機載W波段雙線偏振測云雷達回波分析

高仲輝,黃興玉,魏 鳴,范 輝,吳舉秀,李 勇

(1.安徽四創電子股份有限公司,安徽合肥230088;2.南京信息工程大學遙感學院,江蘇南京210044)

0 引言

由于云滴和冰晶粒子的尺度極小,在10～103μm量級(1 mm=103μm),而瑞利散射條件下,雷達截面σ與波長λ4成反比,當λ1=3 mm(W波段),λ2=10 cm(S波段)時,由σ1/σ2=(λ2/λ1)4,可得σ1=123407σ2,所以,一些厘米波雷達探測不到的云體,毫米波雷達則有較強的探測能力。在氣象研究中,對云底高、云厚、云中含水量以及云內水平與垂直速度分布的探測,有著多方面的意義,云的微物理參數在數值天氣預報模式、人工影響天氣、氣候預測以及飛機安全飛行保障等方面具有重要的作用,例如：在人工增雨方面,云初生階段產生降水之前,對云的發展情況(包括云厚、云中含水量等各個參數)的了解,有助于估算人工增雨的潛力,選擇合適的作業時機等;在氣候預測方面,云在全球氣候變化中扮演著重要的角色,例如云的單次反照率、紅外發射率、云的高度及溫度等,均將影響大氣頂和地面的輻射收支。Cess(1989)比較了19種主要的GCM(全球氣候模式)對云處理不同,以及云與其他過程的耦合不同,模式對氣候強迫的敏感性差3倍,故地球科學委員會(CES)把云及云的反饋機制的研究作為全球氣候研究中最優先考慮的領域。在各類云中,卷云由于分布最廣、持續時間最長,卷云對太陽短波能反射和透過,對長波可以吸收、透過,同時本身也發射長波,故它在調節大氣輻射收支方面,也即對氣候影響方面有重要作用。對于全球系統的云探測,終究要靠衛星遙感來實現。大氣在毫米波段存在4個頻率窗區,對應的波長分別是8.6,3.2,2.14和1.36 mm,衛星可以通過這些窗區遙感云況,但作為對比檢驗的毫米波雷達,當前能作大功率發射的,只有8.6 mm(35 GHz)和3.2 mm(95 GHz)兩個波段,其中3.2 mm波段雷達系統因波導損耗大,大氣衰減強,設備體積小、重量輕,故更適合作為主動遙感設備置于飛機或衛星上進行對地觀測云況(Kyosuke,2003)。

國際上,美國W波段雷達的發展始于上世紀80年代早期,80年代后期主要用于云物理和降水物理的研究中[1]。英國在20世紀90年代發展了地基94 GHz Galileo多普勒雷達和35 GHz Copernicus測云雷達,可用來反演云粒子的大小和密度[2]。1999年,德國基斯塔赫特研究中心研制了94 GHz極化雷達,可用于層狀云的觀測[3]。日本在2000和2003年分別研制出了95 GHz機載云廓線雷達及35 GHz多普勒雷達,用多普勒功能可以反演云中湍流及氣流垂直速度的分布等情況[4];2006年,CloudSat衛星搭載了94 GHz CPR云廓線雷達,此雷達可以為研究云輻射特性提供云內液態水及冰水的垂直廓線。

國內3 mm氣象雷達研制起步較晚[5],安徽四創電子股份有限公司研制的SKY云雷達是我國自主開發的94 GHz(即W波段)測云雷達。該雷達系統的研制和開發是國家863計劃“機載氣象雷達云雨探測系統”項目重要的研究課題之一,于2008年正式立項,2013年底成功完成了兩次飛行探測試驗。

1 SKY毫米波云雷達

1.1 我國SKY毫米波云雷達的主要參數

SKY云雷達以高機動性的飛機作為搭載平臺,直接進入試驗區域對云的分布和屬性進行探測,獲取云體的精細結構和云內垂直氣流分布信息,以提高對云過程的探測能力,從而為我國氣象探測技術的發展提供重要的技術和研究基礎。同時,本課題的開展對提高我國W波段氣象雷達的研制技術及相應器件的發展水平均有積極的推動作用,并將為我國星載氣象雷達系統的研制提供必要的技術積累。

SKY雷達搭載平臺為國產運-7飛機,雷達系統主要工作參數見表1。

表1 SKY云雷達的主要工作參數

SKY雷達采用透鏡天線,利用可旋轉的金屬板對天線波束反射實現雷達波束掃描。

1.2 SKY毫米波云雷達的基本數據與產品

(1)雷達反射率因子

氣象雷達測得的反射率因子,也稱回波強度,常用Z表示,單位為d Bz。它是由雷達接收云與降水等氣象目標產生的回波功率經相關的雷達氣象方程反演而得到的一個僅反映目標物自身特性的物理量,它與雷達天線及發射機、接收機等參數無關。它僅取決于云與降水粒子尺度譜的情況[6]。通過它可以估測云雨中含水量及降水強度等,也可反演出云的其他微物理參數。

