王睿，伍志方, ，林青，張阿思，陳超，王明筠，孫召平，邢飛，侯中陽

(1.廣東省氣象臺(tái)(南海海洋氣象預(yù)報(bào)中心)，廣東 廣州 510641；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；4.北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100080；5.江門市氣象局，廣東 江門 529000)

1 引 言

天氣雷達(dá)在災(zāi)害性天氣的監(jiān)測、識(shí)別和預(yù)警方面，發(fā)揮著不可替代的作用。目前我國已建成一定規(guī)模的天氣雷達(dá)網(wǎng)，組網(wǎng)雷達(dá)主要包括S 波段和C 波段雷達(dá)。隨著多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，天氣雷達(dá)探測能力有了很大的提高[1]，劉黎平等[2]分析了國內(nèi)外雷達(dá)遙感新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了我國在雙多普勒雷達(dá)、雙基地多普勒雷達(dá)、雙線偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、激光雷達(dá)在災(zāi)害性天氣的熱力、動(dòng)力和微物理中尺度結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用研究，指出新的雷達(dá)遙感方法和技術(shù)的發(fā)展，將為中尺度天氣過程的監(jiān)測和研究提供時(shí)空分辨率更高、觀測參量更多的資料。

引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的中小尺度系統(tǒng)局地性強(qiáng)，生消迅速，是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的重要原因[3-5]。隨著探測手段發(fā)展，對(duì)這種災(zāi)害性天氣過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測手段愈加豐富[6]。為加強(qiáng)中小尺度強(qiáng)天氣監(jiān)測能力，廣東省在2014 年通過珠澳合作的國內(nèi)首部業(yè)務(wù)S 波段雙偏振天氣雷達(dá)投入運(yùn)行，并于2015—2018 年陸續(xù)開展了對(duì)省內(nèi)8部單偏振雷達(dá)的雙偏振升級(jí)改造[7]。新一代多普勒天氣雷達(dá)現(xiàn)階段采用的掃描方式比較固定，常用的VCP21 模式，一個(gè)體掃周期為6 分鐘，距離分辨率為250 m，方位分辨率為1.0 °，最大探測距離為460 km。這種掃描方式所提供的雷達(dá)資料可以用于臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣過程的監(jiān)測，在雷達(dá)風(fēng)場反演及其資料同化應(yīng)用中也取得了一些有價(jià)值的研究成果[8-9]。但是，這種掃描方式在時(shí)空分辨率上并不能滿足對(duì)發(fā)展過程迅速的中小尺度天氣系統(tǒng)的研究、預(yù)報(bào)和預(yù)警[10-11]，特別是針對(duì)中氣旋和龍卷這種中小尺度的對(duì)流系統(tǒng)，由于其尺度小、持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生概率低等特點(diǎn)，對(duì)龍卷的監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警一直以來都是災(zāi)害天氣領(lǐng)域的難點(diǎn)[12-13]。文獻(xiàn)[14-19]基于龍卷的多普勒雷達(dá)回波特征探討了龍卷的臨近預(yù)警，指出徑向速度場是龍卷監(jiān)測預(yù)警的主要依據(jù)。但是現(xiàn)有雷達(dá)1.0 °×250 m 的空間分辨率對(duì)于觀測和預(yù)警龍卷特征其精度仍然不夠，需要更高精度的雷達(dá)觀測來提升預(yù)警能力。

天氣雷達(dá)觀測產(chǎn)品的使用是預(yù)報(bào)員進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)，特別是對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)所依賴的主要手段。根據(jù)多年來對(duì)天氣雷達(dá)觀測資料應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)需要更高時(shí)空分辨率、更高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)來支持短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的觀測和應(yīng)用需要。因此，在現(xiàn)有天氣雷達(dá)的基礎(chǔ)上，通過局部技術(shù)改進(jìn)[20]，提高雷達(dá)數(shù)據(jù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率，能夠獲得更即時(shí)的、更高精度的雷達(dá)觀測資料和氣象產(chǎn)品[21]，用于指導(dǎo)區(qū)域天氣分析和天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

深圳竹子林站雷達(dá)和杭州下沙站雷達(dá)分別在2018 年和2019 年通過技術(shù)改進(jìn)，增加了精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)，為了檢驗(yàn)改造后的雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)在監(jiān)測和識(shí)別中小尺度天氣系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，本研究選取了幾次典型的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，對(duì)比分析精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)與原始分辨率數(shù)據(jù)的觀測結(jié)果，評(píng)估精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的改進(jìn)效果。

