面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的上海地區(qū)毫米波云雷達(dá)觀測質(zhì)量評估

摘要 基于寶山國家基本氣象站部署的毫米波云雷達(dá)2019年的觀測數(shù)據(jù)，輔以激光雨滴譜、微雨雷達(dá)、探空資料、風(fēng)云四號衛(wèi)星產(chǎn)品、地面雨量計(jì)等多元觀測數(shù)據(jù)，從探測穩(wěn)定性、探測能力、基數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)探測合理性等方面開展了毫米波云雷達(dá)觀測質(zhì)量評估。結(jié)果表明：毫米波云雷達(dá)在試驗(yàn)期間僅出現(xiàn)單次軟件故障，且基數(shù)據(jù)全年獲取率高于95％，探測穩(wěn)定性較好;毫米波云雷達(dá)各高度最小可測回波強(qiáng)度位于-40～-20 dBZ，并隨高度呈現(xiàn)出與理論相符的指數(shù)遞減;9 km高度以下最小回波強(qiáng)度變化小于2 dB，最小回波探測能力穩(wěn)定性較高，在降水率達(dá)到4～5 mm／h時(shí)，毫米波云雷達(dá)會出現(xiàn)強(qiáng)衰減導(dǎo)致的虛假晴空區(qū)。雖然多部毫米波云雷達(dá)的基數(shù)據(jù)存在差異，但與地面雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度和微型雨雷達(dá)觀測回波強(qiáng)度具有一致的垂直分布及時(shí)間演變特征。毫米波云雷達(dá)探測云頂云底高度與探空資料估算云頂云底高度、風(fēng)云四號衛(wèi)星反演云頂高度具有一定的一致性。拼接縫和距離旁瓣虛假回波是較為直觀且能夠?qū)I(yè)務(wù)化應(yīng)用產(chǎn)生直接影響的問題。

關(guān)鍵詞毫米波云雷達(dá);觀測質(zhì)量評估;面向業(yè)務(wù)應(yīng)用

云或者云系統(tǒng)作為大氣中微小水滴、冰晶、雪晶的單一或者混合集合體，常年覆蓋著地表約66％的面積（方樂鋅等，2016），其自身發(fā)展和參與的多種物理過程能夠?qū)⒋髿鈩恿^程、輻射過程、水分循環(huán)以及下墊面條件相耦合（Arakawa and Schubert，1974;Arakaw，2004），是天氣和氣候系統(tǒng)中各種熱力、動力和地表過程共同作用的結(jié)果（Ramanathan et al.，1989）。因此云的特性及其演變特征同時(shí)扮演著天氣和氣候系統(tǒng)的指示器與調(diào)節(jié)器，是天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究中最重要的對象之一（Liou，2004;屈右銘等，2012;彭沖等，2016;張華等，2019；唐雅慧等，2020）。

毫米波云雷達(dá)（下文簡稱：云雷達(dá)）作為以Ka波段（35 GHz／8 mm）和W波段（94 GHz／3 mm）為探測波長、以云和弱降水為觀測對象的遙感觀測儀器，借助其波長短的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)分鐘級時(shí)間分辨率、數(shù)十米級空間分辨率的云雨結(jié)構(gòu)特征精細(xì)化觀測（仲凌志等，2009），近年來被廣泛應(yīng)用于對云宏觀、微觀以及動力學(xué)特性研究（Frisch et al.，1997;Wang and Sassen，2001;Ghate et al.，2010;Luke et al.，2010;Zhang et al.，2010;王德旺等，2012;黃興友等，2019，2020;楊曉等，2019;Yang et al.，2020;陳梓桐和李昀英，2022），體現(xiàn)出其在提升現(xiàn)有氣象業(yè)務(wù)觀測體系對云、特別是精細(xì)化云垂直結(jié)構(gòu)的觀測能力方面具有很大潛力。

然而由于軟硬件體制標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，國內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的云雷達(dá)的性能差異仍存在較大的不確定性。因此，國內(nèi)學(xué)者針對云雷達(dá)觀測質(zhì)量這一業(yè)務(wù)應(yīng)用中的核心問題，已陸續(xù)開展了利用探空資料、激光云高儀、地基紅外測云儀（胡樹貞等，2012;黃興友等，2013;吳舉秀等，2014;章文星和呂達(dá)仁，2014;唐英杰等，2015;李思騰等，2015;王喆等，2016;郝倚天等，2018）以及衛(wèi)星遙感（張艷品等，2014）等觀測手段，對云雷達(dá)探測云頂和云底高度的比對分析工作，初步驗(yàn)證了云雷達(dá)對云的良好探測能力。然而以往的分析工作絕大多數(shù)基于來自中國氣象局氣象探測中心在北京南郊觀測基地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而在我國華東地區(qū)開展的云雷達(dá)觀測與分析則主要基于美國大氣輻射測量計(jì)劃（ARM，Atmospheric Radiation Measurement）在安徽壽縣布設(shè)的進(jìn)口云雷達(dá)（章文星和呂達(dá)仁，2014;張艷品等，2014）。與此同時(shí)，這些研究的試驗(yàn)時(shí)段大都以1 mon或3 mon左右的中短期為主，僅有個(gè)別達(dá)到5 mon，幾乎未見對1 a或者更長時(shí)段云雷達(dá)觀測的分析評估。

