劉黎平 胡志群 吳翀

（中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081）

雙線偏振雷達和相控陣天氣雷達技術的發(fā)展和應用

劉黎平 胡志群 吳翀

（中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081）

分析了美國下一代天氣雷達WSR-88D的偏振技術升級改造進展情況、以及相控陣天氣雷達的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了這兩項技術在災害天氣監(jiān)測和預警中的作用，特別對在降水估測、相態(tài)識別、龍卷識別和預警中的影響。指出了我國雙線偏振雷達和相控陣天氣雷達的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論了新技術應用效果，為這兩項技術的進一步應用提供了參考。

雙線偏振雷達，相控陣天氣雷達，降水估測和相態(tài)識別，龍卷監(jiān)測和預警

0　引言

中國氣象局已經建設的新一代天氣雷達業(yè)務網在災害天氣監(jiān)測、短時臨近預報、人工影響天氣、水文和地質災害以及軍事氣象等方面發(fā)揮了重要作用，其探測能力與美國的下一代天氣雷達（WSR-88D）相當。從我國第一部新一代天氣雷達投入業(yè)務運行至今已經18年，新的探測技術的儲備是雷達系統(tǒng)升級改造的重要工作?；趩纹耋w制和機械掃描體制的新一代天氣雷達在如下探測能力方面有待提高：1）對非氣象回波的識別能力；2）降水估測能力，特別是對強降水的估測能力；3）降水粒子相態(tài)的識別能力；4）對快速變化的小尺度對流系統(tǒng)的觀測能力；5）工作的穩(wěn)定性；6）氣象、軍事和航空的多用途能力。目前，美國已經完成了雙線偏振雷達偏振改造工作，其探測能力明顯提高，下一代雷達技術——相控陣天氣雷達也得到了發(fā)展。為此，在充分利用新一代天氣雷達功能的同時，發(fā)展雙線偏振雷達和相控陣天氣雷達技術，并逐步應用到業(yè)務探測中是我國氣象部門非常重要的任務。

1　雙線偏振雷達發(fā)展現(xiàn)狀和我國業(yè)務應用進展

1.1雙線偏振雷達技術的發(fā)展

20世紀70年代末，美國科學家Seliga等[1-2]提出了雙線偏振天氣雷達設想，通過交替地在脈間發(fā)射相互正交的水平偏振波和垂直偏振波，對降水強度進行了測量，結果表明雙線偏振雷達的測雨強精度要高于常規(guī)天氣雷達。由于受當時設備條件的限制，交替發(fā)射模式被廣泛用在雙線偏振天氣雷達中。在偏振雷達技術發(fā)展過程中，逐漸采用了線偏振、“雙發(fā)雙收”體制，即同時發(fā)射水平和垂直偏振波（發(fā)射45°傾斜角雷達波），同時接收水平和垂直偏振波，探測水平偏振反射率因子、徑向速度、速度譜寬、差反射率因子、差傳播相移、水平垂直偏振波零延遲相關系數(shù)等?！半p發(fā)雙收”方案的優(yōu)點包括：可直接測量零延遲水平垂直偏振信號相關的系數(shù)ρHV；傳播相移率KDP可以直接計算出來，不必考慮多普勒速度譜寬的影響；地物濾波對偏振測量的影響比較??；在同樣轉速和取樣速度下，取樣對數(shù)是“交替發(fā)射”模式的兩倍，且信號相關好，偏振量的估測誤差比較??；不需要大功率微波開關；與原先的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地物濾波和速度距離模糊的消除方案等比較協(xié)調?！敖惶姘l(fā)射”模式的主要優(yōu)點包括：可以測量退偏振因子LDR，兩個通道的相互干擾比較小，可以減小二次回波的影響，因為前一時刻發(fā)出的水平雷達波在延遲一個周期回到雷達天線時，接收的是垂直偏振波，水平偏振波的二次回波受到至少20dB的抑制。但交替發(fā)射模式采樣時間比較長，增大了地物消除的難度，而且必須采用大功率微波開關。