2 數(shù)據(jù)資料

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究主要用到的數(shù)據(jù)資料包括深圳竹子林站雷達(dá)改進(jìn)后的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)中的雷達(dá)反射率因子和徑向速度數(shù)據(jù)，杭州下沙雙偏振雷達(dá)改進(jìn)后精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)雷達(dá)反射率因子和徑向速度數(shù)據(jù)，以及相關(guān)系數(shù)、差分反射率因子等偏振量數(shù)據(jù)，另外還用自動(dòng)站雨量數(shù)據(jù)作為實(shí)況資料對(duì)比精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行定量降水估測的參考。

2.2 精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)

深圳竹子林雷達(dá)和杭州下沙雷達(dá)本來都是常規(guī)業(yè)務(wù)雷達(dá)，體掃時(shí)間都是6 分鐘，探測分辨率為1.0 °×250 m，本研究稱為原始雷達(dá)模式，輸出的數(shù)據(jù)為原始模式數(shù)據(jù)。

為了探測和分析強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的精細(xì)化特征，深圳竹子林站天氣雷達(dá)（CINRAD/SA 型號(hào)）和杭州下沙站雷達(dá)分別于2018 年和2019 年進(jìn)行了精細(xì)化和智能化探測的技術(shù)改造[20]，將探測分辨率從1.0 °×250 m 分別提高到0.5 °×125 m（深圳）和0.5 °×62.5 m（杭州），體掃時(shí)間由6 分鐘縮短到4分鐘，本文稱為精細(xì)分辨率雷達(dá)模式，輸出的雷達(dá)數(shù)據(jù)稱為精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)。改進(jìn)前后主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 深圳和杭州天氣雷達(dá)精細(xì)化改進(jìn)前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2.3 改進(jìn)的精細(xì)化和智能化雷達(dá)探測技術(shù)

原多普勒天氣雷達(dá)在精細(xì)化和智能化技術(shù)改進(jìn)后，其技術(shù)指標(biāo)和功能仍然滿足（部分高于）中國氣象局天氣雷達(dá)的相關(guān)設(shè)備和建設(shè)技術(shù)規(guī)范。

2.3.1 提高距離分辨率技術(shù)

改進(jìn)后雷達(dá)系統(tǒng)支持四脈寬，并優(yōu)化匹配濾波器，雷達(dá)系統(tǒng)增加2 個(gè)脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的125 m和62.5 m距離分辨率。

2.3.2 提高方位分辨率技術(shù)

利用徑向重組技術(shù)和數(shù)據(jù)加窗處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)平均權(quán)重方式[20]，在不改動(dòng)雷達(dá)硬件前提下將雷達(dá)數(shù)據(jù)方位分辨率提高至0.5 °。徑向重組技術(shù)主要是通過修改信號(hào)處理過程中使用的角度表來實(shí)現(xiàn)，角度表是用來定義時(shí)間序列數(shù)據(jù)流的相干處理間隔。

2.3.3 自適應(yīng)體掃探測技術(shù)

①自適應(yīng)體掃。

針對(duì)強(qiáng)對(duì)流設(shè)計(jì)體掃模式，科學(xué)選取仰角數(shù)量和角度以獲取精細(xì)的強(qiáng)對(duì)流垂直結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)每層仰角雷達(dá)反射率因子和徑向速度的發(fā)射波形和脈沖樣本量，保證觀測質(zhì)量同時(shí)提高掃描速度；自動(dòng)識(shí)別晴空、層云主導(dǎo)或?qū)α髦鲗?dǎo)，并自動(dòng)切換至相應(yīng)的體掃模式。

②自動(dòng)體掃終止。

自動(dòng)體掃終止技術(shù)的基本思想是當(dāng)高仰角掃描中沒有明顯雷達(dá)回波時(shí)終止當(dāng)前的體積掃描。即一旦某個(gè)仰角掃描高于對(duì)流主體頂部時(shí)，由于繼續(xù)更高仰角并不能提供更多有效信息，因此立即終止當(dāng)前體積掃描并開始新的體積掃描。此技術(shù)的主要作用在于當(dāng)較高仰角沒有明顯有效數(shù)據(jù)信息時(shí)，能夠明顯縮短體積掃描所需要的時(shí)間，也提高了低層掃描的更新頻率。

