劉黎平1 吳林林1, 2 吳翀1, 4 汪旭東3 陳曉輝3 曹俊武3 莊薇1

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X波段相控陣天氣雷達(dá)對(duì)流過(guò)程觀測(cè)外場(chǎng)試驗(yàn)及初步結(jié)果分析

劉黎平吳林林吳翀汪旭東陳曉輝曹俊武莊薇

1中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2南京信息工程大學(xué)，南京210044;3安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088;4中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，成都6100072

中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了專門用于快速觀測(cè)對(duì)流過(guò)程、具有多波束觀測(cè)能力的X波段相控陣天氣雷達(dá)（XPAR），并利用該雷達(dá)與C波段雙線偏振雷達(dá)（CPOL）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(guò)程的觀測(cè)能力，為進(jìn)一步改進(jìn)雷達(dá)觀測(cè)模式提供依據(jù)。本文首先介紹了XPAR的主要技術(shù)指標(biāo)和觀測(cè)模式，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了三種觀測(cè)模式觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)、靈敏度，并與C波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，詳細(xì)分析了2013年5月30日一次中尺度線狀對(duì)流系統(tǒng)后部的單體的發(fā)展和消亡過(guò)程，討論了XPAR分鐘級(jí)數(shù)據(jù)在分析對(duì)流過(guò)程演變中的作用。結(jié)果表明：（1）XPAR三種觀測(cè)模式獲取的降水回波結(jié)構(gòu)合理，實(shí)現(xiàn)了在1 min內(nèi)完成一個(gè)高空間分辨率的體掃的探測(cè)功能，數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的機(jī)械掃描雷達(dá)；（2）XPAR的精細(xì)觀測(cè)模式數(shù)據(jù)揭示了單體觸發(fā)、發(fā)展和演變過(guò)程，清晰給出了兩次徑向輻合發(fā)展過(guò)程及其與回波發(fā)展的關(guān)系，給出了新一代天氣雷達(dá)和C波段雙線偏振雷達(dá)不能提供的新的事實(shí)；（3）XPAR分鐘級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)對(duì)流單體內(nèi)部γ中尺度及其更小尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變有非常大的幫助。

X波段相控陣天氣雷達(dá) 觀測(cè)模式檢驗(yàn) 對(duì)流單體精細(xì)結(jié)構(gòu)

1 引言

強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中龍卷、下?lián)舯┝?、冰雹和大風(fēng)等中小尺度系統(tǒng)尺度小，生消迅速，是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的重要原因，強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中尺度結(jié)構(gòu)高時(shí)空分辨率的探測(cè)對(duì)中小尺度研究、預(yù)警和預(yù)報(bào)有重要作用?，F(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行的天氣雷達(dá)如美國(guó)的160余部WSR-88D天氣雷達(dá)、我國(guó)158部新一代天氣雷達(dá)等雷達(dá)系統(tǒng)均采用了機(jī)械掃描方法，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。這種掃描方法在保證雷達(dá)資料精度基礎(chǔ)上最快在6 min內(nèi)完成14層的掃描，這種雷達(dá)資料可以滿足對(duì)大范圍過(guò)程如臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣探測(cè)、預(yù)警和臨近預(yù)報(bào)及其雷達(dá)資料同化要求，對(duì)提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)水平起到了較大的作用，如美國(guó)的WSR-88D雷達(dá)系統(tǒng)將龍卷的預(yù)警時(shí)間從5.3 min提高到9.5 min，預(yù)警成功率從35％提高到60%，減小了45％龍卷造成的人員死亡和40％的財(cái)產(chǎn)損失（Simmons and Sutter，2005）。但業(yè)務(wù)運(yùn)行的體積掃描模式在垂直方向的分辨率比較差，掃描周期（5～6 min）比較長(zhǎng)，對(duì)快速變化的小尺度天氣過(guò)程如龍卷、微下?lián)舯┝?、中尺度渦旋的監(jiān)測(cè)、識(shí)別能力有待提高。