因此，本文借助上海參與超大城市垂直綜合氣象觀測技術(shù)研究及試驗(yàn)（下文簡稱：大城市觀測試驗(yàn)）的機(jī)會，利用業(yè)務(wù)化探空、微雨雷達(dá)、雨量計(jì)等多源觀測，從探測穩(wěn)定性、探測能力、探測合理性等方面，開展了對寶山國家基本氣象站（下文簡稱：寶山站）長期（自2018年起）布設(shè)國產(chǎn)云雷達(dá)觀測質(zhì)量的評估分析，在充分認(rèn)識國產(chǎn)云雷達(dá)現(xiàn)狀的同時(shí)，基于上海氣象部門自身的發(fā)展需求，對云雷達(dá)未來可進(jìn)一步完善之處提出建議。

1 資料和方法

1.1 觀測資料

本文主要利用了包括云雷達(dá)、激光雨滴譜儀、風(fēng)云四號衛(wèi)星（下文簡稱：FY-4A）反演產(chǎn)品、微雨雷達(dá)、探空資料和地面雨量計(jì)共6類觀測資料，其中5類地基觀測儀器之間的部署間距不超過30 m，云雷達(dá)（兩部）和激光雨滴譜儀、微雨雷達(dá)間距更在10 m左右，觀測的空間一致性較好。

1.1.1 Ka波段毫米波云雷達(dá)

本文選取了布設(shè)于上海站的兩部國產(chǎn)Ka波段（8.6 mm）云雷達(dá)（CR_1和CR_2）。CR_1和CR_2均為全固態(tài)、全相參、采用脈沖壓縮技術(shù)、多脈沖拼接探測且工作頻率在35 GHz的多普勒云雷達(dá)，脈沖壓縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)基于多種脈寬壓縮生成30 m分辨率的雷達(dá)基數(shù)據(jù)。大城市觀測試驗(yàn)期間均采用垂直天頂指向觀測方式，垂直分辨率為30 m。兩部云雷達(dá)探測范圍、探測模態(tài)和基數(shù)據(jù)分辨率等詳細(xì)信息參見表1。

因CR_2在2019年3月和8月底分別進(jìn)行了軟件升級和標(biāo)準(zhǔn)輸出器的安裝，數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容都進(jìn)行了大幅調(diào)整，因此為保證評估數(shù)據(jù)的一致性，本文評估分析工作主要基于CR_1在2019年觀測數(shù)據(jù)和CR_2在2019年4—8月的觀測數(shù)據(jù)。

1.1.2 激光雨滴譜儀和微雨雷達(dá)

為評估云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度合理性，本文選用了與云雷達(dá)同址部署于寶山站的激光雨滴譜儀（Distrometer，德國OTT公司生產(chǎn)，型號為Parsivel，下文簡稱：雨滴譜儀）和微型雨雷達(dá)（德國METEK公司生產(chǎn)，型號為MRR-2，下文簡稱：微雨雷達(dá)）觀測資料。

雨滴譜儀利用激光測量雨滴的下落速度和粒子直徑，通過觀測一定時(shí)段（也即產(chǎn)品時(shí)間分辨率，本文所用數(shù)據(jù)為1 min）內(nèi)各速度和直徑分檔范圍內(nèi)里的粒子個(gè)數(shù)，獲得雨滴的雨滴速度譜與雨滴尺度譜。其中雨滴速度譜分32檔，探測范圍自0～0.15 m／s至19.8～24 m／s;雨滴尺度譜同樣分32檔，探測范圍自0～0.125 mm至23～26 mm。本文主要采用了該儀器2019年期間觀測雨滴譜信息反演地面雨滴回波強(qiáng)度，而后用于和云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度比對分析。

微雨雷達(dá)選用K波段探測波，能夠觀測高至6 km范圍內(nèi)的雷達(dá)回波強(qiáng)度、雨滴下落速度等降水結(jié)構(gòu)信息，垂直和時(shí)間分辨率為200 m和1 min。本文主要采用了該儀器2019年7月13日觀測的回波強(qiáng)度分析云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度垂直分布結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變特征的合理性。

1.1.3 探空資料和FY-4A衛(wèi)星反演云頂高度

為評估云雷達(dá)的基礎(chǔ)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、云頂高度和云底高度的探測準(zhǔn)確性，本文同時(shí)利用了基于寶山站業(yè)務(wù)化探空估算的云頂、云底高度和FY-4A衛(wèi)星反演的云頂高度產(chǎn)品。

