X波段相控阵天气雷达对流过程观测外场试验及初步结果分析

刘黎平1 吴林林1, 2 吴翀1, 4 汪旭东3 陈晓辉3 曹俊武3 庄薇1



X波段相控阵天气雷达对流过程观测外场试验及初步结果分析

刘黎平吴林林吴翀汪旭东陈晓辉曹俊武庄薇

1中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081;2南京信息工程大学，南京210044;3安徽四创电子股份有限公司，合肥230088;4中国气象局成都高原气象研究所，成都6100072

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与安徽四创电子股份有限公司联合研发了专门用于快速观测对流过程、具有多波束观测能力的X波段相控阵天气雷达（XPAR），并利用该雷达与C波段双线偏振雷达（CPOL）于2013年4～6月在广东省江门市鹤山站进行了对比观测试验，以检验该雷达观测模式及其对快速变化的对流云演变过程的观测能力，为进一步改进雷达观测模式提供依据。本文首先介绍了XPAR的主要技术指标和观测模式，利用实测数据对比分析了三种观测模式观测的回波结构、灵敏度，并与C波段双线偏振雷达数据进行了对比，详细分析了2013年5月30日一次中尺度线状对流系统后部的单体的发展和消亡过程，讨论了XPAR分钟级数据在分析对流过程演变中的作用。结果表明：（1）XPAR三种观测模式获取的降水回波结构合理，实现了在1 min内完成一个高空间分辨率的体扫的探测功能，数据的时空分辨率远远高于现有的机械扫描雷达；（2）XPAR的精细观测模式数据揭示了单体触发、发展和演变过程，清晰给出了两次径向辐合发展过程及其与回波发展的关系，给出了新一代天气雷达和C波段双线偏振雷达不能提供的新的事实；（3）XPAR分钟级数据对进一步认识对流单体内部γ中尺度及其更小尺度系统的发展和演变有非常大的帮助。

X波段相控阵天气雷达 观测模式检验 对流单体精细结构

1 引言

强对流过程中龙卷、下击暴流、冰雹和大风等中小尺度系统尺度小，生消迅速，是产生局地气象灾害的重要原因，强对流过程中尺度结构高时空分辨率的探测对中小尺度研究、预警和预报有重要作用。现有业务运行的天气雷达如美国的160余部WSR-88D天气雷达、我国158部新一代天气雷达等雷达系统均采用了机械扫描方法，即通过改变雷达天线的方位和仰角实现对天气过程的三维扫描。这种扫描方法在保证雷达资料精度基础上最快在6 min内完成14层的扫描，这种雷达资料可以满足对大范围过程如台风、暴雨等天气探测、预警和临近预报及其雷达资料同化要求，对提高灾害性天气监测和预测水平起到了较大的作用，如美国的WSR-88D雷达系统将龙卷的预警时间从5.3 min提高到9.5 min，预警成功率从35％提高到60%，减小了45％龙卷造成的人员死亡和40％的财产损失（Simmons and Sutter，2005）。但业务运行的体积扫描模式在垂直方向的分辨率比较差，扫描周期（5～6 min）比较长，对快速变化的小尺度天气过程如龙卷、微下击暴流、中尺度涡旋的监测、识别能力有待提高。