科羅拉多州立大學（CSU）的CSU-CHILL雷達是美國乃至世界上最先進的雙線偏振雷達系統(tǒng)之一，是第一部用慢轉換開關進行差分反射率因子測量的雷達，20世紀80年代進行了改造，最先采用大功率鐵氧體開關將發(fā)射和接收信號分別與水平和垂直通道連接，但其隔離度始終沒大于25dB，且受溫度和PRF的影響。為此在1994和1995年進行了再次改造，更換了天線反射體，增加了一個發(fā)射機和一個接收機，能發(fā)射水平、垂直、45°和135°偏振方向的線偏振波和圓偏振波[3]。1998年，又采用了新的數(shù)字中頻接收機和高速信號處理器，增加了系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和精度。目前該雷達能以三種模式進行觀測：1）常規(guī)的交替發(fā)射水平和垂直偏振波模式；2）同時發(fā)射交替接收（STAR）模式；3）同時發(fā)射、同時接收。由于采用了兩個發(fā)射機，就避免了使用大功率微波開關，在接收通道的開關將主回波和交叉回波信號送到兩個接收機上。在此基礎上，初步形成了WSR-88D的偏振改造升級方案[4,5]。美國的第一部業(yè)務用雙線偏振雷達KOUN于2002年改造成功，2002年春季到2003年春季，利用WSR-88D 偏振雷達改造后的原型雷達KOUN，開展了雙線偏振雷達效果分析外場試驗，主要目的包括：驗證“雙發(fā)雙收”體制的偏振類改造方案；驗證偏振雷達在識別非氣象回波和氣象回波的能力，識別降水粒子相態(tài)的能力；驗證偏振雷達在面雨量估計和強降水估計的有效性；發(fā)布偏振雷達數(shù)據(jù)到NWS。初步驗證了改造后的88D具有識別非氣象回波、卷入龍卷內的地面物體、降水粒子相態(tài)的能力；降水估測能力得到了驗證。這為實施雙線偏振雷達改造提供了支撐[6]。

1.2雙線偏振雷達系統(tǒng)應用效果評估

從2007年起，美國便開展了多普勒天氣雷達（NEXTRAD WSR-88D）網絡的偏振升級工作。WSR-88D偏振改造開始于2011年。2013年，WSR-88D全部改造完成。NSSL等單位合作發(fā)展了雙線偏振雷達業(yè)務降水估測算法，首先進行相態(tài)識別、零度層亮帶識別，根據(jù)情況，采用Z-R、R(Z, ZDR)、R-KDP三種方法進行降水估測。利用2012年兩部改造后的WSR-88D的60km×60km的共同覆蓋區(qū)的對流過程降水估測進行評估，以分析不同距離降水估測的效果。發(fā)現(xiàn)總體講，偏振雷達能夠改進降水估測效果，但不是所有個例和所有雷達都能改進，這種改進與雷達的距離有關，與冰相粒子的影響有關；偏振雷達減小了降水估測隨距離變化的影響，以及冰雹存在對降水估測的影響[7]。

對降水估測進行了詳細的評估，通過47個雷達站的139個個例的分析，評估范圍限制在一定范圍內，以便減小零度層的影響。結果表明：對于所有的個例，平均絕對值誤差減小19%；對于50mm/h降水，改善23%；對于中尺度對流系統(tǒng)，改善32%。另外，在降水估測改進方面，在進行冬季降水估測、零度層亮帶處理的改進、暖區(qū)降水改進、ZDR誤差訂正、降水計算公式的改進、初相態(tài)確定等方面的改進。在雙線偏振雷應用過程中，主要挑戰(zhàn)包括：零度層亮帶的影響；雙線偏振雷達硬件系統(tǒng)的定標；雷達波的部分遮擋及其變化（樹木和人工建筑等影響）[8]。

1.3我國雙線偏振雷達技術的發(fā)展和應用

我國將雙線偏振技術應用于天氣雷達始于20世紀80年代末，當時中國科學院蘭州高原大氣物理研究所（現(xiàn)稱中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所）將713雷達改造成高速脈間轉換雙線偏振天氣雷達，并做了不同降水粒子散射、衰減訂正、測雨效果對比以及云粒子相態(tài)和尺度空間分布等相關研究工作，取得了一些成果[9-13]。

隨著我國氣象現(xiàn)代化建設的開展，很多科研單位及雷達廠家都開始致力于雙線偏振天氣雷達的研制。如，中國科學院大氣物理研究所研制的X波段雙偏振多普勒天氣雷達、中國氣象科學研究院研制的C波段雙偏振多普勒雷達、北京敏視達公司在WSR-98D基礎上改造而成的能同時發(fā)射同時接收的雙偏振天氣雷達、中國電子科技集團第14研究所研制的雙偏振天氣雷達、安徽四創(chuàng)電子股份有限公司對C波段C型號的新一代多普勒天氣雷達進行改造而成的C波段雙偏振多普勒天氣雷達以及成都中電錦江信息產業(yè)有限公司（原國營784廠）研制的X、C及S波段“雙發(fā)雙收”體制的雙線偏振多普勒雷達[14-15]。以上雷達大部分采用了與美國WSR-88D雙線偏振雷達改造類似的“雙發(fā)雙收”體制[10]。這些雷達參加了暴雨、臺風等災害天氣的外場試驗，獲取到了大量的外場試驗數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，開展了雙線偏振雷達測試定標方法研究[16-17]；雙線偏振雷達質量控制方法研究，包括偏振量的濾波和平滑處理、C和X波段雙線偏振雷達的衰減訂正、非氣象回波識別等工作[18-24]；雙線偏振雷達降水估測方法研究和效果分析[25-28]；降水粒子相態(tài)識別方法研究[29-30]等。