寶山站探空資料屬于業(yè)務(wù)化觀測，每日分別在08：00（北京時(shí)，下同）和20：00左右進(jìn)行2次觀測，汛期與觀測試驗(yàn)等情況下在02：00和14：00左右分別按需增加1次觀測，能夠給出探空氣球升空期間的溫度、濕度和風(fēng)向風(fēng)速的秒級觀測，垂直分辨率可達(dá)10 m級（李偉等，2009）。利用該探空資料在2019年期間的數(shù)據(jù)，選取周毓荃和歐建軍（2010）的方法估算出云頂、云底高度用于和云雷達(dá)探測的云頂、云底高度進(jìn)行比對分析。

FY-4A云頂高度產(chǎn)品給出了水平分辨率為4 km×4 km的像元中的云頂高度，選用的是2019年期間覆蓋寶山站像元的云頂高度產(chǎn)品數(shù)據(jù)開展與云雷達(dá)探測云頂高度初步比對。因FY-4A衛(wèi)星提供全圓盤和中國區(qū)域產(chǎn)品，因此覆蓋寶山站像元的時(shí)間分辨率為5～15 min。

此外，本文還利用了寶山站的地面雨量計(jì)業(yè)務(wù)化觀測給出的逐小時(shí)降水強(qiáng)度用于分析云雷達(dá)在降水時(shí)段的衰減情況。

上述各類觀測資料的詳情參見表2。

1.2 評估內(nèi)容

1.2.1 探測穩(wěn)定性

觀測儀器的穩(wěn)定性是業(yè)務(wù)化觀測和應(yīng)用的先決條件之一。因此首先基于數(shù)據(jù)獲取率、大城市觀測試驗(yàn)期間儀器故障情況分析了CR_1和CR_2兩部云雷達(dá)的探測穩(wěn)定性。需指出的是，此處的數(shù)據(jù)獲取率是指，在固定時(shí)段內(nèi)云雷達(dá)實(shí)際生成的觀測基數(shù)據(jù)文件個(gè)數(shù)與理論上無故障條件下應(yīng)生成觀測基數(shù)據(jù)文件個(gè)數(shù)的比值，重點(diǎn)考察的是業(yè)務(wù)化觀測中觀測數(shù)據(jù)獲取的穩(wěn)定性。

1.2.2 探測能力

本文從最弱回波探測能力和最強(qiáng)回波探測能力兩方面分析了云雷達(dá)的探測能力。最弱回波探測能力采用各高度上逐月和逐日最小可測回波強(qiáng)度（Minima Detectable Reflectivity）作為指標(biāo)（仲凌志，2009），通過統(tǒng)計(jì)CR_1在各探測高度上最小可測回波強(qiáng)度的逐月和逐日變化進(jìn)行評估分析。最強(qiáng)回波探測能力以云雷達(dá)發(fā)生強(qiáng)衰減時(shí)的降水強(qiáng)度作為指標(biāo)，通過結(jié)合地面小時(shí)降水強(qiáng)度、近地面回波強(qiáng)度和回波探測高度銳減特征進(jìn)行評估分析。

1.2.3 探測合理性

本文基于雨滴譜儀數(shù)據(jù)評估了云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度的合理性。首先基于地面雨滴譜觀測雨滴尺度譜和速度譜，利用謝蕾等（2014）的方法，采用公式（1）計(jì)算出雨滴體積數(shù)濃度后通過公式（2）、（3）計(jì)算出降至地面的雨滴的回波強(qiáng)度。

式（1）中：nij為雨滴譜儀激光探測平面上采樣時(shí)段內(nèi)雨滴直徑分檔第i分檔和雨滴下落速度分檔第j分檔中的雨滴個(gè)數(shù)，也即面積數(shù)濃度;vj表示第j速度分檔中的雨滴下落速度平均值；ΔDi為第i直徑分檔的區(qū)間寬度;S表示雨滴譜儀采樣面積（0.005 4 m2）；T為采樣時(shí)段（1 min）；Nij表示采樣時(shí)段內(nèi)雨滴直徑分檔第i分檔和雨滴下落速度分檔第j分檔中的雨滴個(gè)數(shù)，也即雨滴體積數(shù)濃度。

式（2）和（3）中：Zj為采樣時(shí)段內(nèi)第j速度分檔中的雷達(dá)反射率因子（回波強(qiáng)度）；Di為第i直徑分檔中粒子直徑的平均值；Nij和ΔDi意義同式（1），Z為采樣時(shí)段內(nèi)所有直徑分檔和速度分檔中雨滴的雷達(dá)反射率因子（回波強(qiáng)度）。

本文同時(shí)還通過對比微雨雷達(dá)探測回波強(qiáng)度的時(shí)間高度分布與云雷達(dá)做個(gè)例的直接對比，分析云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度垂直方向的分布結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間演變的合理性。

