大天線X波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

王珂清，徐 芬，周紅根，孫正齊，孔維奇

(1.江蘇省氣候中心，南京 210041；2.南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210041；3.中國氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210041；4.江蘇省氣象探測中心，南京 210041；5.南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 210019)

0 引言

多普勒天氣雷達(dá)是監(jiān)測強(qiáng)對流天氣最有效的觀測設(shè)備之一。傳統(tǒng)多普勒天氣雷達(dá)一般只發(fā)射并接收單一的水平偏振電磁波，通過對接收的回波信號(hào)進(jìn)行反演可獲得雷達(dá)反射率因子(Z)、徑向速度(Vr)及速度譜寬(Sw)3個(gè)基本參量[1]。相較于單偏振多普勒天氣雷達(dá)，雙偏振多普勒天氣雷達(dá)可以同時(shí)發(fā)射并接收水平和垂直兩個(gè)方向的偏振波，除了能獲取上述3個(gè)常規(guī)參量外，還可以獲得差分反射率因子(Zdr)、差分傳播相位(φDP)、互相關(guān)系數(shù)(ρhυ)和差分傳播相移率(KDP)等偏振參量。通過這些偏振參量可更為準(zhǔn)確地識(shí)別降水粒子的相態(tài)與形狀，從而提高強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測預(yù)警能力[2，3]，也可為人工影響天氣中增雨防雹工作提供更及時(shí)的作業(yè)指揮和效果評估[4]。從理論而言雙偏振雷達(dá)能夠獲得更多有用的觀測參量，但偏振參量的準(zhǔn)確計(jì)算對雷達(dá)的軟硬件系統(tǒng)提出了更高的要求。雷達(dá)在生產(chǎn)過程中標(biāo)定方法的誤差，以及雷達(dá)硬件損耗等難以避免的因素，會(huì)使雷達(dá)在實(shí)際工作中的性能與雷達(dá)出廠測試時(shí)存在一定差距。而在實(shí)際的觀測過程中，如地物遮擋、系統(tǒng)內(nèi)部及外部噪聲、信號(hào)衰減等因素也可能對雙偏振雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，使用前對雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步質(zhì)量評估具有十分重要的意義，不僅可以讓使用者及時(shí)掌握雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化動(dòng)態(tài)，對強(qiáng)天氣過程做出正確判斷；還可以在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降時(shí)，及時(shí)與雷達(dá)廠商溝通，對雷達(dá)硬件系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[5]。

江蘇蘇北地區(qū)由于抗旱、防雹等地方需求，是人工影響作業(yè)量最高的地區(qū)，也是龍卷等強(qiáng)對流天氣最為高發(fā)的地區(qū)，梅汛期約有50%的龍卷發(fā)生于該地區(qū)。目前業(yè)務(wù)中使用的S波段天氣雷達(dá)由于運(yùn)行考核要求，最低仰角只能設(shè)為0.5°，并只能以體積掃描模式運(yùn)行，較難監(jiān)測低于0.5°仰角探測高度的風(fēng)暴單體結(jié)構(gòu)，也無法獲取風(fēng)暴單體精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)。且該型天氣雷達(dá)空間分辨力為250 m，無法滿足百米尺度諸如龍卷等小尺度對流系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警工作需求。因此為最大限度減少該地區(qū)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)損失，提高龍卷等強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測預(yù)警能力，2019年開始江蘇省氣象局在該地區(qū)布設(shè)X波段雙偏振天氣雷達(dá)網(wǎng)用于加密觀測中小尺度強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)，目前已建成5部雷達(dá)，并于2020-2021年開展了觀測試驗(yàn)。

文章使用標(biāo)準(zhǔn)差分析法對江蘇蘇北地區(qū)X波段天氣雷達(dá)網(wǎng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，該方法在國外已有較成熟的理論基礎(chǔ)[6]，李思騰[7]等也使用該方法對北京地區(qū)的X波段天氣雷達(dá)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)開展了質(zhì)量評估工作，認(rèn)為該方法可用于判斷雷達(dá)數(shù)據(jù)波動(dòng)的合理性。文章通過與鹽城CINRAD/SAD天氣雷達(dá)觀測同一天氣系統(tǒng)的回波結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對，進(jìn)而驗(yàn)證X波段天氣雷達(dá)觀測能力。