多觀測(cè)目標(biāo)的相控陣天氣技術(shù)可能是取代機(jī)械掃描雷達(dá)體制的候選體制之一，是當(dāng)今大氣探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向和熱點(diǎn)，其靈活的波束控制及快速的掃描具有獲得高時(shí)空分辨率的探測(cè)能力，可利用一部相控陣?yán)走_(dá)同時(shí)完成氣象探測(cè)、軍事目標(biāo)跟蹤和飛機(jī)導(dǎo)航等任務(wù)（Weber et al., 2007）。2003年，美國(guó)將其退役的“宙斯盾”（SPY-1）雷達(dá)改裝為二維相控陣天氣雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（NWRT PAR），安放于Oklahoma州的Norman市，與附近的WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行了大量對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)（Zrni? et al., 2007；Pamela et al., 2008）。另外，美國(guó)也發(fā)展了一維相掃體制的可移式X波段相控陣天氣雷達(dá)（MWR-05XP），并用于2007～2008年外場(chǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)龍卷、超級(jí)對(duì)流單體、線狀回波過(guò)程等，其觀測(cè)資料質(zhì)量與其他雷達(dá)相當(dāng)，但掃描速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WSR-88D雷達(dá)（Bluestein et al., 2010）。相控陣天氣雷達(dá)快速掃描資料對(duì)理解和預(yù)警快速變化的天氣過(guò)程是非常有用的，如分辨龍卷過(guò)程需要掃描周期為20～30 s的雷達(dá)資料（Rasmussen et al., 2000）。美國(guó)二維相掃的相控陣天氣雷達(dá)最新的觀測(cè)資料分析表明：與WSR-88D相比，該雷達(dá)能夠更好和更準(zhǔn)確探測(cè)快速變化的天氣系統(tǒng)（Zrni? et al., 2007；Heinselman et al., 2008）。Snyder and Zhang（2003）和Zhang et al.（2004）研究表明：利用EnKF方法，同化6～8次完整的雷達(dá)資料后 才能產(chǎn)生比較合理的分析場(chǎng)，但同化時(shí)間為30～40 min，顯然有點(diǎn)過(guò)長(zhǎng)。Nusra and2010的研究進(jìn)一步表明：比較同化15 min的6 min為周期的常規(guī)WSR-88F雷達(dá)資料和1 min為周期的相控陣天氣雷達(dá)，并預(yù)報(bào)50 min，相控陣天氣雷達(dá)資料對(duì)超級(jí)單體的過(guò)程描述和預(yù)報(bào)要明顯優(yōu)于常規(guī)多普勒雷達(dá)。另外，快速掃描資料能夠減小降水估測(cè)中的降水累積誤差，特別是需要高空間分辨率的降水資料情況，如城區(qū)降水估測(cè)，以提高流量估測(cè)、洪峰預(yù)報(bào)能力（Anagnostou and Krajewski，1999）。

我國(guó)也開(kāi)展了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)和應(yīng)用研究。2007年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院與中國(guó)電子科技集團(tuán)14所合作在軍用相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行氣象通道改造，研制了我國(guó)首部S波段一維有源相控陣天氣雷達(dá)原理樣機(jī)。該雷達(dá)采用32根窄邊裂縫波導(dǎo)組成一維線陣，垂直方向的掃描體制為1個(gè)8°～12°的寬波束發(fā)射，同時(shí)4個(gè)接收通道以3.12°的窄波束接收（張志強(qiáng)和劉黎平，2011）。中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心牽頭組織的863計(jì)劃“機(jī)載氣象雷達(dá)云雨探測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)”項(xiàng)目，將某軍用X波段二維機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)改造為天氣雷達(dá)，以驗(yàn)證新型機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天氣目標(biāo)的探測(cè)能力。2012年在機(jī)載雷達(dá)基礎(chǔ)上改進(jìn)的X波段二維相掃相控陣天氣雷達(dá)也進(jìn)行了地面觀測(cè)，并于2013年進(jìn)行了機(jī)載觀測(cè)試驗(yàn)，為我國(guó)開(kāi)展相控陣天氣雷達(dá)奠定了一定的基礎(chǔ)，但這兩部雷達(dá)都是在原有的軍用雷達(dá)基礎(chǔ)上改進(jìn)的，其波瓣寬度等關(guān)鍵參數(shù)均不能滿足對(duì)對(duì)流過(guò)程精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的要求。

2009年中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與四創(chuàng)公司合作，開(kāi)始研發(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)（XPAR），該雷達(dá)具備多種觀測(cè)模式和快速掃描功能，這一設(shè)備為我國(guó)開(kāi)展相控陣天氣雷達(dá)在快速變化的中尺度對(duì)流系統(tǒng)探測(cè)中的應(yīng)用提供了條件。為了初步檢驗(yàn)該雷達(dá)觀測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣中小尺度結(jié)構(gòu)的能力以及進(jìn)一步改進(jìn)其觀測(cè)模式提供依據(jù)，2013年4月15日～6月15日，該雷達(dá)在廣東鶴山進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，與C波段雙線偏振雷達(dá)進(jìn)行了同一地點(diǎn)的觀測(cè)，以檢驗(yàn)該雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性以及觀測(cè)數(shù)據(jù)在對(duì)流系統(tǒng)中尺度結(jié)構(gòu)分析中的作用。

本文利用這次外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比XPAR不同觀測(cè)模式的觀測(cè)結(jié)果的一致性和靈敏度的差異，并與相同位置的C波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，分析XPAR觀測(cè)的回波強(qiáng)度和徑向速度的合理性；以一次線狀對(duì)流過(guò)程為例，初步研究了1 min間隔的高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)在分析對(duì)流單體演變中的作用。

