰地分辨出三個(gè)時(shí)刻明顯的正負(fù)速度區(qū)域，且該區(qū)域隨時(shí)間推移由西向東發(fā)展的過程，與算法識(shí)別結(jié)果吻合，因此SPOL可以較為直觀地展現(xiàn)出中氣旋的隨時(shí)間的變化，但由于SPOL一個(gè)體掃時(shí)間較長(約6 min)，因此從識(shí)別結(jié)果上來說無法給出更精細(xì)的中氣旋參數(shù)變化，從圖中也無法更加細(xì)致地分辨出整個(gè)渦旋在當(dāng)前仰角內(nèi)部的發(fā)展。垂直結(jié)構(gòu)方面，可以看出由于仰角層分布不均，在中高層仰角有大量空白區(qū)域的存在，因此SPOL對(duì)于中氣旋垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)并不十分清晰，對(duì)于整個(gè)中氣旋發(fā)展過程中相鄰時(shí)刻各層仰角速度值的轉(zhuǎn)變也較為突兀。再加上該算法所計(jì)算的中氣旋中心為二維中氣旋中所有模式矢量加權(quán)平均的結(jié)果，因此受其垂直分辨率的限制，較難對(duì)三維中氣旋進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)的研究。

圖6給出了03:41:20—03:55:10期間XPAR的2.70°仰角觀測(cè)到的和SPOL相同的中氣旋個(gè)例A在徑向速度圖上的特征以及相應(yīng)時(shí)刻中氣旋中心方位的垂直剖面。需要注意的是在03:53:38時(shí)刻，由于該特征內(nèi)模式矢量數(shù)不足的原因，2.70°仰角識(shí)別該區(qū)域?yàn)槎S風(fēng)切變，未將其判斷為二維中氣旋，但對(duì)整個(gè)三維渦旋的中氣旋判定沒有影響，因此本文沒有給出03:53:38的XPAR的徑向速度及垂直剖面。

圖6 2019年4月19日03:41:20—03:55:10 XPAR的2.70°仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例A的徑向速度(a～e，k～n)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的中心方位垂直剖面(f～j，o～r)Fig.6 Radial velocity (a-e, k-n) and vertical section of center azimuth at corresponding time (f-j, o-r) of mesocyclone Case A observed by XPAR at 2.70° elevation from 03:41:20 BT to 03:55:10 BT 19 April 2019

由圖6可以清晰地分辨出9個(gè)時(shí)刻明顯的正負(fù)速度區(qū)域，并隨時(shí)間由西南向東北偏東方向發(fā)展，與算法識(shí)別結(jié)果吻合，因此XPAR可以較為直觀地展現(xiàn)出中氣旋的隨時(shí)間的變化情況，圖6a～6e，6k～6n的黑色虛線方向即為中氣旋特征中心方位的徑向方向；圖6f～6j，6o～6r的黑色虛線標(biāo)注即為中氣旋算法識(shí)別中氣旋中心位置的距離?？梢钥闯鲇捎赬PAR仰角層分布較為均勻，因此從圖中能夠較為清晰地看出中氣旋中心區(qū)域徑向速度的垂直結(jié)構(gòu)變化，即從低層仰角正速度居多，逐漸向中層仰角正速度居多的轉(zhuǎn)變。

圖7和圖8分別給出了中氣旋個(gè)例B持續(xù)時(shí)間內(nèi)兩部雷達(dá)識(shí)別的徑向速度和對(duì)應(yīng)時(shí)刻中心方位垂直剖面。相比于中氣旋個(gè)例A的識(shí)別差異，圖7和圖8所示中氣旋個(gè)例B的兩部雷達(dá)識(shí)別結(jié)果差異更為明顯，由于該中氣旋僅覆蓋了SPOL的兩個(gè)體掃，因此對(duì)于該中氣旋的發(fā)展情況更加難以分辨，在垂直剖面圖中僅能分辨出大體上數(shù)值的變化，而從XPAR的垂直結(jié)構(gòu)圖中，雖然整個(gè)二維特征區(qū)域(臨近黑色虛線)的速度值變化并不那么明顯，但整個(gè)天氣過程對(duì)于該區(qū)域的影響依舊非常清晰。