本文采用周毓荃和歐建軍（2010）中的方法，評估了云雷達(dá)反演云頂高度和云底高度的合理性。首先基于業(yè)務(wù)化探空資料，利用相對濕度閾值法，同時(shí)考慮冰相相對濕度的重新計(jì)算，估算出云頂、云底高度，開展與云雷達(dá)云頂、云底高度比對分析，同時(shí)采用個(gè)例和統(tǒng)計(jì)分析初步比對了FY-4A反演云頂高度與云雷達(dá)探測的云頂高度。

2 結(jié)果分析

2.1 探測穩(wěn)定性

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取率

CR_1和CR_2的基數(shù)據(jù)獲取率由表3給出。結(jié)果表明CR_1各月基數(shù)據(jù)的獲取率均在90％以上，最高可達(dá)99％，全年數(shù)據(jù)獲取率為96％。CR_2各月的數(shù)據(jù)獲取率也都超過95％，有3 mon的數(shù)據(jù)獲取率達(dá)到了100％，整體數(shù)據(jù)獲取率為98.7％。

2.1.2 儀器故障情況

CR_1在2019年觀測期間，僅在2019年7月26日發(fā)生一次軟件無故退出，重啟后恢復(fù)正常;CR_2在2019年4—8月觀測期間未出現(xiàn)故障。總體而言，兩臺云雷達(dá)的探測穩(wěn)定性較高，具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)化觀測潛力。

2.2 探測能力

2.2.1 最小可測回波強(qiáng)度

圖1給出的是CR_1最小可測回波強(qiáng)度隨高度的分布廓線，其中圖1a為2019年各月變化情況，圖1b、1c和1d分別給出大城市觀測試驗(yàn)期間在2019年4月2日、2019年9月7日和2019年11月1日開展的3次定標(biāo)前后各約1 mon的比較，可以看出CR_1的探測能力隨高度的分布呈現(xiàn)出與理論一致的指數(shù)分布，且各月變化較小。定量而言，3.6 km以下各月最小可測回波強(qiáng)度的最大差距小于1.5 dB，3.6～9 km范圍內(nèi)最大差距小于2 dB，12 km以上最大差距可達(dá)3 dB。

從最小可測回波強(qiáng)度值的分布范圍來看，各高度最小可測回波強(qiáng)度值都在-20 dBZ以下，近地層最小可測回波接近-40 dBZ。特別值得注意的是，3次定標(biāo)前后的變化也非常小，最小可測回波強(qiáng)度探測能力的穩(wěn)定性較高。最小可測回波強(qiáng)度在垂直方向上的3組分段曲線也清楚地反映出CR_1各高度上的探測模態(tài)的差異。3.6～15 km、1.2～3.6 km和30 m～1.2 km范圍內(nèi)最小可測回波強(qiáng)度主要決定于卷云模態(tài)、中云模態(tài)和邊界層模態(tài)的探測能力。

圖2a給出的是CR_1各高度最小可測回波在2019年一整年的逐日變化，可以看出各高度最小回波探測能力在整年呈現(xiàn)出微弱增強(qiáng)（既同一高度最小可測回波強(qiáng)度值變更小，探測能力增強(qiáng)）而后在10月下旬出現(xiàn)小幅降低的變化特征，各高度變化趨勢基本一致，且同一高度的整年變化在2 dB以內(nèi)，變化幅度較小。圖2b給出的是2019年整年實(shí)測回波強(qiáng)度在各高度上的概率分布與相干積累設(shè)置為4時(shí)計(jì)算出的理論各高度最小可測回波強(qiáng)度參考線，可以看出實(shí)測數(shù)據(jù)達(dá)到了理論測值。

2.2.2 衰減影響

大城市觀測試驗(yàn)期間，云雷達(dá)體現(xiàn)出對降水云雨也具有一定的觀測能力，但在降水強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)衰減作用會導(dǎo)致云雷達(dá)出現(xiàn)強(qiáng)衰減現(xiàn)象，表現(xiàn)為近地層回波強(qiáng)度大，但探測回波高度銳減，形成回波強(qiáng)度、垂直速度和速度譜寬的“空窗區(qū)”。因此，為充分認(rèn)識降水強(qiáng)度對云雷達(dá)回波的衰減影響，強(qiáng)化對降水期云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度分布的理解，避免業(yè)務(wù)應(yīng)用人員對無云區(qū)產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識，本文結(jié)合地面小時(shí)降水和云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度的時(shí)間高度演變特征對降水的衰減影響進(jìn)行了定性分析。