多观测目标的相控阵天气技术可能是取代机械扫描雷达体制的候选体制之一，是当今大气探测领域的一个重要方向和热点，其灵活的波束控制及快速的扫描具有获得高时空分辨率的探测能力，可利用一部相控阵雷达同时完成气象探测、军事目标跟踪和飞机导航等任务（Weber et al., 2007）。2003年，美国将其退役的“宙斯盾”（SPY-1）雷达改装为二维相控阵天气雷达实验平台（NWRT PAR），安放于Oklahoma州的Norman市，与附近的WSR-88D多普勒天气雷达进行了大量对比观测实验（Zrnić et al., 2007；Pamela et al., 2008）。另外，美国也发展了一维相扫体制的可移式X波段相控阵天气雷达（MWR-05XP），并用于2007～2008年外场试验，观测龙卷、超级对流单体、线状回波过程等，其观测资料质量与其他雷达相当，但扫描速度远远高于WSR-88D雷达（Bluestein et al., 2010）。相控阵天气雷达快速扫描资料对理解和预警快速变化的天气过程是非常有用的，如分辨龙卷过程需要扫描周期为20～30 s的雷达资料（Rasmussen et al., 2000）。美国二维相扫的相控阵天气雷达最新的观测资料分析表明：与WSR-88D相比，该雷达能够更好和更准确探测快速变化的天气系统（Zrnić et al., 2007；Heinselman et al., 2008）。Snyder and Zhang（2003）和Zhang et al.（2004）研究表明：利用EnKF方法，同化6～8次完整的雷达资料后 才能产生比较合理的分析场，但同化时间为30～40 min，显然有点过长。Nusra and2010的研究进一步表明：比较同化15 min的6 min为周期的常规WSR-88F雷达资料和1 min为周期的相控阵天气雷达，并预报50 min，相控阵天气雷达资料对超级单体的过程描述和预报要明显优于常规多普勒雷达。另外，快速扫描资料能够减小降水估测中的降水累积误差，特别是需要高空间分辨率的降水资料情况，如城区降水估测，以提高流量估测、洪峰预报能力（Anagnostou and Krajewski，1999）。

我国也开展了相控阵天气雷达技术和应用研究。2007年，中国气象科学研究院与中国电子科技集团14所合作在军用相控阵雷达的基础上进行气象通道改造，研制了我国首部S波段一维有源相控阵天气雷达原理样机。该雷达采用32根窄边裂缝波导组成一维线阵，垂直方向的扫描体制为1个8°～12°的宽波束发射，同时4个接收通道以3.12°的窄波束接收（张志强和刘黎平，2011）。中国气象局气象探测中心牵头组织的863计划“机载气象雷达云雨探测应用系统”项目，将某军用X波段二维机载相控阵雷达改造为天气雷达，以验证新型机载雷达系统对天气目标的探测能力。2012年在机载雷达基础上改进的X波段二维相扫相控阵天气雷达也进行了地面观测，并于2013年进行了机载观测试验，为我国开展相控阵天气雷达奠定了一定的基础，但这两部雷达都是在原有的军用雷达基础上改进的，其波瓣宽度等关键参数均不能满足对对流过程精细结构探测的要求。

2009年中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与四创公司合作，开始研发专门应用于快速变化的中尺度对流系统的车载X波段相控阵天气雷达系统（XPAR），该雷达具备多种观测模式和快速扫描功能，这一设备为我国开展相控阵天气雷达在快速变化的中尺度对流系统探测中的应用提供了条件。为了初步检验该雷达观测强对流天气中小尺度结构的能力以及进一步改进其观测模式提供依据，2013年4月15日～6月15日，该雷达在广东鹤山进行外场试验，与C波段双线偏振雷达进行了同一地点的观测，以检验该雷达观测数据的可靠性以及观测数据在对流系统中尺度结构分析中的作用。

本文利用这次外场试验数据，对比XPAR不同观测模式的观测结果的一致性和灵敏度的差异，并与相同位置的C波段双线偏振雷达数据进行了对比，分析XPAR观测的回波强度和径向速度的合理性；以一次线状对流过程为例，初步研究了1 min间隔的高时空分辨率的数据在分析对流单体演变中的作用。