2.3.4 快速掃描技術(shù)

①天線方位轉(zhuǎn)速適當(dāng)加快，優(yōu)化掃描參數(shù)。

4 分鐘體掃，方位轉(zhuǎn)速最高約25 °/s（小于36 °/s指標(biāo)）。

②PRF 從1 014 Hz 提 高 到1 300 Hz，提 高30%，補(bǔ)償采樣樣本數(shù)PRF 提高，將S 波段的最大不模糊速度從27 m/s提高到34 m/s。

③采用Staggered PRT 技術(shù)解決中間仰角速度退模糊問題。

脈間變化交替發(fā)射不同PRF 的脈沖，解二次回波和速度模糊。

④體掃設(shè)計(jì)。

改進(jìn)后的精細(xì)分辨率雷達(dá)針對(duì)不同的天氣類型，應(yīng)采用合適的探測模式。雷達(dá)一般運(yùn)行在晴空模式和降水模式，體掃配置與業(yè)務(wù)VCP31 和VCP21 相同，在強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)入230 km 范圍內(nèi)時(shí)（具體判斷條件可設(shè)置），自動(dòng)切換到強(qiáng)降水模式，運(yùn)行4 分鐘體掃VCP25，風(fēng)暴減弱或者運(yùn)動(dòng)出230 km范圍外雷達(dá)自動(dòng)切換到降水模式。

3 天氣雷達(dá)改進(jìn)后精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)的探測效果對(duì)比

本研究分別選取了短時(shí)強(qiáng)降水過程、雷雨大風(fēng)和龍卷過程來分析深圳竹子林站雷達(dá)和杭州下沙站雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)的雷達(dá)反射率因子、雷達(dá)定量降水估測以及龍卷特征的識(shí)別效果的改進(jìn)情況。

3.1 雷達(dá)反射率因子及其定量降水估測對(duì)比分析

2019年6月9 —14日，廣東省出現(xiàn)了多日大范圍強(qiáng)降水，過程的最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在6 月11日的凌晨03—04 時(shí)（北京時(shí)間，下同），為54.8 mm，其中G731 站點(diǎn)雨量和風(fēng)速隨時(shí)間變化如圖1。11 日這次過程主要是西南季風(fēng)上岸的暖區(qū)降水為主，這次過程主要有降水時(shí)間長、雨量大、分布不均勻的特點(diǎn)，降水較大的區(qū)域主要集中在沿海地區(qū)。深圳竹子林站雷達(dá)作為新觀測模式的試驗(yàn)雷達(dá)，捕捉到了本次過程。在此挑選觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)最大降水和最大陣風(fēng)時(shí)間段的精細(xì)分辨率和原始分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 G1721自動(dòng)站雨量和風(fēng)速隨時(shí)間的變化 橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)依次為風(fēng)速（m/s）和降水量（mm）。

在雷達(dá)反射率因子圖（圖2）上看出，3 點(diǎn)42分，雷達(dá)回波開始影響到G1721 站點(diǎn)（黑色圓圈），原始的SA 雷達(dá)數(shù)據(jù)和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)回波最大值均達(dá)到了50 dBZ 以上，而且由于精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)空間分辨率更高，其顯示的雷達(dá)反射率因子像素點(diǎn)更為密集，圖像分辨率更高，可以展示回波內(nèi)部更多精細(xì)結(jié)構(gòu)。另外，為了研究精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)相較于原始分辨率數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)降水的探測能力，本研究通過對(duì)精細(xì)分辨率和原始分辨率數(shù)據(jù)通過定量降水估測來分析精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)降水過程的探測能力是否有所改進(jìn)。

圖2 竹子林站雷達(dá)0.5 °仰角15時(shí)30分（a、d）、15時(shí)42分（b、e）和15時(shí)54分（c、f）原始分辨率數(shù)據(jù)（a～c）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（d～f）的雷達(dá)反射率因子 黑色圓圈為G1721站點(diǎn)位置。