1 江蘇蘇北地區(qū)X波段天氣雷達(dá)概況

1.1 雷達(dá)性能參數(shù)

江蘇省在大風(fēng)、強(qiáng)對流最為高發(fā)的蘇北地區(qū)建設(shè)了5部X波段雙偏振天氣雷達(dá)，分別是鹽城、阜寧、大豐、興化和寶應(yīng)5個(gè)臺(tái)站，用于加密觀測近地面層天氣系統(tǒng)。該雷達(dá)網(wǎng)中每3部雷達(dá)均可構(gòu)成平均邊長約為55 km的等邊(腰)三角形。該布網(wǎng)結(jié)構(gòu)可滿足多雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù)的要求，更重要的是為后期新增雷達(dá)站點(diǎn)探測覆蓋范圍和雷達(dá)個(gè)數(shù)達(dá)最優(yōu)配置提供了擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。該雷達(dá)網(wǎng)周邊還分布有鹽城、淮安、泰州等S波段天氣雷達(dá)，其觀測范圍與X波段雷達(dá)有重復(fù)覆蓋區(qū)域，可為X波段雷達(dá)的觀測提供對比參考。

1.2 雷達(dá)性能參數(shù)

江蘇蘇北地區(qū)雷達(dá)網(wǎng)由5部型號(hào)為YLD5-D的X波段雙偏振天氣雷達(dá)組成，5部雷達(dá)性能參數(shù)基本一致。與目前國內(nèi)其他現(xiàn)有X波段天氣雷達(dá)不同的是，為提高方位分辨力，該型雷達(dá)搭配了4.5 m雙極化拋物面大天線，天線波束寬度達(dá)到了0.55°；發(fā)射系統(tǒng)采用雙路全固態(tài)發(fā)射機(jī)，每路峰值功率超過200 W，最大發(fā)射脈寬可達(dá)200 μs；接收機(jī)采用雙路、16位A/D設(shè)計(jì)，距離分辨力最高可達(dá)30 m；伺服系統(tǒng)可完成PPI，RHI，VOL、扇掃和定點(diǎn)等多種工作方式。

2 數(shù)據(jù)來源和評估方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章選取2次對流性降水天氣過程來評估江蘇大口徑天線X波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量：

1)2020-06-23蘇北地區(qū)梅汛期1次對流性天氣降水過程；

2)2021-04-30在東北冷渦和低空氣旋共同影響下產(chǎn)生的1次雷暴大風(fēng)、冰雹天氣過程。

2.2 評估方法

天氣雷達(dá)觀測參量的標(biāo)準(zhǔn)差反映了實(shí)際天氣過程中粒子譜的自然波動(dòng)，因此實(shí)際觀測參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)符合一定的分布范圍。文章首先通過理論公式計(jì)算出反射率因子、差分反射率、互相關(guān)系數(shù)和差分傳播相位4個(gè)參量標(biāo)準(zhǔn)差的理論值范圍，并繪制4個(gè)參量的標(biāo)準(zhǔn)差隨脈沖采樣周期變化的曲線；再對雷達(dá)實(shí)際觀測到的各參量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出各參量標(biāo)準(zhǔn)差的頻次分布，將實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對比，從而判斷雷達(dá)參數(shù)分布是否正常。

根據(jù)雷達(dá)參量標(biāo)準(zhǔn)差理論估計(jì)計(jì)算方法，可得出江蘇X波段雙偏振天氣雷達(dá)4個(gè)參量(差分反射率Zdr、反射率因子Z、互相關(guān)系數(shù)ρhυ、差分傳播相位φdp)理論標(biāo)準(zhǔn)差與脈沖采樣周期Td的關(guān)系(圖1)。