圖1 X波段相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)（XPAR）框圖

2 XPAR系統(tǒng)和外場(chǎng)試驗(yàn)介紹

XPAR系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。該雷達(dá)采用了一維全數(shù)字有源相控陣體制，在垂直方向天線俯仰固 定，依靠數(shù)字波束合成技術(shù)（BDF）產(chǎn)生不同寬度和指向的波束，每個(gè)方位角完成類似常規(guī)雷達(dá)的垂直掃描（RHI），實(shí)現(xiàn)了多種波束發(fā)射和接收的功能，并由水平的機(jī)械伺服控制雷達(dá)的掃描速度，完成先垂直掃描再水平掃描的體積掃描（VRHI）觀測(cè)模式。該雷達(dá)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于使用了8個(gè)高度集成的16路數(shù)字陣列模塊（DAM），共128個(gè)有源T/R收發(fā)組件。發(fā)射時(shí)DBF控制DAM的T/R組件產(chǎn)生不同幅度和相位的中頻信號(hào)，并通過(guò)上變頻及放大發(fā)射后在空間完成波束的合成，接收時(shí)DAM完成放大濾波、下變頻及AD采樣等功能，通過(guò) 光纖將IQ數(shù)據(jù)直接送至數(shù)字信號(hào)處理。與業(yè)務(wù)使用的天氣雷達(dá)相比，該雷達(dá)的波束寬度更窄（≤1°），距離分辨率更高（最低37.5 m），并可以根據(jù)觀測(cè)任務(wù)的需求形成寬度不同的波形，同時(shí)使用多波束多路同時(shí)接收的技術(shù)，提高了雷達(dá)的觀測(cè)速度。目前，XPAR的典型掃描模式暫有三種，即警戒搜索（Guard Mode，簡(jiǎn)稱GM）、精細(xì)測(cè)量（Fine Mode，簡(jiǎn)稱FM）、快速觀測(cè)（Quick Mode，簡(jiǎn)稱QM），使用33 μs的寬脈沖發(fā)射信號(hào)，脈沖壓縮比為100:1，距離庫(kù)為37.5 m、75 m、150 m，在這三個(gè)模式中，徑向平均對(duì)數(shù)為128，以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的取樣精度。該雷達(dá)與C波段雙線偏振雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)和觀測(cè)模式見(jiàn)表1。

表1 X波段相控陣天氣雷達(dá)和C波段雙偏振雷達(dá)工作模式及參數(shù)

警戒搜索模式為XPAR快速搜索天氣目標(biāo)時(shí)采用，雷達(dá)發(fā)射的賦形波束覆蓋0°～20°仰角，并以14個(gè)VCP11體掃模式仰角的1°窄波束同時(shí)接收。在該模式下雷達(dá)掃描效率最高，能在30 s完成常規(guī)雷達(dá)6 min的三維掃描，但非常寬的發(fā)射波束造成其能量不如單波束集中，探測(cè)威力有限。

精細(xì)測(cè)量模式為雷達(dá)天線水平慢速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)相控陣技術(shù)在1.6 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)1°窄波束0.5～39.5°波位的順序垂直掃描，該VRHI掃描在水平方向和垂直方向的間隔均為1°。一般情況下，該模式使用扇區(qū)掃描的方式，主要對(duì)重要的對(duì)流區(qū)域進(jìn)行順時(shí)針掃描，完成90°方位的掃描時(shí)間為2.5 min。值得注意的是，新一代天氣雷達(dá)和C波段雙線偏振雷達(dá)等機(jī)械掃描雷達(dá)主要采用PPI（Plane Position Indicator）掃描方式，若想實(shí)現(xiàn)類似的扇區(qū)掃描有一定困難，天線轉(zhuǎn)速需頻繁的加減，轉(zhuǎn)速 的不同使得數(shù)據(jù)的方位分辨率發(fā)生變化、獨(dú)立取樣數(shù)也不同，而且這種天線轉(zhuǎn)速的頻繁變化對(duì)雷達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，降低了雷達(dá)運(yùn)行的可靠性。而相控陣天氣雷達(dá)由于實(shí)現(xiàn)了垂直掃描，可以在天線機(jī)械掃描很慢的情況下，完成不同方位的RHI掃描，扇區(qū)掃描的實(shí)現(xiàn)非常便捷。

快速觀測(cè)模式下雷達(dá)發(fā)射1個(gè)4°展寬寬波束并同時(shí)以4個(gè)均勻分布的1°窄波束接收，在以4°俯 仰為間隔的10個(gè)波位完成掃描后可得到與精細(xì)測(cè)量分布一致的40層掃描資料，一個(gè)掃描周期的所需時(shí)間為2.5 min。在該模式下雷達(dá)掃描的精細(xì)程度高于警戒搜索而低于精細(xì)測(cè)量，掃描時(shí)間高于精細(xì)測(cè)量，能夠獲得最均衡的時(shí)空分辨率。

當(dāng)然，根據(jù)陣列天線理論，該X波段數(shù)字陣列雷達(dá)的波束設(shè)計(jì)非常靈活，以上三種掃描模式僅作為雷達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)證及初步調(diào)試時(shí)使用。隨著外場(chǎng)試驗(yàn)的深入開(kāi)展，通過(guò)不同的輻相加權(quán)方案可以產(chǎn)生可變展寬的收發(fā)波束，以兼顧不同距離下雷達(dá)的發(fā)射能量與掃描效率，同時(shí)更為完善的掃描策略能夠獲得針對(duì)性更強(qiáng)的垂直波位分布，以平衡不同需求下的時(shí)空分辨率。