在前期的研究成果中，基于2018 年2DVD 觀測構(gòu)建了華南的定量降水估計(jì)算子（R(ZH)=0.015 8Z0.74H），本次研究利用6 月11 日全天共234個(gè)體掃1.5 °仰角數(shù)據(jù)計(jì)算精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)對(duì)暖區(qū)暴雨的定量降水估計(jì)結(jié)果，并選取距離自動(dòng)站最近的庫進(jìn)行誤差分析，其中標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果中，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）比原始分辨率數(shù)據(jù)減少了0.33，相關(guān)系數(shù)（CC）提高了0.03。從圖3 中可以看到，在20～40 mm/h 區(qū)間內(nèi)，原始分辨率數(shù)據(jù)中樣本的離散度更大，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)更集中在對(duì)角線附近，40～60 mm/h 樣本比較少，原始分辨率數(shù)據(jù)中顯著低估的樣本在精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)中略有減少，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)中兩個(gè)大于60 mm/h 的樣本也更加接近中線略有高估。

圖3 6月11日深圳雷達(dá)1.5 ° 仰角原始分辨率數(shù)據(jù)（a）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（b）與自動(dòng)站小時(shí)雨強(qiáng)散點(diǎn)圖其中RE為相對(duì)誤差，RMSE為標(biāo)準(zhǔn)差，CC為相關(guān)系數(shù)（其中a=0.02為公式中0.015 8保留2位小數(shù)的結(jié)果，實(shí)際值為a=0.015 8）。

本文分別對(duì)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行定量降水估測的值與自動(dòng)站的降水作為地面實(shí)況雨量進(jìn)行對(duì)比分析，選取自動(dòng)站雨量和自動(dòng)站附近3×3 格點(diǎn)的QPE 數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對(duì)比分析，即一個(gè)自動(dòng)站實(shí)況的雨量數(shù)據(jù)和附近9個(gè)格點(diǎn)的QPE 數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行匹配對(duì)比。圖4 為所有站點(diǎn)QPE 和雨量站的平均比值統(tǒng)計(jì)，藍(lán)色為高估，紅色為低估，圓圈大小代表實(shí)際雨強(qiáng)大小。本次過程中，雷達(dá)的西側(cè)主要以QPE高估為主，東側(cè)QPE 為低估。所有低估樣本中，雨強(qiáng)大的低估比值較大，這種低估主要原因如下。（1）衰減影響。即使是S 波段雷達(dá)，在觀測強(qiáng)降水的時(shí)候，會(huì)不可避免地受到強(qiáng)降水衰減的影響[22]；（2）雨滴濃度影響。不同的降水過程，雨滴濃度有所不同，而固定的Z-R關(guān)系式是雷達(dá)QPE 誤差的重要來源之一。研究表明，華南的暖區(qū)降水過程有較高濃度的小粒子，尤其是在強(qiáng)降水的地方，而QPE會(huì)嚴(yán)重低估這種類型的強(qiáng)降水（降雨量＞50 mm）[23]。雖然無法避免對(duì)雨強(qiáng)較大的降水的低估，但對(duì)比精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（圖4a）和原始分辨率數(shù)據(jù)（圖4b），可以看到精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)紅色圓圈和藍(lán)色圓圈相對(duì)于原始分辨率數(shù)據(jù)更少，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)定量降水估測高估（紅色）的站點(diǎn)數(shù)有79 個(gè)，少于原始分辨率數(shù)據(jù)高估的站點(diǎn)數(shù)88 個(gè)，而且從紅色方框內(nèi)可以看到精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的紅色和藍(lán)色圓圈顏色都比原始分辨率數(shù)據(jù)的圓圈顏色較淺，說明精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)計(jì)算的QPE值相對(duì)于原始分辨率數(shù)據(jù)計(jì)算的QPE更接近自動(dòng)站的雨量值。精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)對(duì)于降水的估測要略好于原始分辨率數(shù)據(jù)，但相比自動(dòng)站的實(shí)際雨量仍有不同程度的高估和低估。

圖4 6月11日各站點(diǎn)原始分辨率數(shù)據(jù)（a）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（b）的計(jì)算的QPE與自動(dòng)站小時(shí)雨強(qiáng)的平均比值彩色填色為高估或低估比值的數(shù)值，圓圈大小代表自動(dòng)站雨強(qiáng)實(shí)際大小。

通過對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)基于精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的QPE估測值更接近自動(dòng)站觀測的實(shí)況降水?dāng)?shù)據(jù)，其高估和低估均比原始分辨率數(shù)據(jù)要少，可以得出精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的QPE 值效果更好，降水估測值相對(duì)更可靠。