圖1 江蘇X波段雙偏振天氣雷達(dá)差分反射率Zdr(a)、反射率因子Z(b)、互相關(guān)系數(shù)ρhυ(c)和差分傳播相位φdp(d)的理論標(biāo)準(zhǔn)差與Td的關(guān)系

圖1中假定大氣湍流的范圍為1～4 m·s-1，ρhv的范圍為0.97～0.99，根據(jù)雷達(dá)掃描參數(shù)，脈沖采樣周期Td為50 ms，計(jì)算反射率因子、差分反射率、互相關(guān)系數(shù)、差分傳播相位的理論估計(jì)值分別為0.61～1.13 dB，0.13～0.44 dB，0.002～0.012，0.86°～3.0°。

雷達(dá)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差通過單根徑向上一定鄰域范圍內(nèi)的多個(gè)觀測值計(jì)算得到，其具體公式如下：

3 評估結(jié)果

文章首先使用位于大豐雷達(dá)站的X波段雙偏振天氣雷達(dá)對2020-06-23發(fā)生在蘇北鹽城地區(qū)的1次降水過程觀測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，通過計(jì)算得到各個(gè)參量的實(shí)際觀測標(biāo)準(zhǔn)差，并統(tǒng)計(jì)出各個(gè)參量標(biāo)準(zhǔn)差的頻次分布。

由反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布可知，反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差在0.25～0.5 dB分布最多。根據(jù)理論值分布，以1.13 dB為閾值，反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的86.8%，說明江蘇大豐天氣雷達(dá)的反射率因子數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，在理論值的分布范圍內(nèi)，反射率因子數(shù)據(jù)較為可靠。由差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果可知，差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差在0.1～0.2 dB分布最多。根據(jù)理論值分布，以0.44 dB為閾值，差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的93.3%。說明江蘇大豐天氣雷達(dá)差分反射率數(shù)據(jù)的波動(dòng)很小，在理論值的分布范圍內(nèi)，差分反射率因子數(shù)據(jù)可靠。互相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布在0.005～0.01最多。根據(jù)理論值分布，以0.012為閾值，互相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的66.1%。該數(shù)據(jù)表明互相關(guān)系數(shù)存在衰減問題，這與文獻(xiàn)[7]評估結(jié)果相似。差分傳播相位標(biāo)準(zhǔn)差在0°～1°分布最多。根據(jù)理論值分布，以3°為閾值，差分傳播相位標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的88.02%，說明江蘇大豐天氣雷達(dá)差分傳播相位數(shù)據(jù)的波動(dòng)較小。

為考察該型天氣雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣過程觀測中數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，文章選用位于寶應(yīng)雷達(dá)站的X波段雙偏振天氣雷達(dá)對2021-04-30發(fā)生在蘇北地區(qū)的1次雷暴大風(fēng)并伴隨冰雹的天氣過程觀測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果可知，反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差在0.25～0.5 dB分布最多。根據(jù)理論值分布，以1.13 dB為閾值，反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的85.86%，該百分比與江蘇大豐天氣雷達(dá)近似，反映了反射率因子數(shù)據(jù)較為可靠。由差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果可知，差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差在0.1～0.2 dB分布最多。根據(jù)理論值分布，以0.44 dB為閾值，差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的87.06%，該百分比略低于江蘇大豐天氣雷達(dá)，但仍反映了寶應(yīng)雷達(dá)的差分反射率數(shù)據(jù)的波動(dòng)較小，數(shù)據(jù)可靠[8]。互相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布在0.005～0.01最多。根據(jù)理論值分布，以0.022為閾值，互相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的66.29%，同樣存在衰減問題。差分傳播相位標(biāo)準(zhǔn)差在0°～1°分布最多。根據(jù)理論值分布，以3°為閾值，差分傳播相位標(biāo)準(zhǔn)差小于該閾值的頻次占總觀測數(shù)的77.0%，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍與理論值基本符合，但波動(dòng)大于大豐天氣雷達(dá)，原因?yàn)閷殤?yīng)雷達(dá)探測時(shí)，雷達(dá)波束經(jīng)過了較長距離的強(qiáng)回波區(qū)域(冰雹區(qū))，冰雹對散射相位差影響較大，導(dǎo)致差分傳播相位波動(dòng)較大，這與文獻(xiàn)[7]的對比結(jié)論基本一致。