為了檢驗(yàn)XPAR的不同觀測(cè)模式的探測(cè)能力和數(shù)據(jù)的質(zhì)量，中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和安徽四創(chuàng)電子股份有限公司在國(guó)家自然基金項(xiàng)目支持下，聯(lián)合在廣東省氣象局江門鶴山市氣象站新站（22.7°N，113.0°E，42.8 m）開(kāi)展了前汛期暴雨的外場(chǎng)試驗(yàn)，為了進(jìn)行相同地點(diǎn)的對(duì)比觀測(cè)，CPOL也設(shè)置在這個(gè)地點(diǎn)，它們均位于廣州站CINRAD/SA天氣雷達(dá)的西南方向，約48 km。在2013年4月15日至6月15日期間，XPAR交替進(jìn)行了多種觀測(cè)模式的試驗(yàn)，目的是初步檢驗(yàn)XPAR多種觀測(cè)模式的工作狀態(tài)，檢查觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)的合理性，觀測(cè)的回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬的質(zhì)量。當(dāng)有重要天氣時(shí)，主要采用精細(xì)模式進(jìn)行扇形掃描，以快速獲取中尺度對(duì)流系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。CPOL和SA雷達(dá)均采用VCP21的掃描模式，其中CPOL使用64點(diǎn)的脈沖積累數(shù)、SA雷達(dá)為40～100點(diǎn)，而XPAR為128點(diǎn)，其觀測(cè)條件基本一致。根據(jù)吳翀等（2014）的研究，XPAR各個(gè)模式經(jīng)訂正后的數(shù)據(jù)與CPOL的測(cè)量偏差在±1 dB以內(nèi)，其數(shù)據(jù)可靠性滿足天氣分析的需求。XPAR獲取的主要過(guò)程和采用的觀測(cè)模式見(jiàn)表2。

表2 外場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)的主要個(gè)例和對(duì)應(yīng)的觀測(cè)模式

3 XPAR不同觀測(cè)模式的對(duì)比

利用XPAR不同模式交替觀測(cè)的數(shù)據(jù)，分析這些模式觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)的差異，并與CPOL和SA進(jìn)行對(duì)比，以確定XPAR觀測(cè)模式設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.1 三種模式觀測(cè)的回波結(jié)構(gòu)對(duì)比

5月28日和29日，XPAR分別采用了三種觀測(cè)模式進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)。其中28日為穩(wěn)定性層狀云混合云降水過(guò)程，29日為對(duì)流降水過(guò)程。圖2給出了5月28日19:38～19:53（北京時(shí)，下同） XPAR 以不同模式觀測(cè)的3.5°仰角回波強(qiáng)度和徑向速度PPI，圖3給出了沿325°方位的回波強(qiáng)度和徑向速度的RHI（Range Height Indicator），其中精細(xì)觀測(cè)的觀測(cè)時(shí)段為19:38～19:41（10 min掃描360°，90°的扇區(qū)耗時(shí)約2.5 min），快速觀測(cè)和警戒搜索的觀測(cè)時(shí)段分別為19:47～19:49、19:52～19:53，3個(gè)PPI的觀測(cè)時(shí)間最大相差15 min。從圖中可以明顯看到：XPAR三種模式觀測(cè)的回波強(qiáng)度和徑向速度的結(jié)構(gòu)非常一致，但回波強(qiáng)度有一定的偏差。XPAR利用這三種模式均探測(cè)到了清晰的零度層亮帶現(xiàn)象，零度層高度和結(jié)構(gòu)非常一致；因警戒模式的回波強(qiáng)度的靈敏度偏低，不能觀測(cè)到弱回波，觀測(cè)到的回波面積明顯偏小。從RHI可以看出，警戒模式因仰角分辨率比較低，對(duì)回波垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)比較粗糙。

圖2 2013年5月28日XPAR三種觀測(cè)模式觀測(cè)的3.5°的（a、b、c）回波強(qiáng)度和（d、e、f）徑向速度的PPI結(jié)構(gòu)。其中精細(xì)模式（FM）時(shí)間為19:38～19:41，快速觀測(cè)模式（QM）時(shí)間為19:47～19:49，警戒模式（GM）觀測(cè)時(shí)間為19:52～19:53。距離圈間隔為15 km，下同

圖3 2013年5月28日XPAR三種觀測(cè)模式觀測(cè)的325°方位的（a、b、c）回波強(qiáng)度和（d、e、f）徑向速度的RHI結(jié)構(gòu)。其中精細(xì)模式（FM）時(shí)間為19:38～19:41，快速觀測(cè)模式（QM）時(shí)間為19:47～19:49，警戒模式（GM）觀測(cè)時(shí)間為19:52～19:53

圖4、圖5給出了5月29日15:21～15:36時(shí)段XPAR以三種模式觀測(cè)的3.5°仰角的回波強(qiáng)度和徑向速度的水平結(jié)構(gòu)和345°方位上的垂直結(jié)構(gòu)，其中FM觀測(cè)時(shí)段為15:21～15:24，QM觀測(cè)時(shí)段為15:30～15:32，GM觀測(cè)時(shí)段為15:35～15:36。FM、QM與GM探測(cè)的強(qiáng)對(duì)流單位的位置、回波結(jié)構(gòu)等對(duì)應(yīng)比較好，在三塊對(duì)流單體中出現(xiàn)的明顯的徑向輻合和中氣旋的探測(cè)結(jié)構(gòu)比較一致（徑向速度的負(fù)值區(qū)），但FM和QM模式探測(cè)的更加清晰?；夭◤?qiáng)度、徑向速度的PPI的細(xì)微結(jié)構(gòu)的差別主要是觀測(cè)時(shí)段的差異造成的。

從RHI結(jié)構(gòu)來(lái)看（圖5），F(xiàn)M模式對(duì)單體內(nèi)徑向速度的小尺度的輻合（距離60 km，高度1～5 km）、高空的出流結(jié)構(gòu)（距離55～63 km，高度10 km）的探測(cè)等明顯好于QM和GM。因觀測(cè)時(shí)間的差別和單體的移動(dòng)，這3個(gè)RHI對(duì)應(yīng)的回波的位置可能有一定的差別。