3.2 雷暴大風(fēng)過程對(duì)比分析

在2019年6月9—14日的過程中，除了出現(xiàn)大范圍的降水，多地還出現(xiàn)了明顯的雷暴大風(fēng)天氣。其中，11日下午出現(xiàn)了一次大風(fēng)和雷雨過程，并被深圳竹子林站雷達(dá)觀測到。大風(fēng)主要出現(xiàn)在珠江三角洲沿海，其中最大陣風(fēng)為22.2 m/s，該站點(diǎn)錄得小時(shí)降水為33.3 mm。

從圖5 可以看到，15 時(shí)35 分開始風(fēng)速突然增大，降水也逐漸變大，從50 分起大風(fēng)迅速增加到9級(jí)，達(dá)到22.2 m/s，之后隨著強(qiáng)雷雨云團(tuán)的移出，風(fēng)速迅速減小。

圖5 自動(dòng)站G2051風(fēng)速和降水量隨時(shí)間的變化圖 橫坐標(biāo)為時(shí)間（每15分鐘間隔），縱坐標(biāo)依次為風(fēng)速（m/s）和降水量（mm）。

從速度圖的對(duì)比看出，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的速度絕對(duì)值略大于原始分辨率數(shù)據(jù)，從圖6b 和6e 對(duì)比，G2051 站點(diǎn)上空東南側(cè)的原始分辨率數(shù)據(jù)探測到的最大風(fēng)速有15～20 m/s，在分辨率更高的精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)徑向速度圖上最大速度的區(qū)域出現(xiàn)了幾個(gè)20 m/s 以上的速度點(diǎn)，而在原始分辨率數(shù)據(jù)的圖上幾乎很難分辨到大于20 m/s的速度點(diǎn)。更高的空間分辨率使得精細(xì)分辨率雷達(dá)在識(shí)別雷暴大風(fēng)方面有更好的效果。

圖6 竹子林雷達(dá)0.5 °仰角15時(shí)30分（a、d）、15時(shí)42分（b、e）和15時(shí)54分（c、f）原始分辨率數(shù)據(jù)（a～c）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（d～f）的風(fēng)暴相對(duì)速度產(chǎn)品 紅色圓圈為G2051站點(diǎn)位置。

此外，從風(fēng)暴單體識(shí)別產(chǎn)品（圖7～圖8）來看，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)從15 時(shí)開始識(shí)別出風(fēng)暴，捕捉到回波頂升高，最大回波高度降低的趨勢(shì)，識(shí)別的風(fēng)暴產(chǎn)品持續(xù)到15 時(shí)42 分以后，并且追蹤到雷暴消散為止，而原始分辨率數(shù)據(jù)在同一對(duì)流云團(tuán)15 時(shí)12分開始才識(shí)別出了風(fēng)暴。精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)比原始分辨率數(shù)據(jù)提前了12分鐘識(shí)別出風(fēng)暴單體。而且精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)識(shí)別出的對(duì)流風(fēng)暴的頂高達(dá)到13.8 km，而原始分辨率數(shù)據(jù)識(shí)別的風(fēng)暴頂高是12.5 km。

圖7 竹子林原始分辨率數(shù)據(jù)15:12識(shí)別出風(fēng)暴單體（a），精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)15:00識(shí)別出風(fēng)暴單體（b）

圖8 精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)15:42識(shí)別的風(fēng)暴單體產(chǎn)品（a）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)識(shí)別的對(duì)流單體A0的時(shí)間演變圖（b）

綜上所述，可以看出精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)在識(shí)別大風(fēng)個(gè)例時(shí)，其識(shí)別的相對(duì)徑向速度相比于普通SA 雷達(dá)識(shí)別的更為精細(xì)，像素點(diǎn)更多，在更多的徑向速度點(diǎn)中可能會(huì)出現(xiàn)更大的徑向速度點(diǎn)，輻合輻散和速度極值也更明顯，而且精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)能夠比原始分辨率數(shù)據(jù)提前更久、更準(zhǔn)確地識(shí)別與追蹤對(duì)流單體。

3.3 龍卷過程對(duì)比分析

3.3.1 2021年6月1日珠海水龍卷過程

2021 年6 月1 日，龍舟水期間，珠三角地區(qū)及珠江口附近海面出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水過程，并伴隨局地的雷暴大風(fēng)天氣。其中6 月1 日下午13 時(shí)左右，澳門附近海面，珠海港珠澳大橋附近出現(xiàn)水龍卷。