圖7 2019年4月19日03:54:00(a,c)和04:00:01(b,d) SPOL的3.29°的仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例B的徑向速度(a,b)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的中心方位垂直剖面(c,d)Fig.7 Radial velocity (a, b) and vertical section of center azimuth at corresponding time (c, d) of mesocyclone Case B observed by SPOL at 3.29° elevation at 03:54:00 BT (a, c) and 04:00:01 BT (b, d) 19 April 2019

綜合圖3～圖8可以看出，由于兩部雷達(dá)時(shí)空分辨率的差異，XPAR對(duì)于二維中氣旋的追蹤性能更為優(yōu)秀，可以清晰地看到西南方向負(fù)速度區(qū)域與東北方向正速度區(qū)域融合的過程，并且從識(shí)別結(jié)果(圓圈標(biāo)記)中可以看到二維中氣旋在整個(gè)單層仰角中的發(fā)展情況，與識(shí)別結(jié)果相符合。在垂直結(jié)構(gòu)方面，XPAR也能清晰地分辨出隨著時(shí)間推移該中氣旋從低層正速度居多逐轉(zhuǎn)變?yōu)橹袑泳佣嗟臓顟B(tài)，而SPOL垂直剖面圖并未展示出這一點(diǎn)，這從算法輸出中的XPAR 2.70°仰角正負(fù)速度差值、SPOL 3.29°仰角正負(fù)速度差值也可以看出。因此，得益于更加均勻的仰角層分布，XPAR對(duì)于中氣旋垂直結(jié)構(gòu)方面的識(shí)別性能要更為優(yōu)秀。

圖8 2019年4月19日03:53:38—04:02:51 XPAR的2.70°的仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例B的徑向速度(a～d，i～k)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的中心方位垂直剖面(e～h，l～n)Fig.8 Radial velocity (a-d, i-k) and vertical section of center azimuth at corresponding time (e-h, l-n) of mesocyclone Case B observed by XPAR at 2.70° elevation from 03:53:00 BT to 04:02:51 BT 19 April 2019

算法輸出結(jié)果方面，在識(shí)別中氣旋地理高度相近的兩層仰角(SPOL 3.29°，XPAR 2.70°)，XPAR識(shí)別的絕大部分正負(fù)速度差值比SPOL要大，垂直延展性方面，XPAR識(shí)別的垂直延展厚度均大于SPOL，與預(yù)期結(jié)果相吻合。

2.2.2 回波強(qiáng)度特征

為了從多方面驗(yàn)證本算法識(shí)別的準(zhǔn)確性及兩部雷達(dá)識(shí)別結(jié)果的差異，本文對(duì)中氣旋個(gè)例A和B的CAPPI反射率進(jìn)行了分析，對(duì)比了兩中氣旋個(gè)例分別在兩種雷達(dá)上的回波結(jié)構(gòu)。

圖9給出了SPOL 3.29°仰角03:42:01—03:54:00 三個(gè)時(shí)刻的中氣旋個(gè)例A的CAPPI反射率圖和XPAR 2.70°仰角03:41:20—03:55:10中相近三個(gè)時(shí)刻的中氣旋個(gè)例A的CAPPI反射率圖，其中黑色圓圈為前文所述中氣旋個(gè)例A的位置。圖10給出了SPOL 3.29°仰角03:54:00和04:00:01兩個(gè)時(shí)刻的中氣旋個(gè)例B的CAPPI反射率和XPAR 2.70°仰角03:53:38和04:01:18中相近兩個(gè)時(shí)刻的中氣旋個(gè)例B的CAPPI反射率圖，其中黑色圓圈為前文所述中氣旋個(gè)例B的位置。色標(biāo)選擇方面，為了方便對(duì)比相同中氣旋個(gè)例在兩部雷達(dá)上回波結(jié)構(gòu)的一致性，同時(shí)對(duì)比說明兩部雷達(dá)的衰減差異，本文選用同一色標(biāo)。