图1 X波段相控阵天气雷达系统（XPAR）框图

2 XPAR系统和外场试验介绍

XPAR系统框图见图1。该雷达采用了一维全数字有源相控阵体制，在垂直方向天线俯仰固 定，依靠数字波束合成技术（BDF）产生不同宽度和指向的波束，每个方位角完成类似常规雷达的垂直扫描（RHI），实现了多种波束发射和接收的功能，并由水平的机械伺服控制雷达的扫描速度，完成先垂直扫描再水平扫描的体积扫描（VRHI）观测模式。该雷达系统最大的特点在于使用了8个高度集成的16路数字阵列模块（DAM），共128个有源T/R收发组件。发射时DBF控制DAM的T/R组件产生不同幅度和相位的中频信号，并通过上变频及放大发射后在空间完成波束的合成，接收时DAM完成放大滤波、下变频及AD采样等功能，通过 光纤将IQ数据直接送至数字信号处理。与业务使用的天气雷达相比，该雷达的波束宽度更窄（≤1°），距离分辨率更高（最低37.5 m），并可以根据观测任务的需求形成宽度不同的波形，同时使用多波束多路同时接收的技术，提高了雷达的观测速度。目前，XPAR的典型扫描模式暂有三种，即警戒搜索（Guard Mode，简称GM）、精细测量（Fine Mode，简称FM）、快速观测（Quick Mode，简称QM），使用33 μs的宽脉冲发射信号，脉冲压缩比为100:1，距离库为37.5 m、75 m、150 m，在这三个模式中，径向平均对数为128，以确保观测数据的取样精度。该雷达与C波段双线偏振雷达的主要技术参数和观测模式见表1。

表1 X波段相控阵天气雷达和C波段双偏振雷达工作模式及参数

警戒搜索模式为XPAR快速搜索天气目标时采用，雷达发射的赋形波束覆盖0°～20°仰角，并以14个VCP11体扫模式仰角的1°窄波束同时接收。在该模式下雷达扫描效率最高，能在30 s完成常规雷达6 min的三维扫描，但非常宽的发射波束造成其能量不如单波束集中，探测威力有限。

精细测量模式为雷达天线水平慢速转动过程中，通过相控阵技术在1.6 s内实现1°窄波束0.5～39.5°波位的顺序垂直扫描，该VRHI扫描在水平方向和垂直方向的间隔均为1°。一般情况下，该模式使用扇区扫描的方式，主要对重要的对流区域进行顺时针扫描，完成90°方位的扫描时间为2.5 min。值得注意的是，新一代天气雷达和C波段双线偏振雷达等机械扫描雷达主要采用PPI（Plane Position Indicator）扫描方式，若想实现类似的扇区扫描有一定困难，天线转速需频繁的加减，转速 的不同使得数据的方位分辨率发生变化、独立取样数也不同，而且这种天线转速的频繁变化对雷达的稳定运行也会产生问题，降低了雷达运行的可靠性。而相控阵天气雷达由于实现了垂直扫描，可以在天线机械扫描很慢的情况下，完成不同方位的RHI扫描，扇区扫描的实现非常便捷。

快速观测模式下雷达发射1个4°展宽宽波束并同时以4个均匀分布的1°窄波束接收，在以4°俯 仰为间隔的10个波位完成扫描后可得到与精细测量分布一致的40层扫描资料，一个扫描周期的所需时间为2.5 min。在该模式下雷达扫描的精细程度高于警戒搜索而低于精细测量，扫描时间高于精细测量，能够获得最均衡的时空分辨率。

当然，根据阵列天线理论，该X波段数字阵列雷达的波束设计非常灵活，以上三种扫描模式仅作为雷达系统验证及初步调试时使用。随着外场试验的深入开展，通过不同的辐相加权方案可以产生可变展宽的收发波束，以兼顾不同距离下雷达的发射能量与扫描效率，同时更为完善的扫描策略能够获得针对性更强的垂直波位分布，以平衡不同需求下的时空分辨率。

