廣州X波段雙偏振相控陣天氣雷達觀測試驗進展

張羽 田聰聰 傅佩玲 黃輝

（1 廣東省廣州市氣象臺，廣州 511430；2 廣東省珠海納睿達科技有限公司，珠海 519000）

0 引言

2001年廣州建成了廣東省第一部新一代多普勒天氣（CINRAD/SA）雷達，并于2016年完成雙偏振改造。新一代多普勒天氣雷達探測范圍廣，投入運行以來，在臺風、暴雨、強對流等災害性天氣監測預警中發揮了重要作用。但由于其天線采用機械掃描方法，業務運行采用VCP21模式，最快只能在6 min內完成9個仰角的掃描。這種模式掃描周期過長，垂直方向分辨率較差，不能滿足龍卷、微下擊暴流、冰雹等小尺度天氣系統的監測。由于這些小尺度天氣系統突發性強，生消發展迅速，是目前氣象監測預警領域的難點，而且其一旦發生，就會產生較大的氣象災害[1-3]。

為了實現對重點區域強對流天氣系統的精細觀測，2003年美國開始了CASA（Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere）計劃，利用多部X波段天氣雷達組成網絡化雷達系統，實現對關注重點區域的協同自適應觀測，在此種模式下，多部雷達相互協作，多個雷達波束覆蓋相互之間的盲區并且實現對同一地區的同步觀測，獲取遠高于單部雷達的時空覆蓋和分辨率[4-5]。2013年中國科學院大氣物理研究所與南京恩瑞特公司合作，中國氣象局大氣探測中心和中國氣象科學研究院參與，在南京建設了國內第一個X波段網絡化雷達試驗平臺。試驗網絡化雷達平臺由4部 X 波段天氣雷達組成。4部雷達以菱形分布，雷達間距約為40km。利用該試驗平臺，建立單雷達自適應和多雷達協同的試驗觀測模式，并應用該模式對一些個例進行觀測，驗證觀測模式的合理性[6]。國內外的研究都表明X波段雷達的協同組網觀測可以提高中小尺度強對流天氣系統監測的準確性，提高預報預警時間。但是由于它們采用的都是機械掃描體制的X 波段雷達，受天線掃描速度制約，幾部雷達完成協同探測區需要1～2 min，對快速變化的小尺度天氣系統，造成強度數據和速度數據合成失效[7]。

相控陣天氣雷達通過相位控制掃描，其波束的轉換更為靈活迅速，能夠在1 min之內完成一個體掃。世界主要發達國家較早開展了相控陣天氣雷達的觀測與應用研究，并取得了一些重要的成果。2002年美國國家雷達技術委員會推薦相控陣技術為美國下一代雷達發展的方向，并于2003年組織了美國強風暴實驗室、雷達運行中心和俄克拉何馬大學等9家單位對退役的宙斯盾（SPY-1）二維相控陣雷達進行氣象探測改造，建立了相控陣天氣雷達試驗平臺。 2006年開始著手建立了一維相掃體制的X波段相控陣天氣雷達（MWR-05XP），垂直電掃與水平機械掃描相結合，2007—2008年進行了外場試驗，觀測龍卷、超級對流單體、颮線等天氣過程，結果表明，其觀測資料質量與多普勒天氣雷達相當，但掃描速度遠高于WSR-88D雷達[8-9]。在我國，早期相控陣雷達技術主要用于軍事和航天等領域，近年來也開展了相控陣天氣雷達技術的相關研發工作。2007年，中國氣象科學研究院與中國電子科技集團公司第十四研究所等單位合作，研制出了一部S波段相控陣天氣雷達，實現了軍用相控陣雷達向天氣雷達的轉化，觀測試驗驗證了相控陣天氣雷達技術的可行性[10-11]。2009年，中國氣象科學研究院與安徽四創電子股份有限公司公司合作研制車載X波段相控陣天氣雷達，2013年的外場觀測試驗表明相控陣雷達能夠精細觀測到強對流單體觸發、發展和演變過程[12]。

在相控陣的基礎上實現雙偏振功能，將進一步增強相控陣雷達的探測能力。雙偏振相控陣天氣雷達既具有相控陣雷達快速掃描的特點，又擁有雙偏振雷達獲取天氣系統豐富探測信息的優勢，從而使其具備了快速獲取中小尺度、快變天氣系統詳細信息的能力，在探測天氣系統內部完整、精細的結構上具有極大的優勢，同時還可對降水粒子的形狀、相態、滴譜分布等微物理結構進行分析。2017年開始，依托中國氣象局超大城市綜合氣象觀測試驗，廣州市氣象局與珠海納睿達科技有限公司合作，開展了X波段相控陣雷達的觀測試驗，該雷達還同時具備雙偏振探測能力[13]。截至到2020年1月，廣州已經建成5部X波段相控陣雷達并開展觀測試驗。本文主要介紹廣州X波段相控陣雷達的建設及初步觀測情況。