目前，我國的雙線偏振雷達經過近30年的探索研究，偏振雷達體制、探測技術、數(shù)據(jù)分析方法不斷完善和進步，其探測能力得到初步的驗證，該技術逐步從科研外場試驗應用，發(fā)展為業(yè)務應用。如杭州市氣象局已經建設了業(yè)務用雙線偏振雷達，珠海氣象局與澳門氣象局合作建設了S波段雙線偏振雷達，上海的WSR-88D進行了雙線偏振雷達升級改造，X波段雙線偏振雷達正在山洪地址災害監(jiān)測等方面得到廣泛的應用。廣東省氣象局的新一代天氣雷達也開始進行雙線偏振雷達功能改造。但雙線偏振雷達技術在廣泛推廣前，雙線偏振雷達技術標準、探測能力的綜合驗證、雷達應用培訓等亟待進行。

2 相控陣天氣雷達技術應用

強對流過程中龍卷、下?lián)舯┝?、冰雹和大風等中小尺度系統(tǒng)尺度小，生消迅速，是產生局地氣象災害的重要原因，強對流過程中尺度結構高時空分辨率的探測對中小尺度研究、預警和預報有重要作用?，F(xiàn)有業(yè)務運行的天氣雷達，如美國的160余部WSR-88D天氣雷達、我國158部新一代天氣雷達等雷達系統(tǒng)，均采用了機械掃描方法，即通過改變雷達天線的方位和仰角實現(xiàn)對天氣過程的三維掃描。這種掃描方法在保證雷達資料精度基礎上最快在6min內完成14層的掃描，在這種掃描方式下取得的雷達資料可以滿足對大范圍過程如臺風、暴雨等天氣的探測、預警和臨近預報及其雷達資料同化要求，對提高災害性天氣監(jiān)測和預測水平起到了較大的作用。但業(yè)務運行的體積掃描模式在垂直方向的分辨率比較差，掃描周期（5～6min）比較長，對快速變化的小尺度天氣過程，如龍卷、微下?lián)舯┝?、中尺度渦旋的監(jiān)測、識別和研究能力有待提高。相控陣天氣雷達就是一種能在保證雷達資料質量的前提下，進行更快速掃描的雷達技術。在保證資料精度基礎上，實現(xiàn)快速掃描，在更短的時間內完成一個掃描過程；減小方位脈沖平均時因天線轉動產生的雷達資料在方位上的“污染”；減小了維護成本，提高了雷達的穩(wěn)定性。

2.1相控陣天氣雷達的發(fā)展

相控陣天氣雷達快速而精確地轉換波束指向的能力使該雷達能夠在1min內完成全空域的掃描，同時獲取大量的氣象信息。與傳統(tǒng)的天氣雷達相比，該種雷達采用陣列天線由大量相同的輻射單元組成，每個單元在相位和幅度上是獨立控制的，能得到精確波束指向，以實現(xiàn)任意指向的回波的觀測。該技術2002年被美國國家雷達技術委員會推薦為將來取代美國WSR-88D系統(tǒng)的技術，2006年美國聯(lián)邦氣象工作辦公室的工作報告也推薦同時服務于天氣過程監(jiān)測、空管和飛機跟蹤的相控陣天氣雷達技術[31]。為了分析相控陣天氣雷達這些優(yōu)勢，評估其應用價值，同時，為進一步發(fā)展替代WSR-88D的技術，美國建立了國家氣象雷達試驗平臺，將退役的宙斯盾（SPY-1）相控陣雷達進行改造建立了兩維相掃體制的相控陣天氣雷達系統(tǒng)，安裝在Oklahoma州的Norman市，并進行了觀測試驗[32]。該雷達由4352個T/R組件構成，陣面法向±45°內的區(qū)域均可使用電掃描，并在一維水平基座的控制下完成全方位的觀測。在試驗過程中，NWRT-PAR既可使用類似WSR-88D的單波束做旋轉體掃描，在258s內完成以VCP12分布的14層仰角觀測。同時，NWRT-PAR還可通過波束復用技術（Beam Multiplexing）降低氣象信息的積累時間，在短時間內完成體積或垂直剖面掃描。通過與附近WSR-88D多普勒天氣雷達的大量對比觀測試驗表明，NWRT-PAR的快速掃描能力對于強對流天氣過程的預警非常有用，較常規(guī)天氣雷達能更快、更準確地獲取天氣過程的詳細信息[33]，對于龍卷過程的分辨時間僅需20～30s[34]。