(2)平均徑向速度

目標的平均徑向速度,簡稱徑向速度,常用Vr表示,單位為m/s。它是在氣流或重力等作用下運動著的云或降水粒子群的運動速度在雷達波束方向上的速度分量。由于存在不同大小尺度的粒子譜,它們的慣性不相同,對氣流的響應也不同,因此,它們在雷達波束方向上的運動分量也不同,即存在一個徑向速度譜,對這個徑向速度譜作加權平均就得到云或降水粒子群的平均徑向速度。

對于機載雷達,為了使飛機的飛行不影響對云和降水粒子徑向速度的測量,一般使雷達波束方向與飛機飛行方向垂直,不論波束作向下垂直探測或側向對云作定向與RHI式掃描探測均如此。

(3)徑向速度譜寬

徑向速度譜寬是徑向速度譜的標準差,單位為m/s。從上面對平均徑向速度定義中可見,速度譜寬用來度量探測空間內氣象粒子平均徑向速度估值的離散性(即方差),在典型情況下譜寬還與風切變、湍流和噪聲等有關,由于譜寬與速度聯系緊密,因而研究譜寬對進一步了解風場、風場變化和降水系統的發展有一定的指導意義。

(4)退偏振比

退偏振比又稱退極化比,用LDR表示,它定義為

式中,ZHH表示雷達發射水平偏振波時,遇到云或降水粒子群產生的回波中的水平偏振分量所形成的反射率因子;ZVH表示雷達發射水平偏振波時,遇到云或降水粒子群產生的回波中的垂直偏振分量所形成的反射率因子。應該指出,要產生LDR值,粒子形狀與空間取向必須滿足一定的條件。

2 探測資料分析

SKY雷達于2014年12月利用國產運-7飛機作為載機平臺,進行了最初的2次飛行探測試驗。

2.1 第一次飛行探測

運-7飛機從陜西閻良試飛中心起飛,飛行時間為2013年12月4日12～15時(北京時間),運-7飛機飛行速度為110 m/s(典型),最高飛行高度達6 375 m,云頂高約為6 000 m,12月份在該高度應為冰晶云。

本次飛行探測試驗中,雷達波束為垂直向下(不掃描),探測到的基數據產品如圖1所示。

圖1 12月4日飛行探測試驗(波束垂直向下)[左上部分為回波強度,右上為LDR,左下為徑向速度,右下為譜寬;橫坐標：時間(時：分：秒),縱坐標：高度(km)]

(1)回波強度

強度(dBz)圖上橫坐標是時間,縱坐標是高度,由于飛機在飛行中,不同時刻探測到的是不同位置云的垂直剖面。接近地面高度上的回波是地物(地雜波)。

云回波強度最大約為0 dBz,最小約為-20dBz,基本屬于云的強度范圍,中間可能夾有凍雨滴。

低高度上回波是地物,故其強度達30 d Bz以上,回波高度起伏,反映了地形的高度起伏。

(2)退偏振比

退偏振比(LDR)值在-14～-18 d B之間,這對于發射水平偏振波,接收水平與正交偏振波而言,由于冰晶取向隨機排列,所以是合理的。地物LDR值很大,在-2～-10 d B之間,這是由于不平坦的地面產生漫反射,致使入射偏振平面與反射偏振平面內電場矢量不平行,從而能接收到平行與正交分量而產生的。

(3)平均徑向速度(主要是垂直方向)

地物的垂直速度是飛機具有天向速度造成的,約為3 m/s,說明飛機有向下的天向速度。

云的垂直速度絕大部分位置在+2～+4 m/s之間,但也有出現負速度的小區,甚至同一時刻垂直剖面上,有一段高度區間內為負速度,其上下均為正速度,這是由于速度模糊或云中這些部位有雨滴降落造成的。落速向下,它們基本上與強回波區相對應,但有些強回波點上并無負速度,而是正速度,這主要是雨滴尚未降落或這些強回波點是由濃密而較小云滴構成的。

利用毫米波測云雷達,是希望能通過對云的探測而獲得空氣的垂直速度,那么,在純云區應該將雷達實測的回波徑向速度(它為飛機天向速度與空氣垂直速度之代數和)減去該時刻飛機天向速度,從而得到空氣的垂直速度,對于有降水的時間點上,還應減去降水粒子在靜止大氣中的落速,才能得到空氣垂直速度。