圖3給出了大城市觀測試驗(yàn)期間幾個(gè)典型的強(qiáng)降水情況，彩色陰影部分給出的是云雷達(dá)的回波強(qiáng)度時(shí)間高度剖面，下方藍(lán)色柱狀圖給出逐小時(shí)降水率。結(jié)果表明，5月26日07：00—08：00和11：00—13：00（圖3a），8月18日（圖3b）17：00—18：00都出現(xiàn)回波探測高度從前一時(shí)段的10 km以上銳減至5 km左右，在時(shí)間高度剖面上形成顯著的“回波縫隙”現(xiàn)象。結(jié)合相應(yīng)時(shí)段近地面回波強(qiáng)度超過40 dBZ，且地面小時(shí)降水率都在4 mm／h以上，可以判斷發(fā)生了強(qiáng)降水導(dǎo)致云雷達(dá)探測信號的強(qiáng)烈衰減，“回波縫隙”是衰減出現(xiàn)的假無云雨區(qū)。圖3c、3d給出的是CR_2對應(yīng)的觀測，可以看出雖然CR_2的回波強(qiáng)度明顯弱于CR_1，但是也在對應(yīng)時(shí)段發(fā)生了因衰減導(dǎo)致的“回波縫隙”現(xiàn)象，且因探測高度范圍為12 km，12 km以上的云信息無法獲取。通過對2019年觀測期間所有CR_1回波分布特征的分析，主觀選出云雷達(dá)回波發(fā)生“回波縫隙”現(xiàn)象共23 d，對“回波縫隙”現(xiàn)象時(shí)段的降水率分析表明，云雷達(dá)信號出現(xiàn)此類現(xiàn)象的降水率閾值約為4～5 mm／h。后續(xù)我們將進(jìn)一步通過分鐘級降水?dāng)?shù)據(jù)開展云雷達(dá)探測信號強(qiáng)衰減的降雨強(qiáng)度閾值和衰減時(shí)段識別算法，進(jìn)一步改善云雷達(dá)的可用性。

2.3 探測合理性

2.3.1 回波強(qiáng)度探測合理性

大城市觀測試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)，同址部署的CR_1和CR_2在同時(shí)間和同高度探測的回波強(qiáng)度存在較大差異，這對于基于回波強(qiáng)度進(jìn)行云系統(tǒng)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析和后續(xù)基于回波強(qiáng)度開展液態(tài)水含量等云參數(shù)的反演都會產(chǎn)生較大影響。因此本文以月為單位比較了兩臺云雷達(dá)回波強(qiáng)度、垂直速度和速度譜寬三種基數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性差異。結(jié)果表明，2019年4—8月，CR_1和CR_2之間的系統(tǒng)性差異相類似，由圖4給出比較樣本較多的2019年6月整月CR_1和CR_2回波強(qiáng)度、垂直速度和速度譜寬的差值（CR_1-CR_2）隨高度的統(tǒng)計(jì)分布特征。

結(jié)果表明，回波強(qiáng)度方面，CR_1所測回波強(qiáng)度在各月各高度上都存在系統(tǒng)性偏大，且差值的最大值可超過20 dB，各高度差值的平均值也在10 dB這一量級;垂直速度方面，CR_1系統(tǒng)性略微偏小于CR_2，3～9 km高度范圍偏差較大，平均差異在0.5 m／s左右;速度譜寬方面，CR_1系統(tǒng)性略微偏大于CR_2，也在3～9 km高度范圍內(nèi)出現(xiàn)較大偏差，平均差異在0.5 m／s左右。經(jīng)與云雷達(dá)生產(chǎn)廠家和臺站維護(hù)人員的詳細(xì)溝通，我們認(rèn)為兩部云雷達(dá)產(chǎn)生較大系統(tǒng)性誤差的最大可能是來自定標(biāo)。生產(chǎn)廠家技術(shù)人員表示因兩部云雷達(dá)的定標(biāo)方法和硬件指標(biāo)上存在一定差異，尚無較好的技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)兩部云雷達(dá)的聯(lián)合定標(biāo)，而兩部云雷達(dá)的各自定標(biāo)就會產(chǎn)生較大偏差，技術(shù)人員在北京等其他參與超大城市試驗(yàn)的地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類似的問題。因此，在云雷達(dá)進(jìn)一步推進(jìn)業(yè)務(wù)化的過程中，如何實(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)廠家多型號雷達(dá)的聯(lián)合定標(biāo)，保證探測一致，也是未來業(yè)務(wù)化的關(guān)鍵問題之一。

本文用雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度，并通過云雷達(dá)低層回波與雨滴譜反演回波的比對分析，評估云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度的合理性。圖5a以2019年5月26日為例，給出CR_1在60～90 m、120～150 m、180～210 m、240～270 m和300～330 m雷達(dá)庫觀測回波強(qiáng)度以及地面雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度的比對。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CR_1除60～90 m雷達(dá)庫外，各高度探測回波強(qiáng)度與雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度變化趨勢相一致，說明云雷達(dá)能夠很好反映出云雨強(qiáng)度的相對變化。但60～90 m雷達(dá)庫回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化情況難以解釋，并且實(shí)際有測值的高度起始于60～90 m，晚于雷達(dá)理論設(shè)計(jì)（30～60 m）一個(gè)高度庫。圖5b給出同時(shí)段CR_2與雨滴譜回波的比對情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CR_2實(shí)際有測值的高度起始于270～300 m，

