X波段相控阵雷达与S波段雷达的对比分析

2021-06-23田聪聪张羽曾琳李浩文傅佩玲

广东气象 2021年3期

田聪聪，张羽，曾琳，李浩文，傅佩玲

（广州市气象台，广东广州 511430）

近年来，国内新一代多普勒气象雷达的组网及业务运行日趋完善，在台风、暴雨、冰雹等灾害性天气系统的监测预警中发挥了重要作用。新一代天气雷达是多普勒天气雷达，它不但能测量回波强度，还可以测量降水目标物的径向速度和速度谱宽。双偏振升级改造后，还可以探测到差分反射率因子ZDR、差分相移ΦDP、差分相移率KDP以及相关系数CC等偏振参数。对这些参数进行分析、反演，可以进一步识别降水粒子的形状大小、空间取向、相态分布以及降水类型等更为具体的信息［1-4］。但是新一代多普勒天气雷达采用机械控制扫描，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，当前业务上常用的VCP 21扫描模式，6 min完成14层的扫描，对于快速变化的中小尺度天气过程，如冰雹、龙卷、微下击暴流等现有雷达的体扫模式，在垂直方向的分辨率比较差，扫描周期过长，难以实现有效的监测和预警。

相控阵天气雷达是靠相位控制扫描，其波束的转换更为灵活迅速，能够在1 min左右完成一个体扫，有助于雷达在短时间内获得更高时间分辨率的探测资料数据。双偏振相控阵天气雷达既具有相控阵雷达快速扫描的特点，又拥有双偏振雷达获取天气系统丰富探测信息的优势，从而使其具备了快速获取中小尺度、快变天气系统详细信息的能力，在探测天气系统内部完整、精细的结构上具有极大的优势，同时也使得对降水粒子的形状、相态、频谱分布等微物理特征的细致分析成为可能［5-6］。为了验证新型X波段双极化相控阵雷达（XPAR-D）探测能力和数据可靠性，2017年开始，依托中国气象局超大城市综合气象观测试验，广州市气象局与珠海纳睿达科技有限公司合作，开展X波段双极化相控阵雷达观测试验。2017年底开始，第一台雷达布设完成并开始进行外场试验。本研究利用试验期间观测的一次层状云和强对流过程，分析该型雷达探测性能及数据的准确性。

1 XPAR-D系统简介

参与观测试验的XPAR-D属一维体制的相控阵雷达，具备双偏振探测功能，雷达俯仰方向采用电子扫描，水平方向采用机械扫描。雷达的主要性能指标如表1所示。天线系统采用全固态收发TR组件的设计，通过在空间进行多路能量合成而得到所需的发射功率以及在接收通道进行多路信号同相合成。一共使用了64个全固态相参收发T/R组件，在收发T/R组件的损坏率不超过10%情况下，雷达还可以正常工作，进一步提高了雷达长期运行的可靠性与稳定性。雷达还采用了固态发射机，结合非线性调频脉冲压缩技术，由100∶1的压缩比例将20μs的宽脉冲压缩为0.2μs。由于宽脉冲造成了约3 km的探测盲区，雷达采用长短脉冲相结合的方式进行补盲，兼顾最近和最远距离的探测。

表1 X波段相控阵天气雷达与S波段双偏振天气雷达性能参数对比

2 对比观测方法

为衡量XPAR-D的探测性能及数据可靠性，利用常规多普勒天气雷达采集到的数据为基准与之进行对比。常用的对比方法有直接对比法、格点对比法和对应点对比法［7-9］。直接对比法利用采集到的两部雷达的PPI数据进行直接对比，但要求两部雷达位置基本一致、采用相同的扫描方式，并且时间上基本同步。在本研究的外场试验中，广州S波段双偏振雷达（CINRAD/SAD）位于番禺南村大镇岗山顶，相控阵雷达位于广州市气象局观测场，两者相距仅3.8 km（图略），可近似认为处于同一位置。采用直接对比法对两部雷达的PPI探测结果进行分析。

2020年4月5日，受冷空气影响，广州出现了大范围层云降水天气，两部雷达都观测到了该次降水。在该次降水过程中，XPAR-D和CINRAD/SA-D都采用体扫模式，XPAR-D在90 s完成11层的PPI扫描（0.9°～20.7°）；CINRAD/SA-D采用21模式，6 min内完成9个仰角扫描（0.5°～19.5°）。为确保观测时间的一致性，两部雷达观测体扫时间均为17：48（北京时，下同）。考虑XPAR-D在4.5°仰角以下都有遮挡，选择4.5°以上仰角进行对比。

3 对比结果及分析

3.1 回波结构对比

XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一时刻观测到的回波强度如图1所示，选取的仰角分别为6.3°和6.0°，显示距离均为42 km。

