机载W波段双线偏振测云雷达回波分析

高仲辉,黄兴玉,魏 鸣,范 辉,吴举秀,李 勇

(1.安徽四创电子股份有限公司,安徽合肥230088;2.南京信息工程大学遥感学院,江苏南京210044)

0 引言

由于云滴和冰晶粒子的尺度极小,在10～103μm量级(1 mm=103μm),而瑞利散射条件下,雷达截面σ与波长λ4成反比,当λ1=3 mm(W波段),λ2=10 cm(S波段)时,由σ1/σ2=(λ2/λ1)4,可得σ1=123407σ2,所以,一些厘米波雷达探测不到的云体,毫米波雷达则有较强的探测能力。在气象研究中,对云底高、云厚、云中含水量以及云内水平与垂直速度分布的探测,有着多方面的意义,云的微物理参数在数值天气预报模式、人工影响天气、气候预测以及飞机安全飞行保障等方面具有重要的作用,例如：在人工增雨方面,云初生阶段产生降水之前,对云的发展情况(包括云厚、云中含水量等各个参数)的了解,有助于估算人工增雨的潜力,选择合适的作业时机等;在气候预测方面,云在全球气候变化中扮演着重要的角色,例如云的单次反照率、红外发射率、云的高度及温度等,均将影响大气顶和地面的辐射收支。Cess(1989)比较了19种主要的GCM(全球气候模式)对云处理不同,以及云与其他过程的耦合不同,模式对气候强迫的敏感性差3倍,故地球科学委员会(CES)把云及云的反馈机制的研究作为全球气候研究中最优先考虑的领域。在各类云中,卷云由于分布最广、持续时间最长,卷云对太阳短波能反射和透过,对长波可以吸收、透过,同时本身也发射长波,故它在调节大气辐射收支方面,也即对气候影响方面有重要作用。对于全球系统的云探测,终究要靠卫星遥感来实现。大气在毫米波段存在4个频率窗区,对应的波长分别是8.6,3.2,2.14和1.36 mm,卫星可以通过这些窗区遥感云况,但作为对比检验的毫米波雷达,当前能作大功率发射的,只有8.6 mm(35 GHz)和3.2 mm(95 GHz)两个波段,其中3.2 mm波段雷达系统因波导损耗大,大气衰减强,设备体积小、重量轻,故更适合作为主动遥感设备置于飞机或卫星上进行对地观测云况(Kyosuke,2003)。

国际上,美国W波段雷达的发展始于上世纪80年代早期,80年代后期主要用于云物理和降水物理的研究中[1]。英国在20世纪90年代发展了地基94 GHz Galileo多普勒雷达和35 GHz Copernicus测云雷达,可用来反演云粒子的大小和密度[2]。1999年,德国基斯塔赫特研究中心研制了94 GHz极化雷达,可用于层状云的观测[3]。日本在2000和2003年分别研制出了95 GHz机载云廓线雷达及35 GHz多普勒雷达,用多普勒功能可以反演云中湍流及气流垂直速度的分布等情况[4];2006年,CloudSat卫星搭载了94 GHz CPR云廓线雷达,此雷达可以为研究云辐射特性提供云内液态水及冰水的垂直廓线。

国内3 mm气象雷达研制起步较晚[5],安徽四创电子股份有限公司研制的SKY云雷达是我国自主开发的94 GHz(即W波段)测云雷达。该雷达系统的研制和开发是国家863计划“机载气象雷达云雨探测系统”项目重要的研究课题之一,于2008年正式立项,2013年底成功完成了两次飞行探测试验。

1 SKY毫米波云雷达

1.1 我国SKY毫米波云雷达的主要参数

SKY云雷达以高机动性的飞机作为搭载平台,直接进入试验区域对云的分布和属性进行探测,获取云体的精细结构和云内垂直气流分布信息,以提高对云过程的探测能力,从而为我国气象探测技术的发展提供重要的技术和研究基础。同时,本课题的开展对提高我国W波段气象雷达的研制技术及相应器件的发展水平均有积极的推动作用,并将为我国星载气象雷达系统的研制提供必要的技术积累。

SKY雷达搭载平台为国产运-7飞机,雷达系统主要工作参数见表1。

表1 SKY云雷达的主要工作参数

SKY雷达采用透镜天线,利用可旋转的金属板对天线波束反射实现雷达波束扫描。

1.2 SKY毫米波云雷达的基本数据与产品

(1)雷达反射率因子

气象雷达测得的反射率因子,也称回波强度,常用Z表示,单位为d Bz。它是由雷达接收云与降水等气象目标产生的回波功率经相关的雷达气象方程反演而得到的一个仅反映目标物自身特性的物理量,它与雷达天线及发射机、接收机等参数无关。它仅取决于云与降水粒子尺度谱的情况[6]。通过它可以估测云雨中含水量及降水强度等,也可反演出云的其他微物理参数。