圖4 同圖2，但為5月29日對(duì)流個(gè)例觀測(cè)結(jié)果。其中FM觀測(cè)時(shí)段為15:21～15:24，QM觀測(cè)時(shí)段為15:30～15:32，GM觀測(cè)時(shí)段為15:35～15:36

圖5 同圖3，但為5月29日對(duì)流個(gè)例觀測(cè)結(jié)果。其中FM觀測(cè)時(shí)段為15:21～15:24，QM觀測(cè)時(shí)段為15:30～15:32，GM觀測(cè)時(shí)段為15:35～15:36

為了解釋三種模式觀測(cè)的回波強(qiáng)度范圍的不同，圖6給出了經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析得到的XPAR三種模式和CPOL的最小可測(cè)回波強(qiáng)度（靈敏度），因三種觀測(cè)模式的天線增益的差別，寬波束發(fā)射分散了發(fā)射能量，使得GM模式的靈敏度最低，比FM低了近13 dB，而QM也比FM低近5 dB；雖然XPAR采用了脈沖壓縮技術(shù)，但XAR的FM模式仍比CPOL的靈敏度低約3 dB，但距離分辨率提高了1.5倍。

從以上結(jié)果可以看出：XPAR三種模式觀測(cè)的回波強(qiáng)度、徑向速度的回波結(jié)構(gòu)、位置比較合理；靈敏度有明顯差異；精細(xì)模式可以更好分辨回波的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖6 相控陣天氣雷達(dá)三種模式及雙線偏振雷達(dá)最小可測(cè)反射率因子對(duì)比

3.2 XPAR與SA和CPOL觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比

為了通過(guò)XPAR與CPOL和SA雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比，分析XPAR觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，圖7 給出了5月21日三部雷達(dá)觀測(cè)的回波強(qiáng)度以及XPAR和CPOL觀測(cè)的徑向速度的PPI對(duì)比，其中因SA雷達(dá)在不同的位置，它觀測(cè)的徑向速度無(wú)法與XPAR進(jìn)行對(duì)比，而SA的回波強(qiáng)度也是經(jīng)過(guò)插值處理到XPAR格點(diǎn)上的。對(duì)比觀測(cè)結(jié)果可以看到，XPAR與其他兩部雷達(dá)觀測(cè)的對(duì)流降水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較一致，而且SA觀測(cè)的兩條回波帶的結(jié)構(gòu)更加明顯。XPAR強(qiáng)回波的衰減造成了明顯的V型回波結(jié)構(gòu)明顯（方位0°，距離30 km），CPOL雷達(dá)觀測(cè)的回波因衰減使得右上側(cè)的回波變?nèi)?。從徑向速度?lái)看，左側(cè)單體對(duì)應(yīng)的成對(duì)的中氣旋和反氣旋結(jié)構(gòu)（負(fù)徑向速度中兩塊正的徑向速度區(qū)，方位300°和360°，距離30 km）、兩條回波帶間的偏南氣流（方位370°，距離15～45 km）、右側(cè)回波的輻合帶（負(fù)徑向速度中兩塊正的徑向速度區(qū)，方位30°，距離30～45 km）均表現(xiàn)的非常一致。因天線增益、距離分辨率等不同，觀測(cè)時(shí)間也有差別，徑向速度的細(xì)微結(jié)構(gòu)有一定的差別。因采用了脈沖壓縮，XPAR有5 km的探測(cè)盲區(qū)。

圖7 2013年5月21日（a、b、c）XPAR精細(xì)觀測(cè)模式與CPOL、SA雷達(dá)觀測(cè)的回波強(qiáng)度和（d、e）XPAR、COPL觀測(cè)的徑向速度的PPI結(jié)構(gòu)對(duì)比。XPAR、CPOL和SA的體掃開(kāi)始時(shí)間分別為18:23、18:25和18:24

從方位305°垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看（圖8），XPAR可以獲取對(duì)流系統(tǒng)更清晰的垂直結(jié)構(gòu)，因仰角分辨率為1°，范圍可以達(dá)40°，可以得到云頂信息，特別是徑向速度中單體對(duì)應(yīng)的完整的徑向輻合帶的垂直分布（正徑向速度區(qū)，距離30 km，高度2～10 km），云上端的輻散區(qū)等（正徑向速度和負(fù)徑向速度的極大值區(qū)，距離30～40 km，高度15 km）。XPAR觀測(cè)的云體的傾斜程度與另外兩部雷達(dá)的結(jié)果有差別，其主要原因可能是XPAR幾乎同時(shí)獲取到這個(gè)徑向的垂直結(jié)構(gòu)，上層和下側(cè)的時(shí)間差不超過(guò)1.6 s，而CPOL第一層和最高層的觀測(cè)時(shí)間可相差6 min，另外一個(gè)原因是因強(qiáng)回波的衰減形成的回波邊界的彎曲。

值得注意的是：由于災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有機(jī)械掃描的X波段多普勒雷達(dá)參加本次對(duì)比試驗(yàn)，因降雨對(duì)X波段、C波段和S波段雷達(dá)波衰減的差異，必定造成回波強(qiáng)度定量對(duì)比的不確定性。