由圖9和圖10可以清晰地看出，在CAPPI圖上兩部雷達(dá)識(shí)別的兩個(gè)中氣旋回波強(qiáng)度相近，且回波結(jié)構(gòu)大致相同。從圖9的9a～9c中可以大致看出整個(gè)天氣過程自西向東的發(fā)展情況，但較難對(duì)回波內(nèi)部的強(qiáng)度進(jìn)行分析。相比于SPOL的觀測(cè)結(jié)果，從圖9d～9f中可以清晰看出XPAR識(shí)別該中氣旋從最初所處的回波區(qū)域與鄰近區(qū)域融合并逐步由西南向東北偏東方向發(fā)展，以及中氣旋內(nèi)部的回波強(qiáng)度變化情況，圖10同理。但是由于XPAR的波長較短，導(dǎo)致衰減較為嚴(yán)重，難以觀測(cè)到15 dBz以下的弱回波。垂直結(jié)構(gòu)方面，XPAR的回波強(qiáng)度垂直結(jié)構(gòu)可以清晰地看出在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)回波強(qiáng)度的垂直結(jié)構(gòu)變化情況(強(qiáng)度中心逐漸從底層向高層移動(dòng))，而SPOL的垂直結(jié)構(gòu)圖則未展現(xiàn)出這一點(diǎn)。

圖9 2019年4月19日03:42:01(a,g), 03:48:00(b,h)和03:54:00(c,i) SPOL(a～c,g～i)，以及03:41:20(d,j), 03:47:29(e,k)和03:55:10(f,l) XPAR(d～f,j～l)觀測(cè)中氣旋個(gè)例A的CAPPI反射率(a～f)及對(duì)應(yīng)兩部雷達(dá)該時(shí)刻的垂直剖面(g～l)Fig.9 The CAPPI reflectivity (a-f) of mesocyclone Case A and the vertical section of the two radars at that time (g-l) observed by SPOL (a-c, g-i), by XPAR (d-f, j-l) at 03:41:20 BT (d, j), 03:47:29 BT (e, k) and 03:55:10 BT (f, l) at 03:42:01 BT (a, g), 03:48:00 BT (b, h) and 03:54:00 BT (c, i) 19 April 2019

圖10 2019年4月19日03:54:00(a,c)和04:00:01(b,d) SPOL的3.29°的仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例B的CAPPI反射率(a,b)以及03:53:38(e,g)和04:01:18(f,h) XPAR的2.70°仰角觀測(cè)中氣旋個(gè)例B的CAPPI反射率(e,f)及對(duì)應(yīng)兩部雷達(dá)該時(shí)刻的垂直剖面(c,d: SPOL；g,h: XPAR)Fig.10 The CAPPI reflectivity (a, b) of mesocyclone Case B observed by SPOL at 3.29° elevation angle at 03:54:00 BT (a, c) and 04:00:01 BT (b, d) and the CAPPI reflectivity (e, f) of the mesocyclone Case B observed by XPAR at 2.70° elevation angle at 03:53:38 BT (e, g) and 04:01:18 BT (f, h) 19 April 2019 and the vertical section of the two radars at that time (c, d: SPOL; g, h: XPAR)

2.3 二維特征識(shí)別數(shù)量差異

如前所述，SPOL和XPAR分別在03:42:01—03:54:00和03:41:20—03:55:10識(shí)別出了同一渦旋，由于在單層仰角內(nèi)被標(biāo)記為二維中氣旋的特征數(shù)量會(huì)直接影響該特征隸屬的三維渦旋是否被標(biāo)記為三維中氣旋，且由于中氣旋個(gè)例B持續(xù)時(shí)間較短，內(nèi)部的二維特征數(shù)量較少，因此圖11給出了中氣旋個(gè)例A在XPAR 03:47:29時(shí)刻和SPOL 03:48:00 時(shí)刻兩部雷達(dá)識(shí)別出所有屬于該三維中氣旋個(gè)例的被標(biāo)記為二維中氣旋的特征的徑向速度圖。由于中氣旋個(gè)例A在兩部雷達(dá)當(dāng)前仰角所含的特征數(shù)量較多，距離較為接近，且不是二維中氣旋的特征在算法中僅起到了區(qū)分三維風(fēng)切變和非相關(guān)切變的作用，對(duì)三維中氣旋的判斷并無影響，因此為了避免混淆，圖11僅圈出了該時(shí)刻被標(biāo)記為二維中氣旋的特征。