早于雷達(dá)理論設(shè)計(jì)（300～330 m）一個(gè)高度庫;CR_2各高度回波強(qiáng)度隨高度呈現(xiàn)出減小的情況，且540 m以下各高度的回波強(qiáng)度都小于雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度。圖5c給出CR_1和CR_2自地面起，同時(shí)存在數(shù)據(jù)的前4個(gè)雷達(dá)庫探測回波強(qiáng)度與雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度的直接比較，可以看出兩部云雷達(dá)之間回波強(qiáng)度確實(shí)如圖4a所示，CR_1顯著大于CR_2，同時(shí)值得注意的是，300～540 m高度范圍內(nèi)，所有CR_1的回波強(qiáng)度都超過了地面雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度，存在偏高的可能性，未來可考慮進(jìn)一步定標(biāo)修正;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)兩部云雷達(dá)回波強(qiáng)度的變化趨勢與地面雨滴譜計(jì)算回波強(qiáng)度高度一致，說明雖然云雷達(dá)回波強(qiáng)度的絕對值可能需要再調(diào)整，但能夠較好反映出云雨強(qiáng)度的時(shí)間變化趨勢。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述發(fā)現(xiàn)是否僅為個(gè)例情況。本文以雨滴譜儀觀測反演回波強(qiáng)度大于5 dBZ，且持續(xù)時(shí)間超過1 h為標(biāo)準(zhǔn)，選出降雨時(shí)段而后統(tǒng)計(jì)分析了這些時(shí)段，CR_1和CR_2在600 m高度以下各高度回波強(qiáng)度的平均值（圖5d）。需要說明的是，雖然大雨會導(dǎo)致云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度出現(xiàn)衰減，但是由于兩部云雷達(dá)相距不超過10 m，衰減作用應(yīng)為同方向和同強(qiáng)度，同時(shí)選取的是較低探測高度的幾個(gè)雷達(dá)庫，衰減作用相對較小，因此并未區(qū)分降雨強(qiáng)度。分析結(jié)果與個(gè)例相似，CR_1實(shí)測雷達(dá)數(shù)據(jù)始于60～90 m雷達(dá)庫，在120 m以下的幾個(gè)雷達(dá)庫的回波強(qiáng)度在-10 dBZ以下，且分布無規(guī)律，可能是數(shù)據(jù)處理存在問題;而在120～150 m以上雷達(dá)庫的回波強(qiáng)度在20 dBZ左右，且隨高度變化較小。CR_2數(shù)據(jù)始于270～300 m雷達(dá)庫，探測回波強(qiáng)度系統(tǒng)性小于CR_1，且呈現(xiàn)出隨高度增加而逐漸減弱的趨勢。需要特別說明的是，CR_1的數(shù)據(jù)盲區(qū)比脈沖寬度導(dǎo)致的盲區(qū)要大30 m，可能是由于30～60 m距離探測波仍處于尚未形成平行波速的菲涅爾區(qū)，而CR_2的數(shù)據(jù)盲區(qū)反而比脈沖寬度導(dǎo)致的盲區(qū)要小30 m，可能是數(shù)據(jù)存儲處理存在問題。

寶山站同址部署了微雨雷達(dá)，為驗(yàn)證垂直方向上云雷達(dá)回波的相對合理性提供了可能，此處給出云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度和微雨雷達(dá)探測回波強(qiáng)度的個(gè)例比對，驗(yàn)證CR_1和CR_2探測回波強(qiáng)度的垂直分布和時(shí)間演變特征的合理性（圖6）。可以看出，在微雨雷達(dá)（圖6c）可探測的6 km范圍內(nèi)，雖然存在細(xì)微差別，但兩類觀測儀器的回波強(qiáng)度高度分布與時(shí)間演變特征表現(xiàn)出很高的一致性。因此雖然回波強(qiáng)度絕對值的大小是否準(zhǔn)確仍需進(jìn)一步定標(biāo)分析，但CR_1（圖6a）和CR_2（圖6b）都能夠較好地反映出云雨過程中回波強(qiáng)度的相對大小和時(shí)間演變特征。

2.3.2 云頂云底高度

此處給出探空資料估算云頂、云底高度和CR_1反演云頂、云底高度的個(gè)例比對分析。圖7給出的是2019年3月24日典型云日的比較結(jié)果，圖7a給出CR_1探測回波強(qiáng)度（填色部分）和云頂高度與云底高度（紅點(diǎn)）;圖7b給出的是當(dāng)日20：00（橙色）左右探空資料觀測的相對濕度，基于探空反演出的云頂高度和云底高度分別由橫向點(diǎn)線和橫向虛點(diǎn)線給出，在圖7a也標(biāo)注出了探空資料各分鐘內(nèi)的平均高度。