通過(guò)以上個(gè)例XPAR、CPOL和SA雷達(dá)數(shù)據(jù) 的對(duì)比，可以看到：三種雷達(dá)觀測(cè)的回波強(qiáng)度、徑向速度的水平和垂直結(jié)構(gòu)非常一致，XPAR觀測(cè)數(shù)據(jù)擁有更高的時(shí)空分辨率，可以更好的分辨中尺度甚至更小尺度降水系統(tǒng)的回波結(jié)構(gòu)。

圖8 同圖7，但為沿方位角305°的RHI

圖9 XPAR以FM模式觀測(cè)的2013年5月30日15:13～15:32時(shí)段對(duì)流過(guò)程發(fā)展的3.5°仰角回波強(qiáng)度和徑向速度的PPI。時(shí)間間隔為2 min

4 X波段相控陣天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)對(duì)流單體精細(xì)結(jié)構(gòu)及演變的能力分析

我們以5月30日一次對(duì)流過(guò)程的新單體的觸發(fā)和發(fā)展為例，分析一次兩條線狀對(duì)流系統(tǒng)演變過(guò)程，一是北側(cè)線狀對(duì)流的消亡過(guò)程，二是南側(cè)線狀回波的發(fā)展過(guò)程，特別是在其后部發(fā)展出的一個(gè)對(duì)流單體詳細(xì)的回波強(qiáng)度和徑向速度的分鐘級(jí)數(shù)據(jù)演變過(guò)程，同時(shí)探討XPAR高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)在對(duì)流過(guò)程分析中的應(yīng)用。

在這次觀測(cè)過(guò)程中，XPAR精細(xì)觀測(cè)方式采用了扇區(qū)掃描的方式（方位范圍：50°～90°），67 s完成1個(gè)40層的體掃，方位和仰角的分辨率均為1°，數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SA和CPOL雷達(dá)。圖9給出了15:13～15:32，3.5°仰角的回波強(qiáng)度和徑向速度的PPI，因篇幅所限，給出的PPI的時(shí)間間隔為2 min（實(shí)際數(shù)據(jù)為近似1 min分辨率）。圖10 給出了64°方位的回波強(qiáng)度和徑向速度的RHI圖（圖9上部虛線方向）。圖9和圖10描述了北側(cè)線狀對(duì)流的頂端對(duì)流單體（方位64°，距離50 km）衰亡過(guò)程。從回波強(qiáng)度的PPI結(jié)構(gòu)看，15:13開(kāi)始，該對(duì)流系統(tǒng)為兩條靠的非常近的線狀對(duì)流回波，水平尺度在30 km以內(nèi)，該對(duì)流系統(tǒng)整體向東北方向移動(dòng)，開(kāi)始時(shí)北側(cè)的頂端回波比較強(qiáng)，然后頂端回波開(kāi)始減弱，形成兩個(gè)線狀回波。頂端單體的發(fā)展成熟階段伴有低層的徑向輻合（PPI正的徑向速度區(qū)中出現(xiàn)的負(fù)徑向速度，距離50 km，方位64°）。從RHI圖可以看出：該對(duì)流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)明顯的風(fēng)場(chǎng)的垂直切變。單體增強(qiáng)和維持時(shí)，5 km以下的中低層的輻合逐漸增強(qiáng)（RHI圖，距離55 km，高度5 km以下），并對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展起了重要的作用（15:13～15:17），最大回波強(qiáng)度達(dá)到55 dB，最大回波強(qiáng)度的高度到5 km；在這4 min以內(nèi)，明顯看到了徑向速度輻合的變化和回波形狀的變化，15:14在5 km高度上的徑向速度的負(fù)值到達(dá)最小，對(duì)應(yīng)的回波懸垂回波結(jié)構(gòu)和回波墻結(jié)構(gòu)也最明顯。15:17～15:23，低層的徑向輻合逐漸上移，高層的強(qiáng)回波中心很快消失并下移，結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，同時(shí)下部的回波強(qiáng)度增強(qiáng)，體積增大。

圖10 與圖9對(duì)應(yīng)時(shí)段的沿64°方位的RHI，時(shí)間間隔為1 min

值得注意的是：在強(qiáng)回波的頂端有對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)異常的弱回波，高度超過(guò)15 km，其回波強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和徑向速度的大小與下端強(qiáng)回波非常對(duì)應(yīng)，但回波強(qiáng)度相差30 dB，這明顯是由于副瓣引入的回波干擾所致。經(jīng)事后的仔細(xì)分析，XPAR長(zhǎng)時(shí)間工作后陣面將積累較多的熱量，若此時(shí)雷達(dá)處于午后的烈日下，其陣面溫度可達(dá)70°C、內(nèi)部DAM的工作溫度高達(dá)上百度，過(guò)高的溫度造成雷達(dá)固態(tài)元器件的性能出現(xiàn)較大的波動(dòng)，部分DAM失效。根據(jù)天線理論的模擬，DAM失效對(duì)接收波束的最大副瓣和平均副瓣均影響較大，當(dāng)只有一個(gè)DAM失效時(shí)，接收波束的最大副瓣由－45 dB惡化到－35 dB，而若有7個(gè)DAM失效時(shí)，接收波束的平均副瓣電平將由－45 dB惡化到－25 dB，并引入異常的副瓣回波。