图1 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）反射率因子对比

从回波强度看，XPAR-D未出现明显衰减，两部雷达观测的回波强度基本相当，介于5～35 dBz之间。在远距离处（＞30 km）XPAR-D探测的回波强度出现偏弱，这可能是由于XPAR-D波束较宽，在远距离处出现了明显的波束平滑及充塞系数的降低有关。从回波结构看，XPAR-D观测到降水回波的结构更加精细，主要是由于XPAR-D最小空间分辨率高达30 m，远高于CINRAD/SA-D 250 m的最小分辨率。从回波面积看，CINRAD/SA-D的回波基本覆盖了整个探测范围，XPAR-D探测的回波面积小于CINRAD/SA-D，XPAR-D出现了较多的缺测区域，与CINRAD/SA-D的会回波对比发现，缺测部分主要分布在强度小于10 dBz的弱回波区域。这是由于XPAR-D雷达发射功率高、天线增益等远低于CINRAD/SA-D，导致灵敏度过低，无法探测到更多的弱回波数据。

两部雷达的垂直剖面图如图2所示，从图2可以看出，相控阵雷达观测的回波结构连续性、时间一致性更好。相控阵雷达在垂直方向采用电扫描，时间延迟极低，可以在0.2 s左右完成0.9°～20.7°的无间隙的垂直扫描，避免了传统雷达由于仰角跳跃而产生的数据缺测问题，降低使用插值所带来的数据可靠性。S波段天气雷达方位和俯仰均采用机械伺服转动，在体扫时必须先完成一个360°的水平扫描再更换下一个仰角的机械扫描方式，使得其对垂直剖面结构数据延迟高达6 min，另外，为了节约扫描时间，S波段雷达还采用跳跃仰角扫描模式，只能通过插值方法来弥补观测数据缺失，这也就带来了误差，使得数据的可靠性降低。相控阵雷达不仅扫描用时短，其特有的电子扫描方式还能在几乎同一时刻完成各仰角的探测，获取时间一致性的观测数据，有利于快速变化的强对流天气系统精细垂直结构的分析与监测。

图2 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）层云降水RHI回波对比

3.2 灵敏度对比分析

灵敏度表示雷达接收微弱信号的能力。能接收到信号越微弱，则接收机的灵敏度越高，因而雷达的作用距离也就越远。灵敏度通常用最小可检测功率表示，如果信号功率低于此值表示信号将被淹没在噪声之中，不能被可靠的检测处理。灵敏度不便于直接测量，但是其在数据中反映为各距离库中能够记录到的最小反射率因子。选取同一时次两部雷达各仰角未经插值处理的反射率因子数据按5 km分段统计最小值，画出最小可测反射率因子沿距离变化的廓线图，从而反映出不同雷达灵敏度的高低。从图3可以看到，两部雷达的灵敏度都随着探测距离的增长而变大，CINRAD/SA-D灵敏度远远优于XPAR-D，在30 km处，CINRAD/SA-D的最小可测反射率因子为0 dBz左右，XPAR-D则高达11 dBz。两者差值达到11 dBz，灵敏度的差异是造成相控阵雷达弱回波的探测能力，尤其是在较远距离探测能力，显著的低于CINRAD/SA-D，这将对XPARD探测到的回波结构产生较大的影响。

图3 最小可测反射率因子随距离变化

3.3 径向速度对比

XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一时刻探测的径向速度如图4所示，选取的仰角分别为6.3°和6.0°，显示距离均为42 km，测速范围均为±27 m/s。两部雷达探测到的风场结构基本一致，零速度线基本吻合（S波段雷达由于地物滤波原因导致0速度线被滤除，径向速度图上呈现为雷达站附近空白的缺测区域）。垂直方向的风向随着高度变化，近地层为东北风，中层为东南风，高层为西南风。在270°方位角方向附近，两部雷达都探测到了风速大值区（-15至-20 m/s）。S波段雷达由于弱回波探测能力强，风场面积更大，回波更完整。

图4 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）径向速度对比

3.4 差分反射率对比

差分反射率因子（ZDR）是反映云雨气象目标特征的主要参数之一，其在定量估测降水、降水粒子相态识别等方面有着广泛应用。根据双偏振雷达理论，小雨粒子的形状较小，符合瑞利散射分布，粒子成球状，其ZDR值应接近于0。图5是XPAR-D和CINRAD/SA-D在同一时刻探测的ZDR，选取的仰角分别为6.3°和6.0°，显示距离均为42 km，XPAR-D的ZDR分布均匀，主要集中在-1到1 dB之间，部分区域超过了1 dB，符合小雨的粒子特征。CINRAD/SA-D的ZDR比XPAR-D高1 dB左右，并在近距离处受地物影响明显，数据噪声较大。

图5 XPAR-D（a）和CINRAD/SA-D（b）差分反射率对比

3.5 相关系数对比

相关系数表示单个脉冲采样体内，水平和垂直极化脉冲返回信号的相似程度，反映了降水粒子对水平和垂直偏振波的后向散射的相关性，取值范围从0到1.0。相关系数的大小与粒子的轴比、倾斜角、形状不规则性以及相态有关，但它对雷达噪声比较敏感，也容易受到地物杂波和旁瓣回波的影响。相关系数对比图如图6所示，可以看出弱降水下XPAR-D雷达的相关系数基本接近于1，近距离处，由于地物杂波等影响，出现了一些相关系数明显降低的区域，而CINRAD/SAD雷达相关系数数据质量较差，在近距离受地物影响明显，大部分相关系数都低至0.9以下。