為了方便對(duì)比，本文在圖11a的三個(gè)特征上標(biāo)注序號(hào)1～3，圖11b的三個(gè)特征上標(biāo)注序號(hào)4～6。經(jīng)過地理坐標(biāo)換算，序號(hào)1和4，序號(hào)2和6分別是同一個(gè)特征，其中圖11b中4號(hào)特征在圖中可以發(fā)現(xiàn)可能是由于速度模糊問題被誤判，但從圖11a的1號(hào)特征中并未觀察到明顯的速度模糊情況，因此在應(yīng)對(duì)速度模糊問題方面兩部雷達(dá)識(shí)別結(jié)果也能進(jìn)行一定程度上的互補(bǔ)。對(duì)于被XPAR識(shí)別的3號(hào)特征，經(jīng)過中間值查詢，發(fā)現(xiàn)在SPOL識(shí)別結(jié)果中由于內(nèi)部能夠形成模式矢量的速度對(duì)太少，沒有被歸結(jié)為能夠形成中氣旋的特征。對(duì)于被SPOL識(shí)別的5號(hào)特征，經(jīng)過中間值查詢，發(fā)現(xiàn)在XPAR識(shí)別結(jié)果中由于其特征內(nèi)部所含的模式矢量相距過遠(yuǎn)，且由于5號(hào)中氣旋在XPAR上對(duì)應(yīng)位置離雷達(dá)距離較遠(yuǎn)，因此衰減較為嚴(yán)重，再加上回波面積較大導(dǎo)致有些弱回波觀測(cè)不到，因此未被判斷為有效特征。

圖11 2019年4月19日XPAR(a)和SPOL(b)分別在03:47:29與03:48:00時(shí)刻識(shí)別出三維中氣旋個(gè)例A中所有二維中氣旋的徑向速度(黑色圓圈為二維中氣旋區(qū)域)Fig.11 All 2D mesocyclone radial velocity maps identified by XPAR (a) and SPOL (b) in 3D mesocyclone Case A at 03:47:29 BT (XPAR) and 03:48:00 BT (SPOL) 19 April 2019(The black circle is the 2D-mesocyclone area)

總體來說，兩部雷達(dá)識(shí)別的同一中氣旋個(gè)例內(nèi)特征數(shù)基本相同，但由于水平分辨率差異(SPOL徑向距離庫大)，導(dǎo)致有些正負(fù)速度對(duì)未被識(shí)別。而XPAR由于波長小，因此強(qiáng)回波的衰減較為嚴(yán)重，導(dǎo)致有些稍弱的回波觀測(cè)不到，直接影響了中氣旋的識(shí)別性能。

3 退速度模糊

首先，由前文所述，XPAR速度模糊問題較為嚴(yán)重，而速度模糊會(huì)導(dǎo)致虛假的中氣旋識(shí)別，因此如何處理速度模糊問題是改善中氣旋識(shí)別結(jié)果的一個(gè)重要部分。前文所述中氣旋個(gè)例皆是正確識(shí)別的中氣旋，虛假中氣旋分析及處理方法僅存在于本節(jié)所述內(nèi)容。

本文最初的想法是依次對(duì)所有徑向庫上的速度從近到遠(yuǎn)做退速度模糊，即尋找同一徑向上相鄰速度跳變過大的區(qū)域(正負(fù)速度差值大于50 m·s-1)，然后在該徑向上將該區(qū)域的第一個(gè)速度假設(shè)為正確的徑向速度，將后一速度加上或減去前一速度與最大不模糊速度(XPAR最大不模糊速度為32 m·s-1)之間的差值，再將后一速度更正為得到的新速度，以此類推。處理后的效果如圖12所示。

由圖12可見，SPOL退模糊效果較好，含有速度模糊情況的橙色區(qū)域基本更正為了深藍(lán)色區(qū)域，但在圖12c和12d中，XPAR由于數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因，存在很多極小的空白區(qū)域(無效徑向速度)，這些空白區(qū)域影響了該退模糊方法的進(jìn)行，導(dǎo)致無法進(jìn)行有效的速度退模糊。