1 廣州地區相控陣雷達的建設情況

廣州現有的CINRAD/SA雷達位于廣州市番禺區，距離中心城區較近，隨著城市的發展，高層建筑越來越多，新一代天氣雷達掃描的低層仰角存在越來越大的遮擋，加上雷達掃描固有的靜錐區，限制了雷達的探測能力，導致存在較大的探測盲區。為了實現對CINRAD/SA雷達盲區的有效覆蓋，需要在CINRAD/SA周邊部署多部X波段相控陣天氣雷達。雷達站點的選址主要參考了中國氣象局頒布的《新一代天氣雷達選址規定》，綜合考慮地理環境，凈空環境、電磁環境、電力通信等條件，選址過程中優先考慮了氣象部門現有的地面觀測場地，以減少基礎建設的成本和難度。廣州5部相控陣雷達的建設地點分別位于分別位廣州番禺、花都、帽峰山、南沙和佛山南海（圖1）。雷達間距在30～40 km，其中有兩部雷達以上共同覆蓋的區域基本覆蓋了荔灣、越秀、天河、海珠等中心城區。通過多部相控陣雷達聯合組網觀測，不但可以擴大覆蓋區域，相互彌補靜錐區，還可以避免單部X波段雷達易受強降水衰減的影響。

圖1 廣州X波段相控陣天氣雷達分布圖（藍色實心圓點表示花都（HD）、帽峰山（MFS）、南海（NH）、番禺（PY）、南沙（NS）5部相控陣雷達位置；雷達為圓心的三個藍色圓分別為10、20和30 km的探測范圍；紅色三角形表示廣州S波段業務雷達位置（SA））Fig. 1 X-band phased array weather radar Network of Guangzhou(The blue solid dots represent the positions of five phased array radars: Huadu (HD), Maofengshan (MFS), Nanhai(NH), Panyu (PY) and Nansha (NS); the three blue circles stand for range 10 km, 20 km and 30 km away from the radar; the red triangle represents the S-band radar position (SA))

2 X波段相控陣雷達性能介紹

從外觀上看，X波段相控陣雷達主要由天線陣面、GPS授時系統、信號處理機柜、空調制冷系統、雷達底座和轉臺六部分組成（圖2）。從功能上，分為雙線偏振相控陣陣列天線、伺服系統、收發單元、標定單元、波束控制與合成單元、信號處理單元、監控與顯示單元和附屬設備等。雷達的主要性能指標如表1所示。天線系統采用全固態收發 TR 組件的設計，通過在空間進行多路能量合成而得到所需的發射功率以及在接收通道進行多路信號同相合成。一共使用了64 個全固態相參收發 T/R 組件，在收發TR組件的損壞率不超過10%情況下，雷達還可以正常工作，進一步提高了雷達長期運行的可靠性與穩定性。雷達還采用了固態發射機，結合非線性調頻脈沖壓縮技術，由100∶1的壓縮比例將20 μs的寬脈沖壓縮為0.2 μs。由于寬脈沖造成了約3 km的探測盲區，雷達采用長短脈沖相結合的方式來進行補盲，兼顧最近和最遠距離的探測。

圖2 X波段雙偏振相控陣雷達外觀與系統框圖Fig. 2 System frame diagram of XPAR (X-band phased-array radar)

表1 X波段相控陣雷達主要性能參數Table1 The parameters of XPAR (X-band phased-array radar)

3 廣州地區相控陣雷達運行情況

3.1 運行維護

傳統機械雷達需要建造獨立的雷達機房，專人值守，相控陣天氣雷達采用一體化和模塊化設計，將射頻前端、數據處理、機械控制等集成一體，具有體積小、重量輕、易操作等特點，無需專門的雷達室。雷達系統運行控制界面設置在遠端的中央監控室，通過局域網和控制軟件實現雷達遠程操作監控和升級，實現無人值守，降低人力成本。相控陣天氣雷達可24 h不間斷地連續工作，其系統的平均無故障工作時間（MTBF）不低于30000 h，平均故障修復時間（MTTR）應不大于0.5 h。