另外，美國也發(fā)展了一維相掃體制的可移式的X波段相控陣天氣雷達（MWR-05XP），并用于2007—2008年外場試驗，觀測龍卷、超級對流單體、線狀回波過程等，其觀測資料質量與其他雷達相當，但掃描速度遠遠高于WSR-88D雷達[35]。該雷達波瓣寬度為2.0°，最大脈沖重復頻率為10K，距離分辨率為75m，采用了垂直方向電掃描、有限的方位電掃和快速的方位機械掃描的工作模式。觀測時，采用了兩種工作模式：一種是與常規(guī)多普勒雷達類似的工作模式，但掃描速度比WSR-88D快10倍，25s完成一個規(guī)定扇面的體掃，在天線快速轉動時，方位上的電掃描方向和天線的機械掃描方向相反，保證在一定時間段內掃描方向不變，這樣就避免了方位上的雷達波束平均造成的“污染”；另外一種模式為規(guī)定扇面上的聯(lián)系方位變化的垂直掃描模式，先掃垂直方向，然后改變方位，用13s就可以完成90°扇面，垂直方向10層的掃描。

對于MWR-05XP，其采用垂直方向的一維陣列天線與水平方向的機械伺服結合的方式。在移相器的控制下，雷達通過陣面單元相位的變化實現(xiàn)俯仰方向的電掃描，大大提高了觀測資料的時間分辨率。同時，頻率捷變技術的運用使得MWR-05XP還可通過不同脈沖之間頻率的固定的變化實現(xiàn)6°～8°有限方位角的電掃描，在單位時間內能夠獲取更多的獨立樣本，減少了雷達的積累時間。在掃描模式方面，MWR-05XP不僅可完成常規(guī)雷達的VPPI體掃，還可由不同方位角RHI組成VRHI形式的掃描數(shù)據(jù)，兩種掃描模式下獲取360°方位角的觀測資料用時僅需40～62s，以75m的距離分辨率覆蓋1°～55°仰角，達到了很高的時空分辨率。

除此之外，美國還討論了在相控陣天線上實現(xiàn)雙極化技術[36]，并制定了實現(xiàn)氣象和導航等多任務功能（MPAR）的相控陣雷達可行性及性能指標。根據(jù)此前的計劃，美國將采用有近20000個T/R組件組成的4個面陣的兩維相掃技術體制，波瓣寬度為1°，滿足氣象探測的要求；采用3個通道，2個通道為氣象觀測和導航，另一個為跟蹤飛行目標，采用偏振體制，以提高降水估測和協(xié)同識別能力。同時，美國的協(xié)同適應性大氣遙感觀測計劃（the collaborative adaptive sensing of the atmosphere，CASA）計劃也采用了“相控陣小雷達”，以提高低空探測能力。在2025年完成對目前機械掃描多普勒天氣雷達的替換。

2.2相控陣天氣雷達在龍卷監(jiān)測和預警中的應用

Newman等[37]利用可移式X波段相控陣天氣雷達與WSR-88D雷達以及機場用于探測下?lián)舯┝骱惋L切變的TDWR-OKC窄波束雷達同時觀測數(shù)據(jù)，分析了一次線狀對流系統(tǒng)中龍卷的演變過程，表明2min時間間隔和更等層掃描的相控陣天氣雷達能夠分析得到龍卷特征TVS和下?lián)舯┝鞯难葑冞^程，以及與之有關的中尺度氣旋、中層輻合和出流的演變等，有助于理解龍卷的形成過程，而WSR-88D雷達只能觀測到下?lián)舯┝鞯拇嬖?，對其演變的觀測非常困難，對中氣旋的增強過程和風切變的探測也比較粗糙，對龍卷演變的觀測更加困難。利用X波段可移式相控陣天氣雷達觀測的4個龍卷個例分析了超級單體內龍卷渦旋特征（TVS）的強度、位置時間-高度變化，結果表明，TVS的強度和位置的變化非常大，即使在龍卷的成熟期也是如此，并分析了TVS的消亡和新的TVS的生成，兩個TVS的合并等現(xiàn)象[38]。一次超級單體產生的龍卷過程的分析[39]表明，快速更新的相控陣天氣雷達數(shù)據(jù)對預報員準確掌握風暴過程的快速組織化、中氣旋突然增強和入流的增強、龍卷渦流的位置和移動有很大的幫助，有助于預報員準確和更早發(fā)布龍卷預警信息。

