强降水对X波段天气雷达探测能力影响分析

安徽四创电子股份有限公司 王 军 吴 雷

引言

降水、特别是强降水会使雷达电磁波产生衰减，从而引起回波资料的失真。有些雷达回波的失真在可控范围之内，对实际应用不会产生重大影响，而有些失真已超出一般用户的认知范围，会对观测、预报工作产生很大的负面影响，例如在强降水过程中参考已出现较大失真的雷达回波图对机场飞行进行指挥调度。因此，探讨降水对电磁波产生的衰减作用以及对雷达回波产生的影响，具有十分重要的意义。

1.电磁波在大气中的衰减

降水对高频段（如X波段）电磁波有很大的衰减，这一问题早在1951年已被Atlas和Banks证实[1]。为了订正这种误差, 1954年Hitschfeld和Bordan提出了对雨衰进行直接订正的方法——HB算法[2]。但是由于此算法存在不稳定性以及对雷达的校正误差过于敏感，最终未能应用于实践。虽然研究人员都认识到雨衰对雷达会产生影响，但这种影响程度到底有多大，对单部雷达的影响临界点是多少还无法进行理论上的测算。实际应用中，在雷达回波图上何时出现了雨衰影响，失真的程度有多大等问题，现在国内还无直观、科学的应用研究。

对于雷达电磁波的衰减主要有：大气温度、云、雨、冰雹几类，其中云对大气的衰减影响较小，大气温度、雨、冰雹对衰减都有较大影响，本文中仅仅就雨、和冰雹对雷达电磁波的影响进行阐述。

1.1 降雨的衰减影响

电磁波在传播过程中会被降雨所衰减，衰减程度随波长变化。降雨对几个波段的电磁波的衰减情况为(单程)[3]：

其中，λ为波长，k为衰减系数，单位dB/km，R为降水率，单位mm/h。

电磁波在雨中传播时，如果其波长远大于雨滴的直径，则降雨衰减基本是由吸收引起的；而当波长与雨滴的直径可相比拟时，则降雨衰减基本是由散射引起的，且电磁波的波长与雨滴的直径越接近衰减就越大。电磁波的波长由雷达工作频率所决定，雨滴直径由雨的大小所决定，所以降雨衰减与电磁波的频率及雨滴的大小有关。雨的衰减作用随波长的增加而迅速减小，随雨强的增大而增大，随着温度的不同而变化。对10cm 波长而言，雨的衰减影响很小，只是在雨强大到50 mm/h时,其衰减作用才和气体衰减达到同一个量级，在实际工作中可以不考虑。对5 cm 波长，当它穿过大范围中等以上雨强的雨区时衰减影响已经比较显著，而对3 cm 波长除了小范围或弱降水以外，雨的衰减影响都比较大，在大范围强降水时的衰减影响十分严重。不同波长（频率）上，电磁波在雨中衰减率的变化趋势如图1所示。

图1 不同波长电磁波在降雨时的衰减情况

降雨对电磁波的衰减作用，使雷达测得的目标反射率因子与真实的反射率因子之间有一定差异，雷达定量测量降水的精度在很大程度上受到降水对雷达回波衰减的影响，因此当用波长较短(如3cm、5cm) 的天气雷达探测强降水时, 衰减会导致雷达回波数据失去意义。

表1 3cm波长条件下降雨量、衰减、雨强的基本数值对照表

1.2 冰雹的衰减影响

冰雹也会造成雷达回波的严重衰减，对3cm波长雷达而言，在某些条件下衰减可以达到4dB/km，对5cm波长雷达同样也有较大的衰减影响。

表2 冰雹的衰减系数kh(dB/km)

2.衰减引起的回波失真

2.1 衰减引起的回波失真模拟

由于衰减，雷达所显示的降水回波将小于实际的降水区，尤其是在远离雷达一侧的降水区。为了形象地看出衰减所造成的回波失真，可对一个假设的雨区做理论计算，如图2所示。图2(a）为虚拟的雨区，呈圆形，直径8km，中心降水强度为100mm/h，向边缘均匀递减。图2(b）和2(c）分别是3cm和10cm雷达显示的回波强度分布。可以看出，10cm雷达由于衰减小，等回波强度线与等降水强度线接进一致，而3cm雷达由于衰减严重，远离雷达一侧的雨区显示不完整，使回波的范围缩小，形状也发生失真，回波的中心位置向近雷达站一侧产生偏移。