3.2 相控陣雷達掃描策略

相控陣雷達的掃描方式與目前業務布網的天氣雷達不同（圖3），業務雷達天線掃描時水平和垂直方向都采用機械驅動，掃描時按照PPI模式進行（如在VCP21模式下6 min內完成9個仰角的掃描），在水平方向掃描完畢一個PPI仰角層后，抬升電機俯仰切換下一個仰角掃描，直到掃描最高仰角后，再經過一個復位時間回到最低仰角，如此循環往復。廣州部署的X波段相控陣雷達屬一維相掃體制雷達，其在水平方向采用機械驅動，垂直方向采用相控陣掃描。掃描時首先在方位上進行相控陣RHI掃描，然后切換到另一個方位角，再繼續完成多層仰角掃描，完成垂直方向連續無間隔多層仰角掃描只需約0.25 s。與業務雷達的掃描模式相比，相控陣雷達更有利于對降水系統垂直結構進行進行觀測。

圖3 傳統天氣雷達與相控陣雷達掃描方式對比Fig. 3 Comparison of scanning modes between traditional weather radar and phased array radar

相控陣雷達可以設置多種掃描模式，以適應天氣觀測的需要。平面模式下雷達以一個固定的仰角進行發射，方位電機做勻速旋轉電子掃描，波束的垂直指向角度可以在－5°～60°設置；垂直高度掃描模式下雷達方位角轉到一個指定的方位角固定，然后波束的俯仰角隨著電掃描的控制而改變，進行垂直掃描；扇形掃描模式下天線陣面在兩個指定的方位角之間來回旋轉，在俯仰方向進行電子掃描，該模式一般可用于對某個感興趣的區域進行快速掃描；體掃模式下天線陣面在方位角上進行勻速旋轉運動，天線在垂直方向進行電子掃描，可以看做是平面掃描模式的擴展，這也是相控陣雷達的默認工作模式。目前廣州主要采用90 s完成一次體掃模式，掃描仰角從0.9°～20.7°仰角，共12層。

3.3 數據的傳輸和存儲

由于相控陣天氣雷達超高的時空分辨率，從而與傳統天氣雷達相比，擁有更大的數據吞吐量。例如，按照目前單臺相控陣雷達單個體掃360°，掃描12層仰角計算，每臺雷達至少需要20M bit/s的光纖傳輸能力。由前端網絡傳輸而來的雷達基數據首先要在數據中心完成本地在線存儲，五臺雷達每天將產生約1T的數據量，一年將產生360 TB；存儲基數據時，對基數據進行編碼壓縮處理，可將原有數據量降為原先的約1/6，則五臺雷達每年所需數據量約為60 TB/a。若考慮雙備份，則至少需要存儲空間120 TB/a。對數據傳輸能力以及數據處理能力和數據存儲空間都提出了極大的要求。因此，需要建立專門的相控陣雷達數據服務中心，包括高速數據傳輸線路、高性能海量數據處理計算機集群以及相關配套大空間存儲器陣列等。

4 觀測個例

4.1 層狀云降水觀測

2020年4月5日，布設在廣州市氣象局觀測場的X波段相控陣雷達觀測到了一次層狀云降水過程。位于附近的SA雷達也觀測到此次過程，兩者相距約3.5 km，天線海拔差約120 m，可以近似認為兩部雷達共點。通過兩部雷達的對比觀測，可以檢驗相控陣雷達觀測數據的準確性。

圖4為2020年4月5日17：48番禺相控陣雷達觀測到的8.1°仰角的反射率、徑向速度、差分反射率和相關系數產品，圖5為廣州S波段雷達觀測的6.0°仰角的反射率、徑向速度、差分反射率和相關系數產品。圖像的顯示距離均為42 km。從反射率看，兩部雷達觀測的回波分布、回波強度基本相當，主要介于5～30 dBZ，降水強度不大，與地面自動站錄得的降水情況符合；區別主要表現在相控陣雷達空間分辨率高，觀測的回波結構更加細膩，S波段雷達發射功率大，靈敏度高，觀測的回波面積更大，能觀測到更多的弱回波。從速度圖看，兩部雷達觀測的徑向速度值和零速度線基本一致，低層為東北風，中層為東南風，高層為西風。從偏振產品ZDR（差分反射率）和CC（相關系數）看，出現了清晰的環狀回波，環狀回波內的ZDR值為2.5 dB左右，明顯高于周圍地區。環狀回波內的CC值大多在0.92以下，明顯低于周圍地區。從附近的清遠探空資料看，環狀回波所在的高度與當天的0°層接近（都在3.8 km左右）。在零度層亮帶內，存在大量的冰水轉換過程，因此表現出較大的ZDR和較小的CC。在零度層以下，基本由小雨滴構成，因此觀測到的ZDR接近于0，相關系數接近1。這些都說明相控陣雷達數據質量較好，能夠反映出層狀云降水的偏振特性。