4 不同波段天氣雷達(dá)的對比觀測

由于目前氣象部門天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)考核的要求(最低仰角0.5°)，江蘇省S波段天氣雷達(dá)網(wǎng)較難完整探測邊界層以下區(qū)域，進(jìn)而無法滿足包括龍卷、陣風(fēng)鋒、下?lián)舯┝鞯戎聻?zāi)性大風(fēng)的監(jiān)測預(yù)警需求。江蘇蘇北地區(qū)X波段天氣雷達(dá)網(wǎng)可根據(jù)觀測需求開展低空探測，能有效提高低空大氣探測的覆蓋率，從而進(jìn)一步提高極端大風(fēng)天氣的監(jiān)測預(yù)警能力。

對比2021-04-30寶應(yīng)X波段雷達(dá)和鹽城S波段雷達(dá)對同一塊強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的觀測結(jié)果可得，兩個(gè)波段天氣雷達(dá)均觀測到了兩個(gè)風(fēng)暴單體自北向南移向?qū)殤?yīng)雷達(dá)站的完整過程。相較于S波段天氣雷達(dá)，X波段雷達(dá)由于波束寬度小、庫長短、探測靈敏度更高，探測到的風(fēng)暴單體結(jié)構(gòu)更加清晰，陣風(fēng)鋒弱回波結(jié)構(gòu)更加明顯。由于寶應(yīng)雷達(dá)站正對風(fēng)暴單體移向位置，相比S波段雷達(dá)更早觀測到了陣風(fēng)鋒(18：13)，陣風(fēng)鋒位于風(fēng)暴前沿，在反射率因子圖上表現(xiàn)為一條弧狀的窄帶回波，回波強(qiáng)度在0～15 dBZ。S波段雷達(dá)在18：26同樣觀測到該陣風(fēng)鋒，但陣風(fēng)鋒弧狀窄帶回波特征并沒有X波段雷達(dá)觀測到的特征明顯，說明不同波段天氣雷達(dá)聯(lián)合觀測能夠?qū)崿F(xiàn)對低空弱回波的加密觀測。但X波段天氣雷達(dá)的衰減現(xiàn)象依然明顯，最大回波強(qiáng)度低于S波段天氣雷達(dá)約10 dBZ，衰減后的風(fēng)暴單體結(jié)構(gòu)有一定變形。相較以單站使用為主的S波段天氣雷達(dá)，X波段天氣雷達(dá)應(yīng)以組網(wǎng)觀測的方式開展聯(lián)合應(yīng)用。

5 結(jié)束語

文章采用標(biāo)準(zhǔn)差分析法對江蘇大天線X波段雙偏振天氣雷達(dá)兩次不同天氣過程觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估發(fā)現(xiàn)：兩次天氣過程中反射率因子標(biāo)準(zhǔn)差和差分反射率標(biāo)準(zhǔn)差分布結(jié)構(gòu)符合理論值，觀測數(shù)據(jù)較為可靠；而互相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果符合理論值的數(shù)據(jù)在總觀測數(shù)據(jù)的占比均未超過70%，說明該數(shù)據(jù)均存在衰減問題，這是由于雷達(dá)波束經(jīng)過降水區(qū)域后，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)快速下降，互相關(guān)系數(shù)同其他雷達(dá)參量相比，對衰減和雜波有更高的敏感度，因此數(shù)據(jù)波動(dòng)會(huì)相對較大；在雷暴大風(fēng)并伴隨有冰雹的天氣過程中，由于冰雹對散射相位差影響較大，會(huì)導(dǎo)致差分傳播相位波動(dòng)較大。

更高時(shí)空分辨力的大天線X波段天氣雷達(dá)為人影精準(zhǔn)作業(yè)的需求帶來了可能，后期會(huì)將該型天氣雷達(dá)應(yīng)用于人影作業(yè)效果評估中，以期提高人影作業(yè)效率，降低耗材成本。