为了检验XPAR的不同观测模式的探测能力和数据的质量，中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室和安徽四创电子股份有限公司在国家自然基金项目支持下，联合在广东省气象局江门鹤山市气象站新站（22.7°N，113.0°E，42.8 m）开展了前汛期暴雨的外场试验，为了进行相同地点的对比观测，CPOL也设置在这个地点，它们均位于广州站CINRAD/SA天气雷达的西南方向，约48 km。在2013年4月15日至6月15日期间，XPAR交替进行了多种观测模式的试验，目的是初步检验XPAR多种观测模式的工作状态，检查观测的回波结构的合理性，观测的回波强度、径向速度和速度谱宽的质量。当有重要天气时，主要采用精细模式进行扇形扫描，以快速获取中尺度对流系统的精细结构数据。CPOL和SA雷达均采用VCP21的扫描模式，其中CPOL使用64点的脉冲积累数、SA雷达为40～100点，而XPAR为128点，其观测条件基本一致。根据吴翀等（2014）的研究，XPAR各个模式经订正后的数据与CPOL的测量偏差在±1 dB以内，其数据可靠性满足天气分析的需求。XPAR获取的主要过程和采用的观测模式见表2。

表2 外场试验观测的主要个例和对应的观测模式

3 XPAR不同观测模式的对比

利用XPAR不同模式交替观测的数据，分析这些模式观测的回波结构的差异，并与CPOL和SA进行对比，以确定XPAR观测模式设计的准确性。

3.1 三种模式观测的回波结构对比

5月28日和29日，XPAR分别采用了三种观测模式进行了对比观测。其中28日为稳定性层状云混合云降水过程，29日为对流降水过程。图2给出了5月28日19:38～19:53（北京时，下同） XPAR 以不同模式观测的3.5°仰角回波强度和径向速度PPI，图3给出了沿325°方位的回波强度和径向速度的RHI（Range Height Indicator），其中精细观测的观测时段为19:38～19:41（10 min扫描360°，90°的扇区耗时约2.5 min），快速观测和警戒搜索的观测时段分别为19:47～19:49、19:52～19:53，3个PPI的观测时间最大相差15 min。从图中可以明显看到：XPAR三种模式观测的回波强度和径向速度的结构非常一致，但回波强度有一定的偏差。XPAR利用这三种模式均探测到了清晰的零度层亮带现象，零度层高度和结构非常一致；因警戒模式的回波强度的灵敏度偏低，不能观测到弱回波，观测到的回波面积明显偏小。从RHI可以看出，警戒模式因仰角分辨率比较低，对回波垂直结构的观测比较粗糙。

图2 2013年5月28日XPAR三种观测模式观测的3.5°的（a、b、c）回波强度和（d、e、f）径向速度的PPI结构。其中精细模式（FM）时间为19:38～19:41，快速观测模式（QM）时间为19:47～19:49，警戒模式（GM）观测时间为19:52～19:53。距离圈间隔为15 km，下同

图3 2013年5月28日XPAR三种观测模式观测的325°方位的（a、b、c）回波强度和（d、e、f）径向速度的RHI结构。其中精细模式（FM）时间为19:38～19:41，快速观测模式（QM）时间为19:47～19:49，警戒模式（GM）观测时间为19:52～19:53

图4、图5给出了5月29日15:21～15:36时段XPAR以三种模式观测的3.5°仰角的回波强度和径向速度的水平结构和345°方位上的垂直结构，其中FM观测时段为15:21～15:24，QM观测时段为15:30～15:32，GM观测时段为15:35～15:36。FM、QM与GM探测的强对流单位的位置、回波结构等对应比较好，在三块对流单体中出现的明显的径向辐合和中气旋的探测结构比较一致（径向速度的负值区），但FM和QM模式探测的更加清晰。回波强度、径向速度的PPI的细微结构的差别主要是观测时段的差异造成的。

从RHI结构来看（图5），FM模式对单体内径向速度的小尺度的辐合（距离60 km，高度1～5 km）、高空的出流结构（距离55～63 km，高度10 km）的探测等明显好于QM和GM。因观测时间的差别和单体的移动，这3个RHI对应的回波的位置可能有一定的差别。