進(jìn)行探空資料與云雷達(dá)探測云頂、云底高度的統(tǒng)計(jì)分析之前需要對兩者的觀測進(jìn)行配對，本文用01：15—02：00，7：15—08：00，13：15—14：00以及19：15—20：00時(shí)段的云雷達(dá)觀測與02：00、08：00、14：00和20：00左右獲得的探空資料進(jìn)行配對。共得到2019年期間的735次配對樣本。然后根據(jù)CR_1和探空資料是否有觀測到云，將樣本分為4類（1）兩者都未觀測到云（82個(gè)樣本）;（2）探空資料觀測到云但云雷達(dá)未觀測到云（296個(gè)樣本）;（3）云雷達(dá)觀測到但探空資料未觀測到云（19個(gè)樣本）;（4）兩者都觀測到云（338個(gè)樣本），共4類情況，這里主要對后三類情況進(jìn)行分析。經(jīng)對后三類情況的一一人工主觀檢測發(fā)現(xiàn)，第二類情況多為探空在近地層觀測到高相對濕度區(qū)，而云雷達(dá)探測到的回波雜亂無規(guī)律而未反演得到云層，此類情況云頂高度在2 km和5 km以下的樣本分別占到59.1％和80.1％，云底高度為0的樣本也占到26.4％。而第三類情況多為零星回波組成的薄云區(qū)，云雷達(dá)將其判別為云，而探空資料未探測出足夠厚的相對濕度區(qū)。對于第四類樣本，本文基于探空資料的判斷篩選出僅有單層云的樣本（共60次探空觀測）開展統(tǒng)計(jì)比對分析（圖8）。結(jié)果表明，云頂高度和云底高度的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.78和0.6（相應(yīng)T檢驗(yàn)顯著性水平分別達(dá)到0.01和0.05信度），具有較高的一致性。

對2019年FY-4A衛(wèi)星反演云頂高度和CR_1反演云頂高度的個(gè)例分析和統(tǒng)計(jì)比較（圖9）。圖9a給出的是2019年6月13日典型云個(gè)例的比較結(jié)果，其中FY-4A反演的云頂高度和CR_1反演云頂高度分別由紅色三角和黑色三角給出。結(jié)果表明：FY-4A和CR_1反演的云頂高度隨時(shí)間演變的變化趨勢十分一致，反映出在云雨系統(tǒng)較為顯著時(shí)，兩者都能夠探測出云的演變特征。圖9b給出的是2019年整年，共15 689個(gè)時(shí)次的比較結(jié)果，結(jié)果表明兩者的相關(guān)系數(shù)為0.46（相應(yīng)T檢驗(yàn)顯著性水平達(dá)到0.01）。

2.4 拼接縫和距離旁瓣虛假回波

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)目前國產(chǎn)云雷達(dá)因?yàn)槎嗝}沖拼接體制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)導(dǎo)致的“拼接縫”和距離旁瓣虛假回波兩類對云雷達(dá)定量化業(yè)務(wù)應(yīng)用有較大干擾的問題，距離旁瓣虛假回波是指在脈沖寬度大于30 m的探測區(qū)間，需要采用距離壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對30 m分辨率雷達(dá)庫基數(shù)據(jù)的獲取，而由于壓縮技術(shù)的不完善，會導(dǎo)致在原本沒有實(shí)測回波的雷達(dá)庫中產(chǎn)生由于壓縮技術(shù)給出的虛假回波。這里僅以2019年4月22日和2019年7月4日的兩日回波情況舉例（圖10）。可以看出，在4月22日00：00至12：00期間，在3.6～5 km左右高度連續(xù)出現(xiàn)了多段與3.6 km以下部分頂部形態(tài)類似的回波，經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通，這是由于距離脈沖壓縮方面的數(shù)據(jù)處理技術(shù)還有待改進(jìn)所導(dǎo)致。7月4日16：00—19：00在3.6 km左右出現(xiàn)了明顯的回波斷裂現(xiàn)象，這是由于3.6 km之上和之下的脈沖寬度和探測信號強(qiáng)度存在顯著差異，在多段脈沖融合生成單個(gè)回波強(qiáng)度廓線的時(shí)候，就會出現(xiàn)上下回波強(qiáng)度不連續(xù)，產(chǎn)生整個(gè)云系的回波看似由多段拼接而成的“拼接縫”問題，這會對于理解和分析云的垂直結(jié)構(gòu)帶來較為嚴(yán)重的干擾，從CR_1和CR2的兩者比較也可以看出CR_1的距離旁瓣虛假回波問題比CR_2更為嚴(yán)重。

3 討論和結(jié)論

本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)，評估分析了國產(chǎn)云雷達(dá)的探測穩(wěn)定性、探測能力和探測合理性，形成以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）CR_1和CR_2數(shù)據(jù)獲取率分別為96.0％和98.7％，且僅出現(xiàn)一次軟件故障，兩部云雷達(dá)探測穩(wěn)定性高，具有較高的業(yè)務(wù)化觀測應(yīng)用潛力。