下面分析后側(cè)線狀對(duì)流中后部對(duì)流單體發(fā)展過(guò)程，圖11給出了15:34～15:56 間隔2 min的PPI的變化。結(jié)合圖9可以看到：15:13～15:15，南側(cè)對(duì)流單體在后部發(fā)展，在原有基礎(chǔ)上新生成了兩個(gè)單體，從而形成線狀回波，長(zhǎng)度35 km，寬度小于5 km。到15:24，后端的單體得到快速的發(fā)展，并形成了相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)單體，基本維持原地不 動(dòng)，同時(shí)其他單體向東運(yùn)動(dòng)，位置越來(lái)越分開(kāi)。從徑向速度圖可以看出：回波的發(fā)展始終伴隨著低空輻合的存在，而且越來(lái)越強(qiáng)，到15:39，輻合達(dá)到最多，然后回波強(qiáng)度和輻合越來(lái)越弱，到15:54，輻合基本消失。

圖11 同圖9，只是時(shí)段為15:34～15:56

圖12給出了圖9對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)段15:13～15:33的1 min間隔的后部發(fā)展的單體的垂直結(jié)構(gòu)（方位80°，沿圖9內(nèi)的虛線），圖13給出了圖11對(duì)應(yīng)的時(shí)段15:34～15:56的單體的垂直結(jié)構(gòu)（方位80°，沿圖11的虛線）。對(duì)比回波強(qiáng)度和徑向速度的RHI結(jié)構(gòu)可以明顯看到單體演變的過(guò)程：由于15:13和15:14時(shí)刻老單體形成的出流（距離35 km，低層徑向速度為負(fù)的區(qū)域）的作用，15:15，在3 km高度處出發(fā)了一塊新的回波（老回波的左側(cè)），15:18，這塊回波到達(dá)45 dB，強(qiáng)回波中心的高度處在5 km，同時(shí)，老單體逐漸消亡，到15:20新單體得到充分的發(fā)展老單體徹底消亡。15:20～15:23，這時(shí)新單體發(fā)展到6 km，與風(fēng)垂直切變高度一致，回波向上發(fā)展比較緩慢，但由于強(qiáng)回波柱對(duì)風(fēng)的阻擋作用，高空偏西氣流逐漸下傳，在強(qiáng)回波的前部逐漸形成一個(gè)輻合區(qū)（距離35 km，高度5 km），并逐步向下發(fā)展，面積越來(lái)越大，到15:24逐漸形成一個(gè)完整的單體內(nèi)輻合帶，在這個(gè)輻合帶的作用 下，15:24～15:28，在輻合帶產(chǎn)生的上升氣流進(jìn)一步促使回波進(jìn)一步向高空發(fā)展，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，后部回波得到進(jìn)一步發(fā)展，輻合區(qū)逐漸移到了單體的中心，15:28輻合最強(qiáng)，回波方向明顯后傾。15:29～15:33，隨著回波高度的進(jìn)一步發(fā)展，偏西風(fēng)被逐漸切斷，這個(gè)輻合區(qū)逐漸減弱，整個(gè)回波柱對(duì)應(yīng)的徑向速度全部為正值，回波柱變垂直。15:13～15:33這20 min的演變過(guò)程是單體內(nèi)部輻合區(qū)從中高層向下層發(fā)展的過(guò)程，是單體從觸發(fā)到發(fā)展成熟的過(guò)程。

圖12 同圖10，但為RHI剖面的方位角為80°（圖11虛線方向），時(shí)段為15:13～15:33.

15:34～15:40，回波的阻擋作用又在前部7 km高度處形成了前部的輻合（15:38，距離4 km，高度7 km），促使回波進(jìn)一步增高和變強(qiáng)，形成了較為明顯的懸垂回波，15:40回波處在成熟期。15:41以后，由于缺少中低層的輻合和粒子下落速度作用，回波高度降低，高空的偏西風(fēng)貫穿了對(duì)流單體的上部，結(jié)構(gòu)松散，同時(shí)在后部又觸發(fā)了一些高度比較低的回波塊。

為了對(duì)比，圖14給出了CPOL 6 min間隔的后部單體發(fā)生過(guò)程和演變PPI和RHI，從這些圖給出了單體發(fā)展過(guò)程，但很難看到新生單體觸發(fā)增強(qiáng)和老單體的演變的詳細(xì)過(guò)程，如徑向速度輻合帶的發(fā)展和消亡過(guò)程。因仰角范圍比較小，對(duì)流單體的頂部沒(méi)有觀測(cè)到。

圖14 CPOL觀測(cè)的3.4°仰角上的回波強(qiáng)度和徑向速度的PPI（上兩排）和沿80°的RHI（下兩排）

5 初步結(jié)論

為了檢驗(yàn)X波段相控陣天氣雷達(dá)多種觀測(cè)模式的探測(cè)能力，分析快速掃描數(shù)據(jù)在研究對(duì)流過(guò)程精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變的能力，本文利用X波段相控陣天氣雷達(dá)和雙線偏振雷達(dá)在廣東省鶴山市同一地點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了X波段相控陣天氣雷達(dá)三種觀測(cè)模式回波的結(jié)構(gòu)差異，與C波段雙線偏振雷達(dá)和SA雷達(dá)進(jìn)行了對(duì)比；利用精細(xì)模式觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了一次對(duì)流過(guò)程的中小尺度演變過(guò)程，得到如下結(jié)論：