在龍卷的預警改進方面，為了分析相控陣天氣雷達在龍卷預警中的作用，分析龍卷識別和預警時間的提高程度，美國利用多年的相控陣天氣雷達觀測的龍卷個例，組織了2010相控陣天氣雷達對龍卷預警時間的創(chuàng)新感知試驗（2010 PARISE）[40]，本試驗中的一個內容是，6名預報員分為兩組，分別使用43s更新的、4.5min更新的相控陣天氣雷達數(shù)據(jù)給出了5次龍卷和1次強雷暴預警，其中2次龍卷和1次強雷暴得到了驗證，快速更新的相控陣天氣雷達數(shù)據(jù)對這3次的龍卷預警時間為6min（強雷暴）、11.5min和18.6min，而采用慢更新的數(shù)據(jù)，預警時間為0min（包括一次龍卷和一次強雷暴）和4.6min。為了驗證以上結果，在2012 PARISE試驗中，12名預報員分析更多的龍卷個例[41]，結果表明，采用快速更新的相控陣天氣雷達數(shù)據(jù)，龍卷的預警時間可延長到20min，而基于業(yè)務平臺的預警時間為13.5min。

相控陣天氣雷達技術在美國已經應用到外場試驗中，并通過這些外場試驗資料分析，進一步研究更詳盡的中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變過程。相控陣天氣雷達快速掃描資料對理解和預警快速變化的天氣過程非常有用，如分辨龍卷過程需要掃描周期為20～30s的雷達資料[34]，美國兩維相掃的相控陣天氣雷達最新的觀測資料分析表明，與WSR-88D相比，該雷達能夠更好和更準確探測快速變化的天氣系統(tǒng)[33,42]。這一研究分析了3個對流過程的高時間分辨率資料，包括重新加強的超級單體、冰雹過程和微下?lián)舯┝鬟^程。58s時間分辨率的相控陣天氣雷達資料，診斷出了低空輻合、中氣旋、上層的旋轉過程等發(fā)展和演變的細微過程，34s的分辨率資料完整描述了微下?lián)舯┝鞯纳泛统隽鞯淖畲笾担焖俚膾呙栀Y料（26s）可以更詳細描述冰雹的快速增強、強回波的發(fā)展和出流的形成和演變等特征。

Snyder等[43]和Zhang等[44]的研究表明，利用EnKF方法，同化6～8次完整的雷達資料后才能產生比較合理的分析場，同化時間為30～40s，顯然同化時間有點過長。Yussouf等[45]的研究進一步表明，比較同化15min的6min周期的常規(guī)WSR-88F雷達資料和1min周期的相控陣天氣雷達，并預報50min，相控陣天氣雷達資料對超級單體的過程描述和預報要明顯優(yōu)于常規(guī)多普勒雷達。另外，快速掃描資料能夠減小降水估測中的降水累積誤差，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，以提高流量估測、洪峰預報能力[46]。

2.3我國相控陣天氣雷達技術的發(fā)展和應用

在我國，由于價格等原因，相控陣雷達技術主要用于軍事和航天等領域，并已經掌握了相控陣雷達的關鍵技術，同時具備了向氣象領域發(fā)展的經濟實力。為了追蹤國際氣象雷達技術領域前沿，為我國未來天氣雷達網建設做好技術儲備，我國也開展了相控陣天氣雷達技術的探討工作，2007年，在氣象行業(yè)專項的支持下，中國氣象科學研究院與14所等單位合作，攻克了軍用相控陣雷達向相控陣天氣雷達轉化的關鍵技術，研制成功了一部S波段相控陣天氣雷達原理樣機，獲得了部分資料，并開展了相控陣天氣雷達方面的研究，證明了相控陣天氣雷達技術的可行性[47]，因其波瓣寬度較寬（垂直波束寬度3.12°、水平波瓣寬度1.57°），該相控陣天氣雷達不能用于實際的強對流天氣過程精細結構的觀測和研究。