13—14 時(shí)，澳門附近海面的自動(dòng)站測得最大風(fēng)速達(dá)到20 m/s，且風(fēng)向有明顯的氣旋性環(huán)流的彎曲。深圳雷達(dá)的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)均記錄到了這次水龍卷過程。

從雷達(dá)回波的演變圖上（圖9）可以看出，在澳門和珠海東側(cè)的海面上，有較強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán)生成，且緩慢地向東北方向移動(dòng)發(fā)展。可以看到精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)的1.5 °仰角反射率圖強(qiáng)度基本相似，都達(dá)到了55～60 dBZ，但是由于精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)更高的空間分辨率，其顯示的較大的回波強(qiáng)度像素點(diǎn)也更多，強(qiáng)回波的結(jié)構(gòu)更清晰。而且可以看到，在13 時(shí)09 分澳門東側(cè)海面上的回波強(qiáng)度，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的最大值要比原始分辨率數(shù)據(jù)數(shù)值更大，精細(xì)分辨率的雷達(dá)可以探測到更為精細(xì)的強(qiáng)回波。這里考慮精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)的空間分辨率相對(duì)更高，可能在雷達(dá)反射率因子圖上顯示出更加精細(xì)的，普通雷達(dá)由于空間分辨率較低而無法顯示出的更大的回波數(shù)值點(diǎn)，當(dāng)然雷達(dá)采樣結(jié)果本身也有一定的波動(dòng)性，所以空間分辨率的提高是否可以使精細(xì)分辨率雷達(dá)探測到一些較大數(shù)值的點(diǎn)，仍需要更多的個(gè)例和樣本進(jìn)行驗(yàn)證。

從對(duì)應(yīng)的低層風(fēng)暴相對(duì)徑向速度圖（圖10）上可以看到，在強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)的區(qū)域，相對(duì)徑向速度有明顯的速度對(duì)，并形成氣旋式的切變，從13 時(shí)05分開始，風(fēng)暴相對(duì)徑向速度逐漸增大，氣旋性的速度對(duì)更加明顯，最大相對(duì)徑向速度絕對(duì)值差達(dá)到20 m/s 以上，和實(shí)況觀測到的海上龍卷出現(xiàn)的時(shí)間和位置相對(duì)應(yīng)。而且精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)由于其空間分辨率更高，顯示速度對(duì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)更多，所以速度對(duì)更為明顯，速度對(duì)里的結(jié)構(gòu)也比原始雷達(dá)數(shù)據(jù)更加清晰。且在精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)里可以看到有一兩個(gè)比原始分辨率數(shù)據(jù)更大的速度值的點(diǎn)，這里考慮原始雷達(dá)數(shù)據(jù)空間分辨率只有1.0 °×250 m，無法分辨出比較精細(xì)的數(shù)值較大的點(diǎn)，而精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的精度更高，那些由于原始雷達(dá)空間分辨率過低而被淹沒的較大的像素點(diǎn)可能分辨出來，這個(gè)結(jié)論仍需更多個(gè)例來驗(yàn)證。

圖10 同圖9，但為0.5 °仰角風(fēng)暴相對(duì)徑向速度

精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)均在13時(shí)02分識(shí)別出風(fēng)暴，并在13時(shí)09分識(shí)別出龍卷特征（TVS）和實(shí)況觀測到的海上龍卷時(shí)間相符。

13 時(shí)09 分，從徑向速度圖（圖11）上可以看到，從低到高均能看到明顯的速度對(duì)，并且隨著仰角的增大，高度上升，速度對(duì)也更加明顯。在2.4 °仰角正負(fù)速度達(dá)到最大，特別是在精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)上，識(shí)別出的負(fù)的徑向速度達(dá)到20 m/s以上，正徑向速度達(dá)到10 m/s 以上，甚至有一個(gè)像素點(diǎn)達(dá)到27 m/s，雖然這個(gè)最大徑向速度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性還有待考證，但精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)探測的徑向速度數(shù)值也明顯大于原始分辨率數(shù)據(jù)，其速度對(duì)也更加明顯。

圖11 13時(shí)09分0.5 °（a、d）、1.5 °（b、e）和2.4 °（c、f）仰角原始分辨率數(shù)據(jù)（a～c）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（d～f）徑向速度圖