图4 同图2，但为5月29日对流个例观测结果。其中FM观测时段为15:21～15:24，QM观测时段为15:30～15:32，GM观测时段为15:35～15:36

图5 同图3，但为5月29日对流个例观测结果。其中FM观测时段为15:21～15:24，QM观测时段为15:30～15:32，GM观测时段为15:35～15:36

为了解释三种模式观测的回波强度范围的不同，图6给出了经过数据分析得到的XPAR三种模式和CPOL的最小可测回波强度（灵敏度），因三种观测模式的天线增益的差别，宽波束发射分散了发射能量，使得GM模式的灵敏度最低，比FM低了近13 dB，而QM也比FM低近5 dB；虽然XPAR采用了脉冲压缩技术，但XAR的FM模式仍比CPOL的灵敏度低约3 dB，但距离分辨率提高了1.5倍。

从以上结果可以看出：XPAR三种模式观测的回波强度、径向速度的回波结构、位置比较合理；灵敏度有明显差异；精细模式可以更好分辨回波的精细结构。

图6 相控阵天气雷达三种模式及双线偏振雷达最小可测反射率因子对比

3.2 XPAR与SA和CPOL观测结果的对比

为了通过XPAR与CPOL和SA雷达观测结果的对比，分析XPAR观测数据的可靠性，图7 给出了5月21日三部雷达观测的回波强度以及XPAR和CPOL观测的径向速度的PPI对比，其中因SA雷达在不同的位置，它观测的径向速度无法与XPAR进行对比，而SA的回波强度也是经过插值处理到XPAR格点上的。对比观测结果可以看到，XPAR与其他两部雷达观测的对流降水系统的结构比较一致，而且SA观测的两条回波带的结构更加明显。XPAR强回波的衰减造成了明显的V型回波结构明显（方位0°，距离30 km），CPOL雷达观测的回波因衰减使得右上侧的回波变弱。从径向速度来看，左侧单体对应的成对的中气旋和反气旋结构（负径向速度中两块正的径向速度区，方位300°和360°，距离30 km）、两条回波带间的偏南气流（方位370°，距离15～45 km）、右侧回波的辐合带（负径向速度中两块正的径向速度区，方位30°，距离30～45 km）均表现的非常一致。因天线增益、距离分辨率等不同，观测时间也有差别，径向速度的细微结构有一定的差别。因采用了脉冲压缩，XPAR有5 km的探测盲区。

图7 2013年5月21日（a、b、c）XPAR精细观测模式与CPOL、SA雷达观测的回波强度和（d、e）XPAR、COPL观测的径向速度的PPI结构对比。XPAR、CPOL和SA的体扫开始时间分别为18:23、18:25和18:24

从方位305°垂直结构来看（图8），XPAR可以获取对流系统更清晰的垂直结构，因仰角分辨率为1°，范围可以达40°，可以得到云顶信息，特别是径向速度中单体对应的完整的径向辐合带的垂直分布（正径向速度区，距离30 km，高度2～10 km），云上端的辐散区等（正径向速度和负径向速度的极大值区，距离30～40 km，高度15 km）。XPAR观测的云体的倾斜程度与另外两部雷达的结果有差别，其主要原因可能是XPAR几乎同时获取到这个径向的垂直结构，上层和下侧的时间差不超过1.6 s，而CPOL第一层和最高层的观测时间可相差6 min，另外一个原因是因强回波的衰减形成的回波边界的弯曲。

值得注意的是：由于灾害天气国家重点实验室没有机械扫描的X波段多普勒雷达参加本次对比试验，因降雨对X波段、C波段和S波段雷达波衰减的差异，必定造成回波强度定量对比的不确定性。

通过以上个例XPAR、CPOL和SA雷达数据 的对比，可以看到：三种雷达观测的回波强度、径向速度的水平和垂直结构非常一致，XPAR观测数据拥有更高的时空分辨率，可以更好的分辨中尺度甚至更小尺度降水系统的回波结构。