(2)平均径向速度

目标的平均径向速度,简称径向速度,常用Vr表示,单位为m/s。它是在气流或重力等作用下运动着的云或降水粒子群的运动速度在雷达波束方向上的速度分量。由于存在不同大小尺度的粒子谱,它们的惯性不相同,对气流的响应也不同,因此,它们在雷达波束方向上的运动分量也不同,即存在一个径向速度谱,对这个径向速度谱作加权平均就得到云或降水粒子群的平均径向速度。

对于机载雷达,为了使飞机的飞行不影响对云和降水粒子径向速度的测量,一般使雷达波束方向与飞机飞行方向垂直,不论波束作向下垂直探测或侧向对云作定向与RHI式扫描探测均如此。

(3)径向速度谱宽

径向速度谱宽是径向速度谱的标准差,单位为m/s。从上面对平均径向速度定义中可见,速度谱宽用来度量探测空间内气象粒子平均径向速度估值的离散性(即方差),在典型情况下谱宽还与风切变、湍流和噪声等有关,由于谱宽与速度联系紧密,因而研究谱宽对进一步了解风场、风场变化和降水系统的发展有一定的指导意义。

(4)退偏振比

退偏振比又称退极化比,用LDR表示,它定义为

式中,ZHH表示雷达发射水平偏振波时,遇到云或降水粒子群产生的回波中的水平偏振分量所形成的反射率因子;ZVH表示雷达发射水平偏振波时,遇到云或降水粒子群产生的回波中的垂直偏振分量所形成的反射率因子。应该指出,要产生LDR值,粒子形状与空间取向必须满足一定的条件。

2 探测资料分析

SKY雷达于2014年12月利用国产运-7飞机作为载机平台,进行了最初的2次飞行探测试验。

2.1 第一次飞行探测

运-7飞机从陕西阎良试飞中心起飞,飞行时间为2013年12月4日12～15时(北京时间),运-7飞机飞行速度为110 m/s(典型),最高飞行高度达6 375 m,云顶高约为6 000 m,12月份在该高度应为冰晶云。

本次飞行探测试验中,雷达波束为垂直向下(不扫描),探测到的基数据产品如图1所示。

图1 12月4日飞行探测试验(波束垂直向下)[左上部分为回波强度,右上为LDR,左下为径向速度,右下为谱宽;横坐标：时间(时：分：秒),纵坐标：高度(km)]

(1)回波强度

强度(dBz)图上横坐标是时间,纵坐标是高度,由于飞机在飞行中,不同时刻探测到的是不同位置云的垂直剖面。接近地面高度上的回波是地物(地杂波)。

云回波强度最大约为0 dBz,最小约为-20dBz,基本属于云的强度范围,中间可能夹有冻雨滴。

低高度上回波是地物,故其强度达30 d Bz以上,回波高度起伏,反映了地形的高度起伏。

(2)退偏振比

退偏振比(LDR)值在-14～-18 d B之间,这对于发射水平偏振波,接收水平与正交偏振波而言,由于冰晶取向随机排列,所以是合理的。地物LDR值很大,在-2～-10 d B之间,这是由于不平坦的地面产生漫反射,致使入射偏振平面与反射偏振平面内电场矢量不平行,从而能接收到平行与正交分量而产生的。

(3)平均径向速度(主要是垂直方向)

地物的垂直速度是飞机具有天向速度造成的,约为3 m/s,说明飞机有向下的天向速度。

云的垂直速度绝大部分位置在+2～+4 m/s之间,但也有出现负速度的小区,甚至同一时刻垂直剖面上,有一段高度区间内为负速度,其上下均为正速度,这是由于速度模糊或云中这些部位有雨滴降落造成的。落速向下,它们基本上与强回波区相对应,但有些强回波点上并无负速度,而是正速度,这主要是雨滴尚未降落或这些强回波点是由浓密而较小云滴构成的。

利用毫米波测云雷达,是希望能通过对云的探测而获得空气的垂直速度,那么,在纯云区应该将雷达实测的回波径向速度(它为飞机天向速度与空气垂直速度之代数和)减去该时刻飞机天向速度,从而得到空气的垂直速度,对于有降水的时间点上,还应减去降水粒子在静止大气中的落速,才能得到空气垂直速度。

(4)速度谱宽

速度谱宽(W)在0.6～0.9 m/s之间,基本与云或小雨相符。

2.2 第二次飞行探测

探测时间为2013年12月15日10～13时,波束侧向指向,以固定的仰角0°,-28°,+28°三个角度探测,或在±28°内作类似RHI的扫描(扫速为20°/s,40°/s)。

2.2.1 水平向外探测(0°固定指向)