圖12 SPOL(a,b)和XPAR(c,d)經(jīng)過簡(jiǎn)易退模糊前(a,c)、后(b,d)效果對(duì)比Fig.12 Effect comparisons of SPOL (a, b) and XPAR (c, d) before (a, c) and after (b, d) simple deblurring

由于研發(fā)一種適應(yīng)相控陣天氣雷達(dá)的退模糊算法較為復(fù)雜，因此本節(jié)從中氣旋識(shí)別算法邏輯本身入手，將可能由于速度模糊導(dǎo)致的虛假中氣旋標(biāo)記出來，后期由人工進(jìn)行判斷。由前文可知，在算法中存在一個(gè)被標(biāo)記為二維中氣旋的特征和被標(biāo)記為二維風(fēng)切變的特征這一概念。而對(duì)于三維渦旋來說，若同一渦旋內(nèi)只要存在大于等于2個(gè)二維中氣旋，則該渦旋被判定為三維中氣旋；若同一渦旋內(nèi)存在一個(gè)二維中氣旋，另存在大于等于1個(gè)二維風(fēng)切變，則該渦旋被判定為三維風(fēng)切變；若同一渦旋內(nèi)二維中氣旋和二維風(fēng)切變總數(shù)為1，則被判定為非相關(guān)切變。由此可知，同一渦旋內(nèi)二維中氣旋的數(shù)量直接決定了該渦旋是否為三維中氣旋。因此，本文從單個(gè)被標(biāo)記為三維中氣旋中的所有二維中氣旋入手，若一個(gè)二維中氣旋中最大最小速度均超過±26 m·s-1，且一個(gè)三維渦旋中符合該條件的二維中氣旋數(shù)量占總數(shù)的50%以上，且覆蓋仰角層數(shù)也占50%以上，就把該三維中氣旋標(biāo)記為可能由于速度模糊識(shí)別的錯(cuò)誤中氣旋，再由人工進(jìn)行判定。圖13 和圖14分別給出了兩個(gè)時(shí)間段以驗(yàn)證該方法的有效性。

由圖13可以看出，圖13b中黑色圓圈標(biāo)注部分被識(shí)別為二維中氣旋，且存在速度模糊情況，因此算法將該中氣旋標(biāo)記為可能由于速度模糊識(shí)別的錯(cuò)誤中氣旋。經(jīng)人工核查發(fā)現(xiàn)，該時(shí)刻的前后兩相鄰時(shí)刻并未識(shí)別出二維中氣旋，因此確定該時(shí)刻是由速度模糊引起的虛假三維中氣旋識(shí)別。

圖13 2019年4月19日XPAR識(shí)別出可能由于速度模糊導(dǎo)致的虛假二維中氣旋(b)及其前后相鄰兩時(shí)刻(a,c)的徑向速度Fig.13 The false two-dimensional mesocyclone identified by XPAR (b) and its related factors probably caused by velocity ambiguity radial velocity diagram of two adjacent moments (a, c) on 19 April 2019

由圖14可以看出，圖14b中左側(cè)黑圈部分存在速度模糊情況，且后一時(shí)刻(圖14c)左側(cè)黑圈部分也有速度模糊情況發(fā)生，因此算法將該中氣旋標(biāo)記為可能由于速度模糊識(shí)別的錯(cuò)誤中氣旋。但經(jīng)人工核查發(fā)現(xiàn)，該時(shí)刻及前后兩個(gè)相鄰時(shí)刻均含有不存在速度模糊區(qū)域的正確識(shí)別的二維中氣旋，因此雖然該二維特征被誤判為二維中氣旋，但并不影響三維中氣旋的判斷結(jié)果。

圖14 同圖13，但為不同時(shí)刻Fig.14 Same as Fig.13, but at different times

4 結(jié) 論

利用S波段雙偏振雷達(dá)、X波段相控陣?yán)走_(dá)及其地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、美國中氣旋探測(cè)算法，分析了2019年4月19日發(fā)生在廣州的一次中小尺度天氣。對(duì)兩部雷達(dá)識(shí)別出的兩個(gè)三維中氣旋個(gè)例的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并從徑向速度和反射率兩部分進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：