（1）X波段相控陣天氣雷達(dá)三種觀測(cè)模式得到的回波的位置、水平和垂直結(jié)構(gòu)比較合理，徑向速度與C波段雙線偏振雷達(dá)比較一致，回波強(qiáng)度有一定系統(tǒng)性偏差。X波段相控陣天氣雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了在1 min內(nèi)完成一個(gè)40仰角層和1°方位分辨率的扇形體掃的探測(cè)功能，數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的機(jī)械掃描雷達(dá)。這種扇形掃描方式，在常規(guī)天氣雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)有一定困難；

（2）X波段相控陣天氣雷達(dá)三種模式的靈敏度有一定差異，4層的快速掃描模式和40層的RHI體掃模式對(duì)研究快速演變的對(duì)流過(guò)程發(fā)展非常適合，特別是對(duì)進(jìn)一步研究γ中尺度及其更小尺度的演變非常有意義；

（3）X波段相控陣天氣雷達(dá)分鐘級(jí)數(shù)據(jù)探測(cè)到了新單體的觸發(fā)、發(fā)展和老單體消亡的過(guò)程，揭示了后部發(fā)展的對(duì)流單體內(nèi)部?jī)纱瓮暾麖较蜉椇蠋У漠a(chǎn)生和發(fā)展演變過(guò)程，很好解釋了對(duì)流單體發(fā)展和消亡的過(guò)程；

（4）雨區(qū)對(duì)X波段雷達(dá)和C波段雷達(dá)的衰減 會(huì)影響回波強(qiáng)度和形狀，這在分析數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。

另外，也應(yīng)該注意到，該雷達(dá)的部分資料在20°上出現(xiàn)了明顯的旁瓣問(wèn)題，造成了在強(qiáng)回波上部虛假的回波，這與雷達(dá)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)。通過(guò)本次外場(chǎng)試驗(yàn)，雷達(dá)在后期改裝調(diào)試時(shí)增加了風(fēng)冷系統(tǒng)，有效降低了數(shù)字陣列模塊的工作溫度，提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。同時(shí)，該雷達(dá)的掃描策略仍有改進(jìn)的空間，其40層仰角均勻的分布于0.5°～39.5°間，造成了低空的數(shù)據(jù)不夠精細(xì)，而高空過(guò)于精細(xì)降低了掃描效率，今后將根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)對(duì)垂直方向的波位分布進(jìn)行優(yōu)化，提高觀測(cè)精細(xì)度和掃描效率。另外，本次外場(chǎng)試驗(yàn)沒(méi)有機(jī)械掃描的X波段多普勒雷達(dá)進(jìn)行同步觀測(cè)，使回波強(qiáng)度的定量對(duì)比存在一定的不確定性。

該X波段相控陣天氣雷達(dá)的天線波瓣寬度、距離壓縮技術(shù)和信號(hào)處理等是專門根據(jù)氣象探測(cè)的要求設(shè)計(jì)的，一些相控陣?yán)走_(dá)控制技術(shù)繼承了軍用相控陣?yán)走_(dá)的最新技術(shù)。但從掃描方式來(lái)看，目前的觀測(cè)仰角的均勻分布、最高掃描仰角和觀測(cè)層數(shù)的設(shè)置、RHI方位分辨率的設(shè)置等均有改進(jìn)的余地，如何根據(jù)相控陣天氣雷達(dá)觀測(cè)特點(diǎn)和觀測(cè)對(duì)象的時(shí)空分辨率來(lái)設(shè)置優(yōu)化的觀測(cè)模式，也是我們正在研究的一個(gè)課題。

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Field Experiment on Convective Precipitation by X-Band Phased-Array Radar and Preliminary Results

Liu Liping, Wu Linlin, Wu Chong, Wang Xudong, Chen Xiaohui, Cao Junwu, and Zhuang Wei

1,,100081;2,210044;3.,230088;,,610072

Developed by the State Key Laboratory of Severe Weather, the Chinese Academy of Meteorological Sciences, and Anhui Sun-Create Electronics Ltd. Co., X-band phased-array radar (XPAR) was combined with C-band polarization radar (CPOL) to observe convective precipitation in Heshan, Jiangmen district, Guangzhou, from April to June 2013. S-band operational radar (SA) data were also collected to examine the reflectivity bias of XPAR. In this study, the work modes and observation capability for convective precipitation are examined to improve the radar performances. The characteristics of XPAR and work mode are first introduced in this paper, and the precipitation structures and reflectivity sensitivities by three work modes are compared with those by CPOL and SA. XPAR data with temporal resolution of 1 min are used to analyze the genesis and evolution of convective cell that developed in the rear of a convection line on May 30, 2013. The results indicate that XPAR can capture the main characteristics of 3D structures of precipitation with the three work modes and can complete one volume scan within 1 min with higher temporal and spatial resolutions than that by CPOL and SA. Moreover, the XPAR data with fine mode can reveal the initiation and evolution of convective cells in detail, in addition to two convergence zones and their relationships with reflectivity structures, which could not be observed by CPOL and SA. Further, the XPAR data with high temporal and spatial resolutions are helpful for improving the understanding of the meso-γ and additional detailed structures in convective systems.

X-band phased-array radar, Examination of work mode, Detail structure of convective cell

1006?9895(2014)06?1079?16

P412

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13253

2013?09?02，2014?02?25收修定稿

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2012CB417202，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41175038，中國(guó)氣象科學(xué)研究院科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

劉黎平，男，1963年出生，博士，研究員。主要從事雷達(dá)氣象研究。E-mail: lpliu@cams.cma.gov.cn