波束以0°固定指向,探测到的基数据产品如图2所示。最大探测距离Rmax=20 km。图中纵坐标为斜距,横坐标为时间,飞机在空中以0°固定仰角探测,波束主瓣一般探测不到地物,但波束还有向下的副瓣电平,或当飞机具有横滚角使波束实际具有负仰角时,就能既探测到云,又探测到地物(在已探测到这种情况后,应该再对横滚角的影响作修正)。由于云距飞机近,波束向斜下探测时先遇到云,所以图中云的回波在下面;而地面离飞机远,故地物回波在上面,这与飞机在高空垂直向下探测时的情况是不一样的。应该注意,横坐标是时间,故每个时刻的垂直剖面代表一次斜距探测,垂直剖面下部位的回波是云,上部位是地物回波。

图2 12月15日飞行探测试验(雷达波束以侧向固定0°仰角探测)[左上部分为回波强度,右上为LDR,左下为径向速度,右下为谱宽;横坐标：时间(时：分：秒),纵坐标：距离(km)]

(1)回波强度

强度(dBz)图中下部位回波强度约为5 dBz,应属于云的回波。上部位回波强度为30 d Bz左右,故是地面回波。但地面在同一时刻的剖面上为什么会有一定厚度且出现不同色标呢?因为实际存在负仰角倾斜探测,当探测到一个山坡时就会有一定厚度,山坡上植被与山底山顶土质不同,漫反射强度不同,就会出现不同色标。为什么有的垂直剖面上会出现两段地面而中间出现无回波区呢?这是因为波束先探测到斜距稍近的高山,而远处又有一座山,因此,波束探测不到两座山之间的谷地,而使中间出现无回波区,这种情况在秦岭山区是完全可能出现的。

(2)退偏振比

云的退偏振比(LDR)值在-2～0 d B,这可以用柱状冰晶群给予解释。柱状冰晶可以用长旋转椭球近似,若柱状冰晶在空中作等概率随机取向,入射电场对有些倾斜取向的冰晶在其长轴与短轴上会形成不同的偶极矩,结果就既能获得回波的平行偏振分量,又能获得回波的正交偏振分量,从而使云产生上述的LDR值。

(3)径向速度

地物是静止的,它之所以具有径向速度(V)是因为飞机飞行时忽而稍远离地物,忽而靠近地物造成的,其中红色正速度可能是速度模糊造成的。

云回波的径向速度包括云本身随风漂移的径向分量及飞机靠近或远离高云区的径向分量这两部分叠加,其中飞机靠近或远离高云区的径向分量可以由同时刻地物的径向分量获得,这样就可较容易得到仅由风产生的径向分量。

(4)谱宽

回波的谱宽(W)是由PPP处理获得,它与径向速度谱对应。

2.2.2 斜下探测(-28°固定指向)

波束固定指向为-28°,由于纵坐标是斜距,零距离点是飞机位置,波束先探测到距雷达较近的云目标,再探测到地物。由于云与地物靠得较近,所以云比较低,本次飞机飞行高度较低(海拔约为3 300 m),探测到的基数据产品如图3所示。

(1)回波强度

图中云的回波强度在5～-15 dBz之间,前一段时间探测到的是较薄的云,云顶(离坐标原点最近处)高度除云本身外,可能还与飞机高度变化有关。11：06～11：08探测到的云变厚、变强。结合当地12月份气象特点,该云基本应由过冷水滴或冰晶组成。

地物回波强度应该较强,波束受云衰减后在30～35 d Bz之间,其中斜距较短的是遇到高山,斜距较大的是遇到山谷下面的地面,即地形高低在此图上是相反的。

(2)退偏振比

云的退偏振比(LDR)值：前一时段11：03～11：06 LDR在0～-6 dB之间,可能主要是过冷水滴、夹有冰晶组成,11：06～11：08 LDR在-6～-12 dB之间,这时云较厚,可能以冰晶为主,夹有过冷水滴。

地面的LDR值：在0～-4 dB之间,是由地表不平产生漫反射引起的。

(3)径向速度

云的径向速度：一方面有云随风移动产生的径向速度,另一方面飞机天向速度也会产生径向分量,后者通过估算后可以扣除。11：03～11：05以负速度为主,其中有红色正速度明显是速度模糊造成的。

地物的径向速度：完全由飞机航速造成的,因航速、横滚角等变化,也可能会造成速度模糊。

(4)谱宽

谱宽在0.3～0.9 m/s之间,与经验数据基本一致。

2.2.3 侧向扫描1

波束侧向扫描类似地面雷达RHI扫描,探测到的基数据产品如图4所示。纵坐标为高度,横坐标为水平距离,机载雷达波束原点为高度与斜距均为0.0 km处,最大探测距离Rmax=20.0 km,PPP取64点进行处理,飞机高度在3.3 km以上。