(4)速度譜寬

速度譜寬(W)在0.6～0.9 m/s之間,基本與云或小雨相符。

2.2 第二次飛行探測

探測時間為2013年12月15日10～13時,波束側向指向,以固定的仰角0°,-28°,+28°三個角度探測,或在±28°內作類似RHI的掃描(掃速為20°/s,40°/s)。

2.2.1 水平向外探測(0°固定指向)

波束以0°固定指向,探測到的基數據產品如圖2所示。最大探測距離Rmax=20 km。圖中縱坐標為斜距,橫坐標為時間,飛機在空中以0°固定仰角探測,波束主瓣一般探測不到地物,但波束還有向下的副瓣電平,或當飛機具有橫滾角使波束實際具有負仰角時,就能既探測到云,又探測到地物(在已探測到這種情況后,應該再對橫滾角的影響作修正)。由于云距飛機近,波束向斜下探測時先遇到云,所以圖中云的回波在下面;而地面離飛機遠,故地物回波在上面,這與飛機在高空垂直向下探測時的情況是不一樣的。應該注意,橫坐標是時間,故每個時刻的垂直剖面代表一次斜距探測,垂直剖面下部位的回波是云,上部位是地物回波。

圖2 12月15日飛行探測試驗(雷達波束以側向固定0°仰角探測)[左上部分為回波強度,右上為LDR,左下為徑向速度,右下為譜寬;橫坐標：時間(時：分：秒),縱坐標：距離(km)]

(1)回波強度

強度(dBz)圖中下部位回波強度約為5 dBz,應屬于云的回波。上部位回波強度為30 d Bz左右,故是地面回波。但地面在同一時刻的剖面上為什么會有一定厚度且出現不同色標呢?因為實際存在負仰角傾斜探測,當探測到一個山坡時就會有一定厚度,山坡上植被與山底山頂土質不同,漫反射強度不同,就會出現不同色標。為什么有的垂直剖面上會出現兩段地面而中間出現無回波區呢?這是因為波束先探測到斜距稍近的高山,而遠處又有一座山,因此,波束探測不到兩座山之間的谷地,而使中間出現無回波區,這種情況在秦嶺山區是完全可能出現的。

(2)退偏振比

云的退偏振比(LDR)值在-2～0 d B,這可以用柱狀冰晶群給予解釋。柱狀冰晶可以用長旋轉橢球近似,若柱狀冰晶在空中作等概率隨機取向,入射電場對有些傾斜取向的冰晶在其長軸與短軸上會形成不同的偶極矩,結果就既能獲得回波的平行偏振分量,又能獲得回波的正交偏振分量,從而使云產生上述的LDR值。

(3)徑向速度

地物是靜止的,它之所以具有徑向速度(V)是因為飛機飛行時忽而稍遠離地物,忽而靠近地物造成的,其中紅色正速度可能是速度模糊造成的。

云回波的徑向速度包括云本身隨風漂移的徑向分量及飛機靠近或遠離高云區的徑向分量這兩部分疊加,其中飛機靠近或遠離高云區的徑向分量可以由同時刻地物的徑向分量獲得,這樣就可較容易得到僅由風產生的徑向分量。

(4)譜寬

回波的譜寬(W)是由PPP處理獲得,它與徑向速度譜對應。

2.2.2 斜下探測(-28°固定指向)

波束固定指向為-28°,由于縱坐標是斜距,零距離點是飛機位置,波束先探測到距雷達較近的云目標,再探測到地物。由于云與地物靠得較近,所以云比較低,本次飛機飛行高度較低(海拔約為3 300 m),探測到的基數據產品如圖3所示。

(1)回波強度

圖中云的回波強度在5～-15 dBz之間,前一段時間探測到的是較薄的云,云頂(離坐標原點最近處)高度除云本身外,可能還與飛機高度變化有關。11：06～11：08探測到的云變厚、變強。結合當地12月份氣象特點,該云基本應由過冷水滴或冰晶組成。

地物回波強度應該較強,波束受云衰減后在30～35 d Bz之間,其中斜距較短的是遇到高山,斜距較大的是遇到山谷下面的地面,即地形高低在此圖上是相反的。

(2)退偏振比

云的退偏振比(LDR)值：前一時段11：03～11：06 LDR在0～-6 dB之間,可能主要是過冷水滴、夾有冰晶組成,11：06～11：08 LDR在-6～-12 dB之間,這時云較厚,可能以冰晶為主,夾有過冷水滴。