图8 同图7，但为沿方位角305°的RHI

图9 XPAR以FM模式观测的2013年5月30日15:13～15:32时段对流过程发展的3.5°仰角回波强度和径向速度的PPI。时间间隔为2 min

4 X波段相控阵天气雷达监测对流单体精细结构及演变的能力分析

我们以5月30日一次对流过程的新单体的触发和发展为例，分析一次两条线状对流系统演变过程，一是北侧线状对流的消亡过程，二是南侧线状回波的发展过程，特别是在其后部发展出的一个对流单体详细的回波强度和径向速度的分钟级数据演变过程，同时探讨XPAR高时空分辨率数据在对流过程分析中的应用。

在这次观测过程中，XPAR精细观测方式采用了扇区扫描的方式（方位范围：50°～90°），67 s完成1个40层的体扫，方位和仰角的分辨率均为1°，数据的时间和空间分辨率远远高于SA和CPOL雷达。图9给出了15:13～15:32，3.5°仰角的回波强度和径向速度的PPI，因篇幅所限，给出的PPI的时间间隔为2 min（实际数据为近似1 min分辨率）。图10 给出了64°方位的回波强度和径向速度的RHI图（图9上部虚线方向）。图9和图10描述了北侧线状对流的顶端对流单体（方位64°，距离50 km）衰亡过程。从回波强度的PPI结构看，15:13开始，该对流系统为两条靠的非常近的线状对流回波，水平尺度在30 km以内，该对流系统整体向东北方向移动，开始时北侧的顶端回波比较强，然后顶端回波开始减弱，形成两个线状回波。顶端单体的发展成熟阶段伴有低层的径向辐合（PPI正的径向速度区中出现的负径向速度，距离50 km，方位64°）。从RHI图可以看出：该对流系统对应明显的风场的垂直切变。单体增强和维持时，5 km以下的中低层的辐合逐渐增强（RHI图，距离55 km，高度5 km以下），并对系统的发展起了重要的作用（15:13～15:17），最大回波强度达到55 dB，最大回波强度的高度到5 km；在这4 min以内，明显看到了径向速度辐合的变化和回波形状的变化，15:14在5 km高度上的径向速度的负值到达最小，对应的回波悬垂回波结构和回波墙结构也最明显。15:17～15:23，低层的径向辐合逐渐上移，高层的强回波中心很快消失并下移，结构逐渐变得松散，同时下部的回波强度增强，体积增大。

图10 与图9对应时段的沿64°方位的RHI，时间间隔为1 min

值得注意的是：在强回波的顶端有对应结构异常的弱回波，高度超过15 km，其回波强度结构和径向速度的大小与下端强回波非常对应，但回波强度相差30 dB，这明显是由于副瓣引入的回波干扰所致。经事后的仔细分析，XPAR长时间工作后阵面将积累较多的热量，若此时雷达处于午后的烈日下，其阵面温度可达70°C、内部DAM的工作温度高达上百度，过高的温度造成雷达固态元器件的性能出现较大的波动，部分DAM失效。根据天线理论的模拟，DAM失效对接收波束的最大副瓣和平均副瓣均影响较大，当只有一个DAM失效时，接收波束的最大副瓣由－45 dB恶化到－35 dB，而若有7个DAM失效时，接收波束的平均副瓣电平将由－45 dB恶化到－25 dB，并引入异常的副瓣回波。

下面分析后侧线状对流中后部对流单体发展过程，图11给出了15:34～15:56 间隔2 min的PPI的变化。结合图9可以看到：15:13～15:15，南侧对流单体在后部发展，在原有基础上新生成了两个单体，从而形成线状回波，长度35 km，宽度小于5 km。到15:24，后端的单体得到快速的发展，并形成了相对独立的一个单体，基本维持原地不 动，同时其他单体向东运动，位置越来越分开。从径向速度图可以看出：回波的发展始终伴随着低空辐合的存在，而且越来越强，到15:39，辐合达到最多，然后回波强度和辐合越来越弱，到15:54，辐合基本消失。