精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)天氣的識(shí)別相對(duì)于原始分辨率數(shù)據(jù)有一定的改進(jìn)作用，由于其空間和時(shí)間分辨率更高，可以看到對(duì)流云團(tuán)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，以及對(duì)流云團(tuán)回波中比較精細(xì)的大值區(qū)域，使得強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別更準(zhǔn)確。特別是對(duì)雷暴大風(fēng)的識(shí)別改進(jìn)更為明顯，有時(shí)可以提前一到兩個(gè)時(shí)次識(shí)別出雷暴云團(tuán)，為雷暴大風(fēng)的監(jiān)測和預(yù)警提供更多的提前量和準(zhǔn)確性，但對(duì)強(qiáng)降水云團(tuán)的識(shí)別改進(jìn)效果并不明顯。

3.3.2 2021年5月14日蘇州龍卷

針對(duì)杭州精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的對(duì)龍卷探測的改進(jìn)效果如何，本研究選取了2021 年5 月14 日晚19時(shí)左右的龍卷過程進(jìn)行研究對(duì)比。

從0.5 °仰角的雷達(dá)回波圖（圖12）上可以看出，5月14日晚19時(shí)左右，強(qiáng)對(duì)流回波單體發(fā)展迅速，且在對(duì)流單體的西南側(cè)發(fā)展出明顯的鉤狀回波。對(duì)比杭州雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和杭州雷達(dá)原始分辨率數(shù)據(jù)可以看出，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的鉤狀回波更加明顯，入流也更加清晰，且精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的回波強(qiáng)度最大值達(dá)到64.5 dBZ，而原始分辨率數(shù)據(jù)的回波最大值只有62.0 dBZ。

圖12 18時(shí)56分（a、c）和19時(shí)01分（b、d）原始分辨率數(shù)據(jù)（a、b）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（c、d）0.5 °仰角雷達(dá)反射率因子圖黑色實(shí)線為圖14的剖面位置。

從徑向速度上（圖13）可以看到有明顯的速度對(duì)，有氣旋性輻合特征，在精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)速度圖上可以看出，最大正徑向速度達(dá)到20 m/s以上，而在原始分辨率數(shù)據(jù)上，最大徑向速度只有不到20 m/s，風(fēng)暴相對(duì)速度也有相似的特征。在精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)上看到的中氣旋速度對(duì)更加明顯，速度對(duì)的結(jié)構(gòu)也更清晰，更多的像素點(diǎn)組成的速度對(duì)可以顯示更為精細(xì)的中氣旋結(jié)構(gòu)，也可以顯示出大速度值中更大的徑向速度點(diǎn)，而原始分辨率數(shù)據(jù)由于分辨率較低，探測到的速度對(duì)只有一兩個(gè)像素，無法顯示出速度對(duì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。由于改進(jìn)后杭州雷達(dá)相較于改進(jìn)后的深圳雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的水平分辨率更高，杭州雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)對(duì)速度對(duì)的探測更加精細(xì)，中氣旋的結(jié)構(gòu)更清晰，對(duì)龍卷這種小尺度的觀測效果更好。

沿圖12 的黑色實(shí)線對(duì)19 時(shí)01 分的原始分辨率數(shù)據(jù)和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)做雷達(dá)反射率因子和徑向速度做剖面（圖14），在原始分辨率數(shù)據(jù)和精細(xì)分辨率的雷達(dá)反射率因子圖上，都可以看出回波的大值區(qū)從左側(cè)往右，有明顯的從底層往高層的抬升，左側(cè)的回波基本上接近雷達(dá)可探測的底部，離地面很近，說明此處強(qiáng)的回波中心已經(jīng)接近地面，對(duì)流云團(tuán)已經(jīng)觸地，是明顯的龍卷的特征，配合徑向速度的剖面圖，可以看出在左側(cè)有明顯的速度對(duì)，有氣旋性輻合。對(duì)比原始分辨率數(shù)據(jù)和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)，可以看到在左邊向下延伸的回波大值區(qū)中，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)探測到的反射率最大值更大，探測到更多大于60 dBZ回波強(qiáng)度的點(diǎn)。

圖14 沿圖12黑色實(shí)線做19時(shí)01分的原始分辨率數(shù)據(jù)（a、b）和精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)（c、d）的雷達(dá)反射率因子和徑向速度剖面圖

杭州下沙站雷達(dá)是S 波段雙偏振雷達(dá)，而此次改進(jìn)后的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)同樣也是雙偏振雷達(dá)，這使得杭州雷達(dá)的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)可以看到雷雨云團(tuán)內(nèi)部更精細(xì)的構(gòu)造和微物理結(jié)構(gòu)。