4.2 強對流過程觀測

X波段相控陣雷達相對傳統雷達掃描速度更快，空間分辨率更高，因此更適用于快速變化的小尺度強對流天氣系統的觀測。2020年3月27日傍晚，位于南海的X波段相控陣雷達觀測到一次強對流風暴快速合并增強，并出現局地小冰雹的天氣過程。在這次過程中，相控陣雷達采用體掃模式，90 s完成12層的PPI掃描（0.9°～20.7°），方位和仰角的分辨率分別是0.9°和1.8°。圖6給出了17：20—17：29時4.5°仰角的強度和徑向速度的PPI產品圖。從強度圖看，17：20開始，多個分散的對流單體向靠近雷達站一側移動，移動過程中發生了多個單體的合并，合并后回波強度明顯增強，回波組織結構更嚴密，最終形成一條長15 km、寬5 km的線狀對流。另外，在強回波的后側，出現了明顯的“V”型缺口，主要是由于強回波對雷達的顯著衰減造成。從徑向速度圖上看，對流單體合并加強的過程中，風場上出現了明顯的輻合，對流單體沿著輻合線發展、合并增強。整個合并演變過程僅十分鐘，相控陣雷達精細的監測到了對流單體詳細的演變過程，這對未來研究小尺度對流系統的發展演變提供非常大的幫助。

圖4 番禺相控陣雷達觀測的8.1°仰角的反射率（a）、徑向速度（b）、差分反射率（c）和相關系數（d）Fig. 4 Reflectivity (a), radial velocity (b), differential reflectivity (c) and correlation coefficient (d) of 8.1° elevation observed by Panyu phased array radar

圖5 廣州S波段雷達6.0° 仰角反射率（a）、徑向速度（b）、差分反射率（c）和相關系數（d）產品Fig. 5 The reflectivity (a), radial velocity (b), differential reflectivity (c) and correlation coefficient (d) by Guangzhou S-band radar at 6.0°elevation

圖6 2020年3月27日17:20—17:29南海相控陣雷達4.5°仰角反射率（a，b，c，d，e，f，g）和徑向速度（h，i，j，k，l，m，n）演變Fig. 6 Fig. 6 The reflectivity (a, b, c, d, e, f, g) and radial velocity (h, i, j, k, l, m, n) observed by Nanhai phased array radar at 4.5°elevation at 17:20-17:29 BT 27 March 2020

5 結論

相控陣天氣雷達是技術更先進的大氣探測設備，也是下一代天氣雷達發展的重要方向。結合最新陣列技術和雙偏振技術，能夠高效準確監測中小尺度強對流天氣，增強氣象防災減災的手段和能力，有效降低氣象災害造成的人員傷亡和經濟損失。本文介紹了廣州雙偏振相控陣雷達建設及初步應用情況，得到以下初步結論。

1）X波段相控陣雷達具有更高時空分辨率優勢，掃描方式靈活，可以作為業務雷達補充，減少探測盲區，但是由于其探測距離短，受衰減影響大，需要多雷達組網建設。

2）相控陣雷達掃描速度快，數據量更大，對數據傳輸能力、數據處理能力和數據存儲空間都提出了更高的要求。

3）相控陣雷達采用一體化設計，集成度高，運維簡便，可實現無人值守運行。

4）相控陣雷達觀測數據可靠，能夠清晰識別出融化層特征，能夠精細監測強對流單體快速演變的過程，這對未來研究小尺度強對流系統的發展演變提供非常大的幫助。

本文是對廣州相控陣雷達的觀測試驗情況的初步介紹，為了更好地發揮相控陣雷達在災害性天氣監測預警中的應用潛力，未來還有很多的研究需要開展，如X相控陣雷達衰減訂正問題、掃描策略問題、多部雷達的協同控制問題、多波束掃描問題等。另外，目前除廣州外，佛山、珠海、江門、深圳等地都相繼開展了X波段相控陣雷達的建設，根據《粵港澳大灣區氣象發展規劃（2020—2035）》，粵港澳大灣區將建設由40部相控陣雷達和其他天氣雷達組成的高密度雷達試驗網。