福州地區X波段相控陣雷達與S波段機械雷達回波數據對比分析

陳 強 柯 杭 賴紹鈞 陳 彥

(福建省福州市氣象局，福建 福州 350008)

1 概述

隨著社會經濟的快速發展，對突發性強災害天氣的預報預警愈發重要，特別是大型活動對精細化的天氣預報預警提出了更高的要求。時代的發展要求氣象部門不僅要能提供精準的天氣預報，還要能提供全程化、零誤差的定時、定點、定量的精細化氣象災害預警。近年來，盡管天氣預報技術進步較快，但對強對流天氣的預報預警仍然是短板。

為加強對強對流天氣過程的探測，提升對災害性天氣的預警預報能力，能更好地為福州市城市經濟發展和人民群眾生命財產安全保駕護航。當前，福州市氣象局已經在晉安、長樂、永泰等地區布設比較先進的、具有超高時空分辨率的X波段相控陣天氣雷達系統。X波段相控陣雷達具有體積小、質量輕、可靠性高、探測精度高等特點，能有效、客觀地判別強對流天氣降水相態，并通過數據處理和終端顯示，為氣象專業人員第一時間掌握降水相態和強度提供智能數據分析處理，為各單位更加果斷、及時、有力地應對自然災害提供支持[1-6]。就目前X波段相控陣雷達在福州市的預報實踐來看，短臨天氣預報水平得到了顯著提升，能夠有效彌補S波段機械雷達在這方面的不足，將兩者相互結合應用有利于進一步提升氣象服務能力。因此，將X波段相控陣雷達與S波段機械雷達進行對比研究顯得尤為重要。

本文以2022 年4月27日福州地區強降水天氣過程為例，對X波段相控陣雷達和S波段機械雷達回波特征進行對比分析，比較兩種雷達的回波特征，分析X波段相控陣雷達性能和數據可靠性，為福州地區短臨天氣預報提供參考依據。

2 研究背景

2.1 X波段相控陣雷達技術特點

相控陣雷達(Phased Array Radar，PAR)即相位控制電子掃描陣列雷達，配備大量個別控制的小型天線單元，它們排列成天線陣面，每個天線單元都由獨立的移相開關控制，通過控制各天線單元發射的相位，在指定方向實現同相疊加合成波束。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，同時也使其對降水粒子的形狀、相態、頻譜分布等微物理特征的細致分析成為可能。雙偏振相控陣天氣雷達不但提高了氣象部門降水估計的準確性和雜波抑制能力，而且可以清晰識別空氣中大雨、冰雹、雪、雨夾雪等粒子的相態，如體積、形狀、類別，以及確認融化層(如亮帶)，從而獲得更有效的大氣探測功能。

相控陣天氣雷達利用先進的相控陣技術實現了快速電子掃描功能，不僅減少了天線快速轉動時波束形狀發生變化及指向不準確問題，而且還提升了體掃的時間分辨率。相控陣體系中的數字波束形成技術具有掃描靈活等特點，可控制波束進行任意精確指向，完成對特定方位天氣系統的集中重點掃描[7]。

2.2 福州X波段雷達建設與布局

為有效應對日趨復雜的天氣系統狀況，2019年7月，福州市氣象局正式啟動福州大城市立體氣象綜合監測網及預警服務能力提升工程項目建設。2020年開始，在福州市委市政府和福建省氣象局的大力支持下，開展了大量X波段相控陣雷達上線的準備工作。經過數月時間實地考察、多處選址，并在充分考慮探測環境、配套設施等條件，最終選定了長樂董奉山、閩侯前山村、晉安七星坪3個雷達陣地，搭建了X波段相控陣雷達網。該雷達網充分考慮了福州市地形地貌，基本實現了多部相控陣雷達對共同覆蓋區域的聯合觀測，觀測范圍覆蓋了福州中心城區，實現更大的覆蓋區域，更高的時空分辨率及矢量化的觀測結果，如圖1所示。同時，按照一定拓撲規則搭建網絡化相控陣天氣雷達相互補充，有效避免強回波衰減的影響。網絡化相控陣雷達天氣觀測系統的分布為四邊形或者三角形，相距約30 km，可以保證最大限度地穿透協同觀測中心處的任何強降雨云層，很好地保證對低海拔區域的有效覆蓋，并且能提供全面的三維風場信息和提高觀測預警范圍。

圖1 福州X波段相控陣雷達布局圖

3 研究方法

X波段相控陣雷達要在業務中投入運行,探測數據的準確性是十分必要的。為了驗證其準確性,還要通過與其他雷達配合觀測來進行對比。但是由于觀測條件、掃描方式及觀測位置的不同，找到合適的對比方法十分重要。為衡量X波段相控陣雷達的衰減訂正后數據可靠性，以常規福州長樂S波段機械雷達采集到的數據為基準進行對比，S波段機械雷達的優勢在于其基本不受降雨衰減的影響，數據可作為相控陣雷達進行衰減訂正效果的對比驗證標準。對比方法有直接對比法、格點對比法和對應點對比法[8]。直接對比法是將采集到的兩部雷達的平面位置顯示器(Plan Position Indicator,PPI)數據進行直接對比，但要求兩部雷達位置基本一致，采用相同的掃描方式，時間上基本同步。在本研究中，雷達的位置、掃描方式基本一致，因此本文采用直接對比法，其基本思想是通過對比兩部雷達在相控陣覆蓋范圍上的等高層面的等高平面位置顯示器(Constant Altitude Plan Position Indicator,CAPPI)數據，即從福州長樂S波段機械雷達探測范圍內，截取出相控陣雷達探測范圍內的數據。本文選取圖中共同覆蓋的邊長50km的正方形為對比區域，然后采用等高層面 CAPPI 進行數據對比分析[8]，如圖2所示。