2009年，中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室與四創(chuàng)公司合作，研發(fā)專門應用于快速變化的中尺度對流系統(tǒng)的車載X波段相控陣天氣雷達系統(tǒng)，這一雷達采用了垂直方向電控掃描、水平方向機械掃描的方式，而且該雷達采用有源數(shù)字TR組件、收發(fā)DBF體制、超低副瓣波導裂縫平面陣列天氣、直接數(shù)字合成（DDS）波形技術、數(shù)字脈沖壓縮技術等先進技術，波束控制靈活，并利用數(shù)字波束合成技術，可以在垂直方向形成多種不同寬度的波形，使用多波束多路的同時接收，提高相控陣天氣雷達的觀測速度。研究了相控陣天氣雷達的測試和定標方法[48]，并利用該雷達與C波段雙線偏振雷達（CPOL）于2013年4—6月在廣東省江門市鶴山站進行了對比觀測試驗，以檢驗該雷達觀測模式及其對快速變化的對流云演變過程的觀測能力，為進一步改進雷達觀測模式提供了依據(jù)[49]。

另外，在863項目的支持下，我國也研制了機載X波段相控陣天氣雷達，2012年，X波段二維機載相控陣雷達與一部X波段多普勒天氣雷達在相同位置進行了地面試驗，并于2003年6月進行了首次空中觀測，該雷達數(shù)據(jù)與常規(guī)的X波段多普勒雷達和SA雷達進行了對比分析[50]。

3　結語

自從1998年我國在安徽合肥建設了第一部新一代天氣雷達以來，新一代天氣雷達已經在災害天氣監(jiān)測和預警工作中應用了16年，雙線偏振雷達技術經過多年的發(fā)展，已經開始從大氣科學外場試驗逐步走向業(yè)務化應用，應用結果表明：與多普勒雷達相比，雙線偏振雷達技術在提高雷達非氣象回波識別能力，大到暴雨的降水估測能力、降水粒子相態(tài)和冰雹區(qū)識別能力等方面有明顯優(yōu)勢，對提高災害天氣監(jiān)測和預警能力、人工影響天氣指揮和效果有重要意義。但雙線偏振雷達在我國氣象探測中的應用需要盡快制訂相關的雙線偏振雷達功能需求書、雙線偏振雷達測試方法，開展業(yè)務應用效果的評估，并開發(fā)相關的應用軟件。

相控陣天氣雷達與多普勒雷達相比，能快速獲取探測數(shù)據(jù)，運行更穩(wěn)定可靠。同時，可實現(xiàn)一部相控陣天氣雷達同時服務于氣象探測、民航和軍用飛機的導航等目的。目前，我國的相控陣天氣雷達還在研究中，離業(yè)務應用尚有很大距離。另外，Ka波段和W波段云雷達、連續(xù)波雷達等技術也在外場試驗中得到廣泛應用，有望在云降水物理觀測和人工影響天氣工作中首先得到應用。

［1］Seliga T A， Bringi V N. Potential use of radar differential reflectivity measurements at orthogonal polarization for measuring precipitation. J Appl Meteor， 1976， 15： 69-76.

［2］Seliga T A， Bringi V N. Differential reflectivity and differential phase shift. Radio Sci， 1978， 13： 271-275.

［3］Brunkow D， Kennedy P， Rutledge S， et al. CSU-CHILL radar status and comparision of available operating model. Prints 28th conf. On Radar Meteorology. Austin， TX， Amer Meteor Soc， 1997.

［4］Zrnic D S， Ryzhkov A V. Polarimetry for weather surveillance radars. Bull Amer Meteor Soc， 1999， 80： 389-406.

［5］Doviak R J， Bringi V， Ryzhkov A， et al. Considerations for polarimetric upgrades to operational WSR-88D radars. J Atmos Oceanic Technol， 2000， 17： 257-278.

［6］Ryzhkov A V， Schuur T J， Burgess D W， et al. The joint polarization experiment： polarimetric rainfall measurements and hydrometeor classification. Bull Amer Meteor Soc， 2005， 86： 809-824.

［7］Luciana K C， Smith J A， Baeck M L， et al. An early performance evaluation of the NEXRAD dual-polarization radar rainfall estimates for urban flood applications. Wea Forecasting， 2013， 28：1478-1497.

［8］Daniel S B， Schultz J A， Vasiloff S， et al. Status of dual pol QPE in the WSR-88D network. 93th AMS， 27th Conference on Hydrology，Austin， TX， 2013.