地面的LDR值：在0～-4 dB之間,是由地表不平產生漫反射引起的。

(3)徑向速度

云的徑向速度：一方面有云隨風移動產生的徑向速度,另一方面飛機天向速度也會產生徑向分量,后者通過估算后可以扣除。11：03～11：05以負速度為主,其中有紅色正速度明顯是速度模糊造成的。

地物的徑向速度：完全由飛機航速造成的,因航速、橫滾角等變化,也可能會造成速度模糊。

(4)譜寬

譜寬在0.3～0.9 m/s之間,與經驗數據基本一致。

2.2.3 側向掃描1

波束側向掃描類似地面雷達RHI掃描,探測到的基數據產品如圖4所示。縱坐標為高度,橫坐標為水平距離,機載雷達波束原點為高度與斜距均為0.0 km處,最大探測距離Rmax=20.0 km,PPP取64點進行處理,飛機高度在3.3 km以上。

圖4 12月15日飛行探測試驗(雷達波束作側向掃描,-28°～+28°范圍內作RHI探測)[左上部分為回波強度,右上為LDR,左下為徑向速度,右下為譜寬;橫坐標：水平距離(km),縱坐標：高度(km)]

(1)回波強度

從圖中可以看出,云回波主要在飛機高度3.3 km以下1.5 km內,在近斜距處,可能是低俯角遇弱云,在遠處(約5 km外),雷達波束可照射到地面,因而出現了較強的地物回波,但在約10 km外,地物回波明顯抬高,這可能是因為山頂高度增大或飛機橫滾角突然變化引起的。

(2)退偏振比

圖示中的退偏振比(LDR)與前面垂直探測及固定俯角探測到地物時的LDR值接近,故應屬地物的LDR值。但在-5 dBz弱云區處為什么沒有出現合適的云目標LDR值,而速度圖、譜寬圖上-5 dBz弱云區均存在對應的數據?這可能因為低高度上的云由過冷水滴組成,球形水滴引起的正交極化分量接近于零,即LDR=-∞,而-∞無色標可對應,因此呈空缺。

(3)徑向速度

不論云或地物,在作RHI掃描時,波束徑向上既有云移速的徑向分量,又有飛機天速(上下抖動速度)的徑向分量。飛行速度方向與波束基本垂直,故它不產生徑向分量。圖中主要是負速度,紅色正速度是速度模糊造成的。

(4)譜寬

譜寬數據基本與速度對應。

2.2.4 側向掃描2

波束側向作類似RHI掃描,探測到的基數據產品如圖5所示,坐標及探測方式與圖4相同,飛行高度約為3 300 m。

圖5 12月15日飛行探測試驗(雷達波束作側向掃描,-28°～+28°范圍內作RHI探測)[左上部分為回波強度,右上為LDR,左下為徑向速度,右下為譜寬;橫坐標：水平距離(km),縱坐標：高度(km)]

(1)回波強度

圖中在距飛機高度較近、強度在-15～0 dBz回波區應是云,在飛機下面2 km左右的是地物,其強度在25～15 dBz之間,強度變化是由于地表性質不同及入射角不同等引起的。

(2)退偏振比

在與云強度對應位置上只有較強回波處出現退偏振比(LDR)值為0～-2 dB,可能是過冷云滴含有冰晶造成的。地物的LDR值為0～-8 d B,地物區有空隙可能是高山阻擋及斜射引起的。

(3)徑向速度

不論云或地物,在作RHI掃描時,波束徑向上既有云的移速徑向分量,又有飛機天速(上下抖動速度)的徑向分量。圖中主要是負速度,在-0.5～-1.5 m/s之間。

(4)譜寬

圖中不論云或地物,譜寬均在0.3～0.6 m/s之間,這與徑向速度及云或地物性質相對應。

3 結束語

我國自行研制的首部機載W波段雙線偏振測云雷達,能探測到云的4個基本數據及產品,分析表明這些數據比較合理,說明該雷達總體設計是成功的。在我國西北地區12月份地面溫度已較低,機載雷達所探測到1 km高度以上的云大部分應由冰晶組成,冰晶云產生的回波要比液態云滴弱,特別是退偏振比(LDR)中的正交偏振分量更為微弱,機載測云雷達能探測到這些物理量,說明該雷達有足夠好的接收靈敏度。

從回波資料可以看出,機載測云雷達以雷達波束固定向下探測云的資料為最便于作合理的分析。在雷達波束作側向探測時,以距云一定距離作平行于云的直線飛行探測較好,試驗時應盡量避免因飛機轉彎時存在較大橫滾角而帶來影響。

該雷達的研制和機載探測試驗成功,將為我國研制發展星載W波段測云雷達奠定重要基礎。

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