圖2 S波段機械雷達(白圈)和X波段相控陣雷達(紫圈)探測范圍與對比區域(藍色方框)示意圖

4 對比結果分析

4.1 雷達原始反射率分析

選取2022年4月27日4時25分強降水天氣過程中X波段相控陣雷達反射率融合產品和S波段機械雷達反射率產品的數據。由圖3可見，X波段相控陣雷達反射率融合產品強度分布和S波段機械雷達基本一致，二者回波輪廓一致性較高，但X波段相控陣雷達分辨率更高，且回波細節豐富度更好，更有利于突發強對流致災天氣系統的預警預報。

(a)X波段相控陣雷達反射率因子

選取2022年4月27日5時54分至6時54分兩部雷達的回波強度進行統計分析，由于這個時間段降雨天氣系統正好處于多部雷達的共同覆蓋區域內，有利于雷達回波強度的對比分析，圖4為該次過程的最大反射率強度對比圖。經過分析,S波段機械雷達該次時間過程的最大反射率因子的該時段平均值為55.65 dBZ，標準差為1.26，X波段相控陣雷達平均值為59.0 dBZ，標準差為2.61，可見X波段相控陣雷達在該次過程同時間點上通過衰減訂正后其反射率因子高過S波段機械雷達約5 dBZ，同時X波段相控陣高分辨率反射率因子對強回波的細節特征靈敏度高于S波段機械雷達。

圖4 2022年4月27日5時54分至6時54分福州X波段相控陣雷達與S波段機械雷達體掃數據最大反射率因子對比

4.2 數據空間分辨率分析

X波段相控陣雷達的距離分辨率為30 m，福州S波段機械雷達距離分辨率最高為250 m，因此在空間分辨率上X波段相控陣雷達具有明顯優勢，更有利于對中小尺度天氣系統，如尺度僅有幾千米的下擊暴流、局地強降水及龍卷等的預警識別。為了更好地說明X波段相控陣雷達與S波段機械雷達空間分辨率的區別，選取了2022年4月27日4時14分福州長樂X波段相控陣雷達反射圖和S波段機械雷達反射圖進行分辨率對比分析，如圖5所示。從圖中可以看出X波段相控陣雷達回波反射圖清晰細膩，雷達回波的結構分布較為均勻，可以觀測更加細微的回波特征，空間分辨率明顯高于S波段機械雷達。但S波段機械雷達探測距離較遠，可以觀測到遠距離的回波，有助于強對流天氣的提前預報預警，爭取到預報的提前量。另外，從圖中可以看出，由于X波段相控陣雷達波長較短，對于強降雨的回波衰減較為明顯，因此在強天氣的預報中需要用兩種雷達進行綜合分析。

(a)X波段雙偏振相控陣雷達反射率產品

4.3 小時累計降雨量分析

受鋒面系統的影響，2022年4月26日午后至27日上午，福州出現大范圍強降雨過程，全市普降中到大雨，部分鄉鎮暴雨到大暴雨，1小時降雨極值65.1mm，3小時降雨極值為116.7mm。以此次強降水過程為例，對比福州市小時降雨實況數據與X波段相控陣雷達和S波段機械雷達小時累計降雨量(圖6)。從圖中可以看出，S波段機械雷達可以清楚地反映閩侯中部的暴雨、閩侯和福州市區交界的小值區，但對小值區上方的雨量計算結果比實況大；X波段相控陣雷達預測值則明顯偏小，特別是閩侯中部的暴雨，偏小了40mm。但分析定量降水估計，從圖中可以看出X波段相控陣雷達能準確反映出在閩侯中部60～70mm/h的雨強，與實況接近[圖6(c)]。因此，在強降水天氣過程中，小時累計降雨量預測S波段機械雷達算法更占優勢，定量降水估計預測X波段相控陣雷達占優勢，在強降雨過程中需進行綜合分析，以便更好地做好強降水天氣過程的預報預警。

(a)S波段機械雷達小時累計降雨量

5 結論

①X波段相控陣雷達反射率融合產品強度分布和S波段機械雷達基本一致，但X波段相控陣雷達分辨率更高，回波細節豐富度更好，更有利于突發強對流致災天氣系統的預警預報。

②X波段相控陣雷達回波反射率清晰細膩，雷達回波的結構分布較為均勻，可以觀測更加細微的回波特征，空間分辨率明顯高于S波段機械雷達。但S波段機械雷達探測距離較遠，可以觀測到遠距離的回波，有助于強對流天氣的提前預報預警，爭取到預報的提前量。另外，由于X波段相控陣雷達波長短，對于強降雨的回波，其衰減較為明顯，因此在強對流天氣的預報中，需進行綜合分析。

③強降水天氣過程中，S波段機械雷達小時累計降雨量預測更占優勢，X波段相控陣雷達定量降水估計占優勢。因此，如遇到強降水天氣，需對二者進行綜合分析，以便能更好地做好強降水天氣過程的預報預警。