［9］Xu BaoXiang， Wang Zhijun， Cai Qiming， et al. Study on applications of C-band dual linear polarization radar in meteorology. Acta Meteo Sinica， 1991， 5： 285-292.

［10］王致君， 楚榮忠. X波段雙通道同時收發(fā)式多普勒偏振天氣雷達.高原氣象， 2007， 26（1）： 135-140.

［11］劉黎平， 錢永甫， 王致君. 用雙線偏振雷達研究云內粒子相態(tài)及尺度的空間分布. 氣象學報， 1996， 54（5）： 590-599.

［12］張鴻發(fā)， 郄秀書， 王致君， 等. 偏振雷達觀測強對流雹暴云. 大氣科學， 2001， 25（1）： 38-47.

［13］楚榮忠， 王致君， 劉黎平， 等. 雙線偏振雷達降雨估測分析. 氣象學報， 1997， 55（1）： 103-109.

［14］曹俊武， 劉黎平， 葛潤生， 等. 模糊邏輯法在雙線偏振雷達識別降水粒子相態(tài)中的研究. 大氣科學， 2005， 29（5）： 827-836.

［15］何宇翔， 肖輝， 呂達仁. 利用極化雷達分析層狀云中水凝物粒子性狀分布.大氣科學， 2010， 34 （1）： 23 -34.

［16］Liu Liping， Hu Zhiqun， Fang Wengui， et al. Calibration and data quality analysis with mobile C band polarimetric radar. Acta Meteorologica Sinica， 2010， 24（4）： 501-509.

［17］孟慶春， 沈永海， 蘇德斌， 等. 雙線偏振雷達雙通道一致性及測試方法研究.高原氣象， 2014， 33（5）： 1440-1447.

［18］胡志群， 劉黎平， 楚榮忠， 等. X波段雙線偏振雷達不同衰減訂正方法對比及其對降水估測影響研究. 氣象學報， 2008， 66（2）：251-261.

［19］何宇翔， 呂達仁， 肖輝， 等. X波段雙線極化雷達反射率的衰減訂正. 大氣科學， 2009， 33（5）： 1027-1037.

［20］畢永恒， 劉錦麗， 段樹， 等. X波段雙線偏振氣象雷達反射率的衰減訂正. 大氣科學， 2012， 36（3）： 495-506.

［21］肖艷姣， 王斌， 陳曉輝， 等. 移動X波段雙線偏振多普勒天氣雷達差分相位數(shù)據(jù)質量控制. 高原氣象， 2012， 31（1）： 223-230.

［22］杜牧云， 劉黎平， 胡志群， 等. 雙線偏振多普勒雷達資料質量分析. 氣象學報， 2013， 71（1）： 146-158.

［23］Hu Zhiqun， Liu Liping， Wu Linlin， et al. A comparison of denoising methods for differential phase shift and associated rainfall estimation. Journal of Meteorological Research， 2015， 29： 315-327.

［24］吳林林， 劉黎平， 袁野， 等. C波段車載雙偏振雷達ZDR資料處理方法研究.高原氣象， 2015， 34（1）： 279-287.

［25］劉黎平， 葛潤生， 張沛源. 雙線偏振多普勒天氣雷達遙測降水強度和液態(tài)含水量的方法和精度研究. 大氣科學， 2002， 26（5）：709-720.

［26］趙果， 楚榮忠， 張彤， 等. 偏振多普勒雷達定量測量降雨精度的改進. 高原氣象， 2011， 30（2）： 498-507.

［27］胡明寶， 趙景志， 夏文梅， 等. 雙偏振多普勒天氣雷達和CINRAD-SA對比分析. 現(xiàn)代雷達， 2012， 34（1）： 5-8.

［28］高玉芳， 陳耀登， David Gochis， 等. JOPLE算法結合雙偏振雷達在不同降水過程中的測雨效果分析. 熱帶氣象學報， 2014， 30（2）：361-367.

［29］劉黎平. 雙線偏振多普勒天氣雷達估測混合區(qū)降雨和降雹方法的理論研究.大氣科學， 2002， 26（6）： 761-772.

［30］郭鳳霞， 馬學謙， 王濤， 等. 基于X 波段雙線偏振天氣雷達的雷暴云粒子識別.氣象學報， 2014， （6）： 1231-1244.

［31］Weber M E， Cho J Y N， Herd J S， et al. The next-generation multimission U.S. surveillance radar network. Bull Amer Meteor Soc， 2007， 88： 1739-1751.

［32］Weadon M， Heinselman P， Forsyth D， et al. Multifunction phased array radar. Bull Amer Meteor Soc， 2009， 90： 385-389.

