喜 度，王凌震

（江蘇省氣象探測中心，江蘇 南京 210008）

1 引言

新一代S波段多普勒天氣雷達(dá)已在江蘇省使用多年，近三年來又新增淮安和宿遷兩部雷達(dá)，使得江蘇省氣象業(yè)務(wù)使用中雷達(dá)數(shù)量達(dá)到9部。多年的使用讓許多業(yè)務(wù)人員耳聞目睹的是雷達(dá)的高靈敏度和高精度，但是對雷達(dá)氣象不很熟悉的業(yè)務(wù)人員，在業(yè)務(wù)工作應(yīng)用雷達(dá)資料的時候，對雷達(dá)的探測能力仍不是很了解。許多業(yè)務(wù)人員認(rèn)為既然是高靈敏度雷達(dá)，應(yīng)該連云回波都能看到，并且能觀測到所有降水。不少業(yè)務(wù)人員試圖用S波段新一代多普勒天氣雷達(dá)觀測霧回波，而在秋冬季實況有降水而雷達(dá)沒有回波時，就認(rèn)為雷達(dá)有故障了。因此，有必要對S波段新一代多普勒天氣雷達(dá)的探測能力再進(jìn)行一些探討。

2 降水粒子直徑、雷達(dá)波長和雷達(dá)散射截面的關(guān)系

當(dāng)粒子直徑d＜＜λ雷達(dá)波長時，降水粒子對雷達(dá)波的散射稱為瑞利散射。對S波段多普勒雷達(dá)，波長為10 cm，在探測弱降水時肯定滿足瑞利散射。在瑞利散射下，δ=cd6/λ4，其中δ為雷達(dá)散射截面，也就是δ和降水粒子直徑的6次方成正比，和雷達(dá)波長的4次方成反比。

Z的定義和雷達(dá)氣象方程如下：

式（1）（2）中：Z為雷達(dá)反射率因子；P為雷達(dá)接收到的散射功率；C為常系數(shù)。

可以看出，P和降水粒子直徑的6次方成正比，和雷達(dá)波長的4次方成反比。因此，當(dāng)雷達(dá)使用較長波長、降水雨滴直徑變小時，散射到雷達(dá)天線的雷達(dá)波功率就會急劇變小。不同雨強(qiáng)的滴譜分布如表1所示。根據(jù)項目統(tǒng)計，從表1中可以看出，隨著降水量的增大，雨滴直徑逐步增大。但即使雨強(qiáng)達(dá)到150 mm/h，雨滴直徑最終分布大多限定在0.05～0.45 cm之間，大型雨滴較容易破碎。

表1 不同雨強(qiáng)的滴譜分布

如果假設(shè)雷達(dá)功率、靈敏度、增益等相同，雷達(dá)最大探測距離與降水強(qiáng)度和波長的關(guān)系如圖1所示。可以看出，在其它條件相同的情況下，對1 mm/h以下的降水，10 cm波長的雷達(dá)要比3 cm波長的雷達(dá)探測距離小200 km左右，對于弱降水而言，S波段多普勒雷達(dá)探測能力明顯弱很多。

圖1 雷達(dá)最大探測距離與降水強(qiáng)度和波長的關(guān)系

3 實際雷達(dá)的情況

根據(jù)雷達(dá)的性能指標(biāo)計算，早期713氣象雷達(dá)的靈敏度在10 km處等效約為-11 Dbz左右。SA的靈敏度在10 km處等效約-18 Dbz。對S波段多普勒雷達(dá)，降水粒子直徑d=0.2 cm時，計算雷達(dá)散射截面δ=1.88e-8cm2，d=0.1 cm時，δ=2.945e-10cm2。說明當(dāng)雨滴直徑減小一半時，散射截面減小約100倍，對應(yīng)回波小20 Dbz。

按項目統(tǒng)計的Z-I關(guān)系計算，5 Dbz的回波約對應(yīng)0.4 mm/h的降水，而按理論計算，S波段多普勒雷達(dá)應(yīng)該能在100 km的地方觀測到2 Dbz的回波，也就是說，一般情況下，S波段多普勒雷達(dá)對強(qiáng)度為0.4 mm/h降水的觀測能力為100 km。一般情況下S波段多普勒雷達(dá)對弱回波的觀測能力如圖2所示。如圖2所示，在實際業(yè)務(wù)工作中，由于雨滴譜的變化等原因，根據(jù)有限的資料統(tǒng)計，在測站周圍50 km半徑內(nèi)，雷達(dá)觀測到的降水極限值為0.4 mm/h，如圖2（a）所示。冬季有時也能觀測到10 Dbz以上的云回波，如圖2（b）所示。

4 影響雷達(dá)對弱降水觀測的其他原因

影響雷達(dá)對弱降水觀測的其他原因有：①地球曲率的影響。S波段多普勒雷達(dá)的第一個觀測仰角為0.5°，約在200 km處，已觀測不到4 km高度以下的雷達(dá)回波。②遮擋的影響，比如南京雷達(dá)在204°～240°的方位上有0.8°的擋角，對于強(qiáng)降水回波高度比較高，不太影響觀測，而對于弱降水，回波高度比較低，容易被遮擋導(dǎo)致觀測不到。

5 改善方法

應(yīng)該充分應(yīng)用自動站資料，江蘇省氣象自動站目前已經(jīng)比較密集，充分應(yīng)用自動資料和雷達(dá)結(jié)合分析，制作短時預(yù)報，能夠彌補(bǔ)S波段對弱回波探測的不足，提高預(yù)報的準(zhǔn)確性；用X波段的雷達(dá)彌補(bǔ)S波段雷達(dá)的不足。從上面的討論可以看出，X波段（3 cm）的雷達(dá)對弱降水的探測能力明顯高于S波段的雷達(dá)，在美國新一代雷達(dá)布網(wǎng)中，將在S波段雷達(dá)網(wǎng)中插補(bǔ)大量的X波段的雷達(dá)，如圖3所示。江蘇省原來有十幾部X波段的雷達(dá)，通過進(jìn)行現(xiàn)代化改造和新建雙偏振X波段雷達(dá)的方式，可作為現(xiàn)有S波段雷達(dá)網(wǎng)的補(bǔ)充，以此來充分彌補(bǔ)S波段的雷達(dá)網(wǎng)不足，大大提高整個雷達(dá)網(wǎng)的探測能力。

圖2 一般情況下S波段多普勒雷達(dá)對弱回波的觀測能力

圖3 美國規(guī)劃的雷達(dá)網(wǎng)

6 結(jié)語

任何雷達(dá)的觀測能力都是有局限性的，S波段多普勒天氣雷達(dá)使用10 cm波長，雷達(dá)功率大，靈敏度高，提高了一般降水觀測性能，但對于雨滴直徑比較小的弱降水，由于使用的波長比較長，再加上散射截面和雨滴直徑的6次方成正比，兩種因素相互作用，仍有可能觀測不到回波。使用雷達(dá)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)人員應(yīng)該對雷達(dá)的觀測能力有正確的認(rèn)識。