通過偏振量參數(shù)來分析對(duì)比此次精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)和原始分辨率數(shù)據(jù)對(duì)此次龍卷過程的觀測，以檢驗(yàn)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)雙偏振參數(shù)的探測龍卷的效果。

從偏振量參數(shù)看，在中氣旋的中心，相關(guān)系數(shù)（CC）有明顯的小值區(qū)，說明氣旋的中心的物質(zhì)性質(zhì)不一致，有非氣象回波的雜質(zhì)卷入，差分反射率（ZDR）也有明顯的低值區(qū)，這些都是明顯的龍卷碎片特征（TDS）[24]。TDS 特征是指異常小的差分反射率（ZDR）和低的相關(guān)系數(shù)（CC）[25]，這是因?yàn)辇埦硭碌乃槠叽巛^大、處于米散射區(qū)且有隨機(jī)取向的原因[24]。從圖15c、15d 看出精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)上CC 和ZDR的小值區(qū)更明顯，小值區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)也更加清晰，可以明顯地區(qū)分中氣旋中心的小值區(qū)和回波邊界的雜波區(qū)，觀測到的龍卷的特征也更清晰明顯。

圖15 18時(shí)56分原始分辨率數(shù)據(jù)（a、b）和精細(xì)分辨率（c、d）雷達(dá)數(shù)據(jù)0.5 °仰角相關(guān)系數(shù)（CC）圖（a、c）和差分反射率因子（ZDR，c、d）

4 小 結(jié)

利用深圳和杭州雷達(dá)改進(jìn)后的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)與原始分辨率數(shù)據(jù)，對(duì)不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣過程中兩種數(shù)據(jù)的反射率、徑向速度和雙偏振量等進(jìn)行了對(duì)比分析，精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)由于其空間分辨率和時(shí)間分辨率的提升，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣特別是小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣的觀測和預(yù)警能力均有一定的提升。

（1）利用精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量降水估計(jì)的精度與原始分辨率數(shù)據(jù)相當(dāng)或略有提升，與雷達(dá)反射率因子直接對(duì)比評(píng)估結(jié)果一致，表明精細(xì)數(shù)據(jù)本身的可靠性以及定量應(yīng)用的可行性。

（2）精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)在雷暴大風(fēng)中，可識(shí)別出原始雷達(dá)數(shù)據(jù)由于分辨率過低而識(shí)別不出的更大的相對(duì)徑向速度，輻合輻散和速度極值也更明顯，觀測的大風(fēng)速區(qū)也更加精細(xì)更清晰，可提前且更長久、更準(zhǔn)確地客觀識(shí)別和追蹤對(duì)流單體。

（3）精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠獲取更為清晰的超級(jí)單體結(jié)構(gòu)以及龍卷渦旋特征和龍卷碎片特征等，少數(shù)個(gè)例的精細(xì)數(shù)據(jù)能夠提前識(shí)別到中氣旋和TVS 等特征，為此類強(qiáng)天氣的提前預(yù)警提供了很好的條件。

（4）對(duì)比不同精細(xì)分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，空間分辨率更高的數(shù)據(jù)對(duì)中小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的觀測效果改進(jìn)更明顯，在業(yè)務(wù)使用中的提升作用也更大。

當(dāng)然，雷達(dá)改進(jìn)后的精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)對(duì)探測不同類型的強(qiáng)天氣的改進(jìn)效果仍有一些問題需要進(jìn)一步探討，比如雷達(dá)精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)的定量降水估測對(duì)不同類型的降水過程估測效果是否有所不同？以及在識(shí)別中氣旋和TVS 特征時(shí)，精細(xì)分辨率數(shù)據(jù)相對(duì)于原始分辨率數(shù)據(jù)在不同過程的識(shí)別提前量能改進(jìn)多少？另外，在精細(xì)分辨率雷達(dá)的雷達(dá)反射率因子和徑向速度圖中出現(xiàn)一些比原始雷達(dá)數(shù)據(jù)中更大的數(shù)值點(diǎn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象究竟是精細(xì)分辨率雷達(dá)由于空間分辨率提升而識(shí)別出原始雷達(dá)由于分辨率過低而被掩蓋掉了，還是由于雷達(dá)采樣本身造成的不同？這些問題會(huì)在后續(xù)的研究中進(jìn)一步分析。