［33］ Zrni? D S， Kimpel J F， Forsyth D E， et al. Agile-beam phasedarray radar for weather observations. Bull Amer Meteor Soc， 2007，88： 1753-1766.

［34］Rasmussen E N， Richardon S， Straka J M， et al. The association of significant tornadoes with a baroclinic boundary on 2 June 1995. Mon Wea Rev， 2000， 128： 174-191.

［35］Bluestein H B， French M M， PopStefanija I， et al. A Mobile，Phased-array Doppler radar for the study of severe convective storms. Bull Amer Meteor Soc， 2010， 91： 579-600.

［36］Zhang G， Doviak R J， Zrnic D S， et al. Phased array radar polarimetry for weather sensing： a theoretical formulation for bias corrections. IEEE Trans Geosci Remote Sens， 2009， 47（11）：3679-3689.

［37］Newman J F， Heinselman P L. Evolution of a quasi-linear convective system sampled by phased array radar. Mon Wea Rev，2012， 140： 3467-3486.

［38］French M M， Bluestein H B， PopStefanija I， et al. Mobile， phasedarray， Doppler radar observations of tornadoes at X band. Mon Wea Rev， 2014， 142： 1010-1036.

［39］Kuster C M， Heinselman P L， Austin M. 31 May 2013 El Reno Tornadoes： Advantages of rapid-scan phased-array radar data from a warning forecaster's perspective. Wea Forecasting， 2015， 30：933-956.

［40］Heinselman P L， LaDue D S， Lazrus H. Exploring impacts of rapid-scan radar data on NWS warning decisions. Wea Forecasting，2012， 27： 1031-1044.

［41］Bowden K A， Heinselman P L， Kingfield D M， et al. Impacts of phased-array radar data on forecaster performance during severe hail and wind events. Wea Forecasting， 2015， 30： 389-404.

［42］Heinselman P L， Priegnitz D L， Manross K L， et al. Rapid sampling of severe storms by the National Weather Radar Testbed phased-array radar. Wea Forecasting， 2008， 23： 808-824.

［43］Snyder C， Zhang F. Assimilation of simulated Doppler radar observations with an ensemble Kalman filter. Mon Wea Rev， 2003，131： 1663-1677.

［44］Zhang F， Snyder C， Sun J. Impacts of initial estimate and observation availability on convective-scale data assimilation with an ensemble Kalman filter. Mon Wea Rev， 2004， 132： 1238-1253.

［45］Yussouf N， Stensrud D J. Impact of phased-array radar observations over a short assimilation period： observing system simulation experiments using an ensemble Kalman filter. Monthly Weather Review， 2010，138（2）： 517-538.

［46］Anagnostou E N， Krajewski W F. Real-time radar rainfall estimation. part I： algorithm formulation. J Atmos Oceanic Technol， 1999， 16： 189-197.

［47］張志強， 劉黎平. S波段相控陣天氣雷達與新一代天氣雷達探測云回波強度及結構誤差的模擬分析. 氣象學報， 2011， 69（4）：729-735.

［48］ 劉黎平， 吳林林， 吳翀, 等. X波段相控陣天氣雷達對流過程觀測外場試驗及初步結果分析. 大氣科學， 2014， 38（6）： 1079-1094.

［49］ 吳翀， 劉黎平， 汪旭東， 等. 相控陣雷達掃描方式對回波強度測量的影響. 應用氣象學報， 2014， 25（4）： 406-414.

［50］Wu Chong， Liu Liping. Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with an X-band Doppler radar and S-band operational radar. Advances in Atmospheric Sciences，2014， 31（4）： 814-824.

Development and Application of Dual Linear Polarization Radar and Phased-array Radar

Liu Liping, Hu Zhiqun, Wu Chong
（State Key Laboratory of Severe Weather， Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081）

The Polarimetric upgrades to NEXRAD radar (WSR-88D) and development of phased-array radar in USA are reviewed, the application of the two radars on watching and warning of severe weather are analyzed, especially in quantitative precipitation estimate （QPE） and hydrometer classification of dual polarization radar， tornado watching and warning with phased-array radar. The current status and development of dual polarization radar and phased-array radar in China are presented in this paper. This paper is value for application of these two kinds of radars.

dual polarization radar， phased-array radar， quantitative precipitation estimate and hydrometer classification， tornado watching and warning

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.003

2016年2月23日；

2016 年4月7日

劉黎平（1963—），Email: lpliu@camscma.cn

資助信息：國家自然科學基金項目（91337103）