2）CR_1最小可測回波強(qiáng)度在垂直方向呈現(xiàn)與理論相符的指數(shù)分布且在各月份差異較小，此外定標(biāo)對其影響也較小，表明CR_1弱信號探測能力穩(wěn)定性較高。降水率達(dá)到4～5 mm／h及以上時(shí)，云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度會出現(xiàn)近地面仍有很強(qiáng)回波，但探測高度銳減，在較高位置形成探測信號“空窗區(qū)”現(xiàn)象。

3）兩部云雷達(dá)探測回波強(qiáng)度存在較大差異，且差值隨高度變化無明顯規(guī)律，不同生產(chǎn)廠家和型號的云雷達(dá)尚無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定標(biāo)可能是導(dǎo)致這一差別的主要原因。與地面雨滴譜和微雨雷達(dá)的對比分析表明，云雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變特征較為合理。云雷達(dá)和探空資料反演云頂、云底高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.78和0.6，云雷達(dá)反演云頂高度與和FY-4A反演云頂高度的相關(guān)系數(shù)為0.46，具有一定的一致性。

4）兩臺云雷達(dá)都存在由于體制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)導(dǎo)致的“拼接縫”和距離旁瓣虛假回波問題，兩類問題能夠?qū)τ跇I(yè)務(wù)化觀測和理解分析云的垂直結(jié)構(gòu)帶來直觀的干擾和影響，需進(jìn)一步處理改善。

上述分析表明毫米波云雷達(dá)探測穩(wěn)定性較好，基本能夠滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行需求，探測能力也可實(shí)現(xiàn)最弱-40 dBZ以上云及弱降水云的觀測。但仍需提升其探測合理性以滿足業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求，首先需要進(jìn)一步改進(jìn)多探測模態(tài)信號融合方式和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，去除拼接縫和距離旁瓣虛假回波;其次需要實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)聯(lián)合定標(biāo)，提高多雷達(dá)之間的觀測可比性和聯(lián)合應(yīng)用能力;最后仍需結(jié)合其他多元觀測手段，充分驗(yàn)證云雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，明確其不確定性范圍，為未來在全國各省份推廣和定量化業(yè)務(wù)應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

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·ARTICLE·

Operational usage-oriented evaluation of millimeter radar observations in Shanghai

PENG Jie1，WANG Xiaofeng1，F(xiàn)U Xinshu1，LUO Shuang1，ZHANG Yanyan2，TAO Fa3，XUE Hao4，OU Jianjun5

1Shanghai Ecological Forecasting and Remote Sensing Center，Shanghai 200030，China;

2Baoshan Meteorological Service，Shanghai 200030，China;

3Meteorological Observation Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China;

4Shanghai Meteorological Information and Technology Support Centre，Shanghai 200030，China;

5Shanghai by Weather Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China

Abstract The observational stability，observational ability，and rationality of both the base data and products of the millimeter cloud radar （MCR） installed at Shanghai Meteorological Service during “The study and experiment of vertically integrated meteorological observation technology in mega-cities” （MCME） are evaluated using observations from a ground-based lidar distrometer，a micro-rain radar，a radiosonde，F(xiàn)Y-4A’s products，and a surface rain gage.The results show that the observational stability of the MCR is considerably high，with only one software failure during the MCME and a data acquisition rate greater than 95％.The minimal detectable reflectivity of the MCR is generally distributed within -40 to -20 dBZ and has an exponential distribution in the vertical direction，which fits well with the theory.The minimal detectable reflectivity of the MCR changes little （less than 2 dB for heights lower than 9 km） during the MCME.A 1 “No Cloud” region is seen in the MCR’s observation when the rain rate is larger than 4—5 mm／h.Although the raw data of the two MCRs have certain differences，the pattern of reflectivity in the time-height cross-section is highly reasonable，as indicated by comparisons between the reflectivity from the MCR’s observation，the reflectivity calculated with the lidar distrometer’s observation，and the reflectivity from the micro-rain radar’s observation.The cloud top height and cloud base height retrieved by the MCR are also evaluated by the cloud top and base height calculated by the radiosonde and the cloud top height retrieved by the FY-4A satellite，and the results show a certain degree of consistency among the three observations.The inconsistency of reflectivity caused by the merging of multiple pulses with different pulse widths used in the MCR’s base data processing and the 1 “clear sky area” caused by strong attenuation are two evident issues that may have significant impacts on the operational usage of the MCR.The paper concludes with recommendations on how to improve the current MCR in light of the requirements for the development of the Shanghai Meteorological Service.

Keywords millimeter cloud radar;observation evaluation;operational usage-oriented

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20220623001

（責(zé)任編輯：袁東敏）