(1)該算法能較為有效地識(shí)別出中小尺度天氣過程中的正負(fù)速度對(duì)，并通過兩步篩選(動(dòng)量/切變閾值、距離閾值)得到具有典型中氣旋參量的特征，并對(duì)特征進(jìn)行三維(垂直距離)判定，最后得到中氣旋、三維切變、非相關(guān)切變。

(2)由于時(shí)間分辨率的差異，理論上XPAR識(shí)別中氣旋的生命史要長于SPOL。從中氣旋生成時(shí)間來看，XPAR識(shí)別中氣旋的生成時(shí)刻要早于SPOL，且該時(shí)刻處于SPOL識(shí)別的生成時(shí)刻的6 min 內(nèi)；但從消亡時(shí)間來看，XPAR識(shí)別該中氣旋消亡時(shí)間要晚于SPOL，且該時(shí)刻處于SPOL識(shí)別的消亡時(shí)間之后的6 min內(nèi)，因此該結(jié)果是合理的。

(3)SPOL可以較為直觀地展現(xiàn)出中氣旋的隨時(shí)間的變化情況，但由于其一個(gè)體掃時(shí)間較長(約6 min)，因此無法更加精細(xì)地探測(cè)到整個(gè)渦旋的發(fā)展情況。且由于仰角層分布不均，導(dǎo)致對(duì)于中氣旋垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)并不清晰，再加上該算法計(jì)算的中氣旋中心為二維中氣旋中所有特征向量加權(quán)平均的結(jié)果，因此受其垂直分辨率的限制，較難對(duì)三維渦旋中存在的中氣旋進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)的研究。并且由于SPOL庫長較長(250 m)，導(dǎo)致有些正負(fù)速度對(duì)未被識(shí)別，并且識(shí)別出的正負(fù)速度差值較小，影響了對(duì)中氣旋的識(shí)別性能。

(4)XPAR可以直觀地展現(xiàn)出中氣旋的隨時(shí)間的變化情況，且由于XPAR一個(gè)體掃時(shí)間較短(約1.5 min)，使得對(duì)于中氣旋的追蹤性能更為優(yōu)秀，可以清晰地分辨出中氣旋的發(fā)展?fàn)顩r。并且由于XPAR仰角層分布較為均勻，因此從圖中能夠較為清晰地看出中氣旋中心區(qū)域的垂直結(jié)構(gòu)，識(shí)別出的中氣旋垂直延展厚度也較SPOL更高，同時(shí)識(shí)別的正負(fù)速度對(duì)差值也更大。但由于XPAR波長較短，因此衰減較為嚴(yán)重，在回波面積大、強(qiáng)度強(qiáng)的情況下，對(duì)弱回波的觀測(cè)效果還存在不足，難以觀測(cè)到15 dBz以下的弱回波。

(5)對(duì)于同一個(gè)三維渦旋內(nèi)，XPAR和SPOL識(shí)別的二維特征個(gè)數(shù)大致相同，結(jié)果從速度圖和輸出參數(shù)上來看也較為合理。但由于文中SPOL庫長較長，而XPAR則衰減較為嚴(yán)重，兩部雷達(dá)識(shí)別的中氣旋結(jié)果可能無法做到嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)，因此若是能夠?qū)刹坷走_(dá)的中氣旋識(shí)別結(jié)果合理結(jié)合，對(duì)于未來中氣旋識(shí)別及強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)可以提供更好的幫助。

(6)總體上，雖然XPAR衰減較為嚴(yán)重，但因其掃描速度較快，識(shí)別的中氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較為清晰，而SPOL雖然衰減很小，但其掃描速度遠(yuǎn)慢于XPAR，因此對(duì)于中氣旋的快速發(fā)展變化及其識(shí)別研究XPAR有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于各類強(qiáng)天氣過程、云和降水物理的研究，衰減很小且能提供偏振參量的S波段雙偏振雷達(dá)具有明顯而獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，今后的研究中將考慮如何更好地將偏振參量應(yīng)用起來。