图3演示的是接近同一时刻两部位置相近的雷达对于同一雨区的回波显示情况，风暴A、B沿径向排列。由图中可以看到，3cm雷达所显示的远处B风暴（强度为50dBZ）的回波范围，由于受到近处A风暴(强度为55dBZ)强烈衰减，明显小于10cm雷达所探测到的B风暴，而到17∶40分时已经几乎探测不到。同时近处的A风暴的回波远侧，由于受其自身的衰减影响，也有严重的失真[4]。

2.2 真实环境下雨衰引起的回波失真分析

某地区有多普勒天气雷达两部，其中一部C波段双偏振多普勒天气雷达位于A处，一部X波段多普勒天气雷达位于B处，两部雷达相距45km。

下面两组图分别是2015年8月7日19点59分和2015年7月27日22点15分，两部雷达在各自位置均以2度仰角进行PPI扫描时所获取的回波图。左边为C波段雷达回波图，其中红色五角星位置是B雷达所在位置，右边为X波段雷达回波图，两部雷达均处于正常工作状态。

第一组：

该组图4中左侧的C波段雷达显示量程150km，当时B处的X波段雷达在雨区中，其西北、正西、正东和东北方向均存在雨区，尤其是东北方向存在一个宽度近30km，深度近70km的强雨区。右侧图X波段雷达显示量程75km，虽然这张图也显示了在B处周围存在强雨区，但是雨区的宽度都很窄，特别是它的东北方向，在距离雷达站20km左右的位置显示只有深度几公里的强雨区存在，和C波段雷达显示的回波图相去甚远。

第二组：

该组图5中左侧的C波段雷达和右侧的X波段雷达显示都是量程150km。从C波段雷达回波图中可以看出X波段雷达正西以及西偏南方向有近40km深度的强雨区。X波段雷达的回波图中也显示出正西位置确实有强雨区，但雨区深度只有几公里，而且在这片强雨区后面几乎没有任何回波显示。

另外，右侧回波图中X波段雷达站东偏南方向100km左右距离存在有局地强降水，该回波效果比C波段雷达更精细。从该组图可以看出，X波段雷达回波图在正西方向的强雨区后方没有任何显示，而且从C波段雷达的回波图来看该强雨区内极可能存在冰雹之类的强对流天气过程，正是由此造成X波段雷达回波大幅度衰减，削弱了雷达回波。

图2 虚拟雨区在3cm雷达和10cm雷达上的回波强度分布

图3 10cm和3cm雷达探测回波素描

图4 雷达实际探测回波对比图一

图5 雷达实际探测回波对比图二

3.总结

理论分析表明，在相同雨强条件下，3cm雷达和5cm雷达的反射率因子有一定的差异，并且这一差异随着雨强的增加而变大[5]。纵观各种资料都说明，S波段主要探测大雨、强风暴和天气预警，C波段主要探测中雨和雪，X波段主要探测小雨和雪，Ka波段主要探测云和云滴。

本文从X波段天气雷达在实际中运行遇到的问题展开了一定的分析，在分析中可以明确各种波段的雷达都会遇到雨衰问题，只是X波段更加严重而已。因此，当业务工作中遇到强降水过程时，我们还是应该多一些思考、多一份参考，最大限度保障安全。

4.结束语

最后，关于雨衰在天气雷达探测中的影响，正如在文献中所述[6]：在S波段如果不采取任何措施减小雨的影响，雷达作用距离在中等雨中也会大大下降。在更高的频段，雷达更会因降雨而性能下降。

[1]Peter Meischner.Weather Radar Principles and Advanced Applications[M].Springer Press.1 edition, 2004,337pp.

[2]Marzoug,M.and P.Amayenc.Improved range profiling algorithm of rainfall rate from a space-borne radar with a path integrated constraint[J].IEEE Trans.Geosci. Remote Sens.1994,GE-29,584–592.

[3]程明虎等.暴雨系统的多普勒雷达反演理论和方法[M].气象出版社,2004.

[4]俞小鼎等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].气象出版社,2007.

[5]张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].气象出版社,2001.

[6]Merrill I.Skolnik.雷达系统导论(第三版)[M].电子工业出版社,2007.