图4 12月15日飞行探测试验(雷达波束作侧向扫描,-28°～+28°范围内作RHI探测)[左上部分为回波强度,右上为LDR,左下为径向速度,右下为谱宽;横坐标：水平距离(km),纵坐标：高度(km)]

(1)回波强度

从图中可以看出,云回波主要在飞机高度3.3 km以下1.5 km内,在近斜距处,可能是低俯角遇弱云,在远处(约5 km外),雷达波束可照射到地面,因而出现了较强的地物回波,但在约10 km外,地物回波明显抬高,这可能是因为山顶高度增大或飞机横滚角突然变化引起的。

(2)退偏振比

图示中的退偏振比(LDR)与前面垂直探测及固定俯角探测到地物时的LDR值接近,故应属地物的LDR值。但在-5 dBz弱云区处为什么没有出现合适的云目标LDR值,而速度图、谱宽图上-5 dBz弱云区均存在对应的数据?这可能因为低高度上的云由过冷水滴组成,球形水滴引起的正交极化分量接近于零,即LDR=-∞,而-∞无色标可对应,因此呈空缺。

(3)径向速度

不论云或地物,在作RHI扫描时,波束径向上既有云移速的径向分量,又有飞机天速(上下抖动速度)的径向分量。飞行速度方向与波束基本垂直,故它不产生径向分量。图中主要是负速度,红色正速度是速度模糊造成的。

(4)谱宽

谱宽数据基本与速度对应。

2.2.4 侧向扫描2

波束侧向作类似RHI扫描,探测到的基数据产品如图5所示,坐标及探测方式与图4相同,飞行高度约为3 300 m。

图5 12月15日飞行探测试验(雷达波束作侧向扫描,-28°～+28°范围内作RHI探测)[左上部分为回波强度,右上为LDR,左下为径向速度,右下为谱宽;横坐标：水平距离(km),纵坐标：高度(km)]

(1)回波强度

图中在距飞机高度较近、强度在-15～0 dBz回波区应是云,在飞机下面2 km左右的是地物,其强度在25～15 dBz之间,强度变化是由于地表性质不同及入射角不同等引起的。

(2)退偏振比

在与云强度对应位置上只有较强回波处出现退偏振比(LDR)值为0～-2 dB,可能是过冷云滴含有冰晶造成的。地物的LDR值为0～-8 d B,地物区有空隙可能是高山阻挡及斜射引起的。

(3)径向速度

不论云或地物,在作RHI扫描时,波束径向上既有云的移速径向分量,又有飞机天速(上下抖动速度)的径向分量。图中主要是负速度,在-0.5～-1.5 m/s之间。

(4)谱宽

图中不论云或地物,谱宽均在0.3～0.6 m/s之间,这与径向速度及云或地物性质相对应。

3 结束语

我国自行研制的首部机载W波段双线偏振测云雷达,能探测到云的4个基本数据及产品,分析表明这些数据比较合理,说明该雷达总体设计是成功的。在我国西北地区12月份地面温度已较低,机载雷达所探测到1 km高度以上的云大部分应由冰晶组成,冰晶云产生的回波要比液态云滴弱,特别是退偏振比(LDR)中的正交偏振分量更为微弱,机载测云雷达能探测到这些物理量,说明该雷达有足够好的接收灵敏度。

从回波资料可以看出,机载测云雷达以雷达波束固定向下探测云的资料为最便于作合理的分析。在雷达波束作侧向探测时,以距云一定距离作平行于云的直线飞行探测较好,试验时应尽量避免因飞机转弯时存在较大横滚角而带来影响。

该雷达的研制和机载探测试验成功,将为我国研制发展星载W波段测云雷达奠定重要基础。

[1]LHERMITTE R M.Centimeter&Millimeter Wavelength Radars in Meteorology[M].Miami,FL：Lhermitte Publications,2002：389-546.

[2]HOGAN R J,ILLINGWORTH A J,SAUVAGEOT H.Measuring Crystal Size in Cirrus Using 35 and 94 GHz Radars[J].J Atmos Oceanic Technol,2000,17(1)：27-37.

[3]DANNE O,QUANTE M,MILFERSTÄDT D,et al.Relationships Between Doppler Spectral Moments Within Large-Scale Cirro-and Altostratus Cloud Fields Observed by a Ground-Based 95 GHz Cloud Radar[J].J Appl Meteor,1999,38(2)：175-189.

[4]HAMAZU K,HASHIGUCHI H,WAKAYANA T,et al.A 35 GHz Scanning Doppler Radar for Fog Observations[J].J Atmos Oceanic Technol,2003,20(7)：972-986.

[5]苏涛,高仲辉,黄兴玉.94 GHz机载测云雷达总体技术研究[J].雷达科学与技术,2013,11(6)：574-577.

[6]张培昌,戴铁丕,杜秉玉,等.雷达气象学[M].北京：气象出版社,2001：11-12.