图11 同图9，只是时段为15:34～15:56

图12给出了图9对应观测时段15:13～15:33的1 min间隔的后部发展的单体的垂直结构（方位80°，沿图9内的虚线），图13给出了图11对应的时段15:34～15:56的单体的垂直结构（方位80°，沿图11的虚线）。对比回波强度和径向速度的RHI结构可以明显看到单体演变的过程：由于15:13和15:14时刻老单体形成的出流（距离35 km，低层径向速度为负的区域）的作用，15:15，在3 km高度处出发了一块新的回波（老回波的左侧），15:18，这块回波到达45 dB，强回波中心的高度处在5 km，同时，老单体逐渐消亡，到15:20新单体得到充分的发展老单体彻底消亡。15:20～15:23，这时新单体发展到6 km，与风垂直切变高度一致，回波向上发展比较缓慢，但由于强回波柱对风的阻挡作用，高空偏西气流逐渐下传，在强回波的前部逐渐形成一个辐合区（距离35 km，高度5 km），并逐步向下发展，面积越来越大，到15:24逐渐形成一个完整的单体内辐合带，在这个辐合带的作用 下，15:24～15:28，在辐合带产生的上升气流进一步促使回波进一步向高空发展，结构更加密实，后部回波得到进一步发展，辐合区逐渐移到了单体的中心，15:28辐合最强，回波方向明显后倾。15:29～15:33，随着回波高度的进一步发展，偏西风被逐渐切断，这个辐合区逐渐减弱，整个回波柱对应的径向速度全部为正值，回波柱变垂直。15:13～15:33这20 min的演变过程是单体内部辐合区从中高层向下层发展的过程，是单体从触发到发展成熟的过程。

图12 同图10，但为RHI剖面的方位角为80°（图11虚线方向），时段为15:13～15:33.

15:34～15:40，回波的阻挡作用又在前部7 km高度处形成了前部的辐合（15:38，距离4 km，高度7 km），促使回波进一步增高和变强，形成了较为明显的悬垂回波，15:40回波处在成熟期。15:41以后，由于缺少中低层的辐合和粒子下落速度作用，回波高度降低，高空的偏西风贯穿了对流单体的上部，结构松散，同时在后部又触发了一些高度比较低的回波块。

为了对比，图14给出了CPOL 6 min间隔的后部单体发生过程和演变PPI和RHI，从这些图给出了单体发展过程，但很难看到新生单体触发增强和老单体的演变的详细过程，如径向速度辐合带的发展和消亡过程。因仰角范围比较小，对流单体的顶部没有观测到。

图14 CPOL观测的3.4°仰角上的回波强度和径向速度的PPI（上两排）和沿80°的RHI（下两排）

5 初步结论

为了检验X波段相控阵天气雷达多种观测模式的探测能力，分析快速扫描数据在研究对流过程精细结构和演变的能力，本文利用X波段相控阵天气雷达和双线偏振雷达在广东省鹤山市同一地点观测的数据，对比分析了X波段相控阵天气雷达三种观测模式回波的结构差异，与C波段双线偏振雷达和SA雷达进行了对比；利用精细模式观测数据，分析了一次对流过程的中小尺度演变过程，得到如下结论：

（1）X波段相控阵天气雷达三种观测模式得到的回波的位置、水平和垂直结构比较合理，径向速度与C波段双线偏振雷达比较一致，回波强度有一定系统性偏差。X波段相控阵天气雷达实现了在1 min内完成一个40仰角层和1°方位分辨率的扇形体扫的探测功能，数据的时空分辨率远远高于现有的机械扫描雷达。这种扇形扫描方式，在常规天气雷达上实现有一定困难；

（2）X波段相控阵天气雷达三种模式的灵敏度有一定差异，4层的快速扫描模式和40层的RHI体扫模式对研究快速演变的对流过程发展非常适合，特别是对进一步研究γ中尺度及其更小尺度的演变非常有意义；

（3）X波段相控阵天气雷达分钟级数据探测到了新单体的触发、发展和老单体消亡的过程，揭示了后部发展的对流单体内部两次完整径向辐合带的产生和发展演变过程，很好解释了对流单体发展和消亡的过程；

（4）雨区对X波段雷达和C波段雷达的衰减 会影响回波强度和形状，这在分析数据时应引起足够的重视。

另外，也应该注意到，该雷达的部分资料在20°上出现了明显的旁瓣问题，造成了在强回波上部虚假的回波，这与雷达的散热系统设计缺陷有关。通过本次外场试验，雷达在后期改装调试时增加了风冷系统，有效降低了数字阵列模块的工作温度，提高了观测数据的稳定性。同时，该雷达的扫描策略仍有改进的空间，其40层仰角均匀的分布于0.5°～39.5°间，造成了低空的数据不够精细，而高空过于精细降低了扫描效率，今后将根据实际情况适时对垂直方向的波位分布进行优化，提高观测精细度和扫描效率。另外，本次外场试验没有机械扫描的X波段多普勒雷达进行同步观测，使回波强度的定量对比存在一定的不确定性。

该X波段相控阵天气雷达的天线波瓣宽度、距离压缩技术和信号处理等是专门根据气象探测的要求设计的，一些相控阵雷达控制技术继承了军用相控阵雷达的最新技术。但从扫描方式来看，目前的观测仰角的均匀分布、最高扫描仰角和观测层数的设置、RHI方位分辨率的设置等均有改进的余地，如何根据相控阵天气雷达观测特点和观测对象的时空分辨率来设置优化的观测模式，也是我们正在研究的一个课题。

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Field Experiment on Convective Precipitation by X-Band Phased-Array Radar and Preliminary Results

Liu Liping, Wu Linlin, Wu Chong, Wang Xudong, Chen Xiaohui, Cao Junwu, and Zhuang Wei

1,,100081;2,210044;3.,230088;,,610072

Developed by the State Key Laboratory of Severe Weather, the Chinese Academy of Meteorological Sciences, and Anhui Sun-Create Electronics Ltd. Co., X-band phased-array radar (XPAR) was combined with C-band polarization radar (CPOL) to observe convective precipitation in Heshan, Jiangmen district, Guangzhou, from April to June 2013. S-band operational radar (SA) data were also collected to examine the reflectivity bias of XPAR. In this study, the work modes and observation capability for convective precipitation are examined to improve the radar performances. The characteristics of XPAR and work mode are first introduced in this paper, and the precipitation structures and reflectivity sensitivities by three work modes are compared with those by CPOL and SA. XPAR data with temporal resolution of 1 min are used to analyze the genesis and evolution of convective cell that developed in the rear of a convection line on May 30, 2013. The results indicate that XPAR can capture the main characteristics of 3D structures of precipitation with the three work modes and can complete one volume scan within 1 min with higher temporal and spatial resolutions than that by CPOL and SA. Moreover, the XPAR data with fine mode can reveal the initiation and evolution of convective cells in detail, in addition to two convergence zones and their relationships with reflectivity structures, which could not be observed by CPOL and SA. Further, the XPAR data with high temporal and spatial resolutions are helpful for improving the understanding of the meso-γ and additional detailed structures in convective systems.

X-band phased-array radar, Examination of work mode, Detail structure of convective cell

1006−9895(2014)06−1079−16

P412

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13253

2013−09−02，2014−02−25收修定稿

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目2012CB417202，国家自然科学基金项目41175038，中国气象科学研究院科研团队项目

刘黎平，男，1963年出生，博士，研究员。主要从事雷达气象研究。E-mail: lpliu@cams.cma.gov.cn