江苏北部龙卷雷达组网探测策略

刘俊 周红根 刘新安 史朝 费启瓅

(1 江苏省泰州市气象局，泰州 225300； 2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210008； 3 江苏省气象探测中心，南京 210008； 4 南京恩瑞特实业有限公司，南京 211106； 5 成都信息工程大学，成都 610225)

*通信作者，Email：dpllyg@sina.com

引言

江苏北部是中国龙卷的高发区[1]，东邻黄海，地处长江以北，淮河中下游，境内江河湖泊水网密布，纵横交错，地域辽阔且地势低洼平坦，具有季风气候特征[2]。 2016年6月23日盐城阜宁发生历史罕见的龙卷事件，龙卷级别高达EF4级，并伴有短时强降水、雷暴、冰雹、强风等强对流天气发生，造成当地99人死亡，800多人受伤，直接经济损失49亿元[3-6]。

气象雷达作为主动遥感设备是探测、预警和评估龙卷最有效的工具，除了测量气象目标物的强度信息外，还可以获取雷达径向速度信息，在算法的支持下可识别出中小尺度的涡旋、辐合和辐散特征[7-11]。Donaldson(1970年)[12]首次利用多普勒天气雷达探测到超级单体中的“龙卷气旋”，也就是1963年由Fujita[13]提出，现在广泛使用的中气旋(Mesocyclone)。Brown等[14](1978年)利用位于美国Oklahoma州Norman城的国家强风暴实验室的多普勒天气雷达资料，发现了一个可能伴随龙卷过程的比中气旋尺度更小的多普勒雷达径向速度场涡旋特征，它们被称为龙卷式涡旋特征(Tornadic Vortex Signature，TVS)。2009—2010年，在美国开展的第2次龙卷旋转起源试验[15](Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment, VORTEX)中，快速扫描车载多普勒雷达(Rapid-Scan Doppler on Wheels，RSDOW)观测揭示了龙卷内部三维精细结构，并指出龙卷中心存在弱回波洞(Weak Echo Hole，WEH)以及有些龙卷母体及勾状回波形态竟与热带气旋形态相似[16](包含雨带和外螺旋雨带)。我国自1999年以来，新一代天气雷达(China Next Generation Radar，CINRDA)网的建设与业务运行为龙卷强天气的监测和预警提供了有利支撑[17-23]。俞小鼎[24]、郑媛媛[25]、吴芳芳[26]、周后福[27]等对发生在西风带系统下的龙卷进行个例分析，认为龙卷往往发生在中到强对流有效位能、抬升凝结高度较低和强垂直风切变环境中，雷达回波图上可探测到中气旋和龙卷涡旋特征TVS，中气旋的底高、风暴质心高度、最大反射率因子强度都低于强冰雹超级单体。郑媛媛[28]等对台风前部龙卷(简称“台前龙卷”)展开系统的分析和研究，认为台前龙卷母体风暴为微超级单体，往往发生在对流有效位能较低、强低空(0～1 km)切变环境中，其CAPE强度低于西风带龙卷，但母体风暴特征与西风带龙卷对流风暴相似，雷达图上依然存在中气旋、TVS特征。刁秀广[29]、徐学义[30]等研究非超级单体龙卷风暴，发现雷达回波图上可探测到TVS，风暴单体的迅猛发展，特别是风暴顶的迅速增高，可对龙卷预警有一定指示作用。周海光[6]利用双多普勒雷达反演技术对江苏阜宁一次强龙卷事件进行中尺度研究，证实了勾状回波区存在气旋-气旋对组成的涡度偶(Vertical Vorticity Couplet)，也称涡旋偶(Vortex Couplet)，并指出涡旋偶对龙卷形成、发展、触地具有重要作用。

遗憾的是，国内关于龙卷的观测、预报预警和研究都基于时空分辨率较低的业务雷达网，无法捕捉其精细的三维结构。而早在2006年，美国为弥补NEXRDA(Next Generation Weather Radar)低空探测不足和对大气运动信息探测的不完整，建立了CASA(Collaborative Adaptive Sensing of Atmosphere)系统[31]，利用多部X波段天气雷达组网进行协同自适应观测。国内，2013年国内首个由4部X波段雷达构成网络化雷达[32-34]和2018年阵列式天气雷达(X波段，3个子阵列)[35]开展了组网技术与观测技术方面的科学探索。但依然尚缺一张高时空分辨率的且专为龙卷等小尺度强天气观测、预报预警和研究而设计的业务雷达网。2018年起，江苏省气象局按照中国气象局统一部署，结合《江苏省气象事业发展“十三五”规划》要求，在苏北平原地区建设江苏省国家级龙卷试验基地雷达网，旨在捕捉龙卷等小尺度天气系统精细化三维结构，服务苏北区域强天气预报预警业务与科学研究。本文从龙卷雷达组网的必要性出发，重点介绍苏北龙卷雷达组网策略，旨在支撑苏北龙卷雷达网建设工作。

1 龙卷雷达组网的必要性

雷达组网类似电信发射塔一样，用许多低功率发射塔替代大面积覆盖的高功率发射塔(创建多个基本单元，每个基本单元为覆盖服务区的一部分)增加用户容量。因此，选用探测距离近、发射功率低的小雷达(如X波段)组成密集且重叠区较小的雷达网来弥补远距离探测的高功率雷达系统(S波段)的探测盲区及不足。多部小雷达形成的密集雷达网布设在业务雷达网内，可通过自适应协同观测来优化气象目标物的探测和多部雷达同时测量，获取更高时空分辨率且空间一致性较好的数据产品。

与国外网络化雷达、美国多普勒天气雷达网不同，我国业务天气雷达网每部雷达固定模式扫描。远距离探测时，业务雷达(如S波段)由于笔形波束特性和地球曲率影响，随着探测距离增加，出现远距离方位分辨率、低空探测盲区增大，从而导致探测数据空间的不一致性(如波束直径(Beam Size，bs)、最低波束高度(Minimum Beam Height，bh)、探测灵敏度(Detection Sensitivity，Zmin)。很多天气现象往往发生在近地层，尤其龙卷往往是伴随着超级单体风暴低层出现中气旋(1 km以下)才产生的[25]，因此业务雷达(如S波段)在远距离探测存在一定的局限性，亟需一张更密的龙卷雷达网提供更多低于1 km的快速、精细化资料，支撑龙卷等强对流天气监测、预报预警业务。

2 苏北龙卷雷达组网策略

2.1 苏北龙卷组网雷达性能指标

由图1可知，龙卷等强对流系统属于小尺度系统，介于热对流和雷暴对流单体之间，空间尺度一般为20 m～2 km(含热对流)，生命史为5 min～1 h。其母体风暴为β尺度对流系统、γ尺度雷暴对流单体，空间尺度为2～200 km，生命史为30 min至1 d。单部S波段业务雷达(如CINRDA/SA)，体扫时间约6 min，空间分辨率为1 km，在时间和空间上可满足龙卷母体风暴的探测。欲实现龙卷等小尺度天气系统内部结构快速化、精细化探测，低成本、窄波束、高时空分辨率、灵活快扫的X波段天气雷达组网探测可为一种很好的选择。

图1 不同尺度天气的时空分辨率

表1为苏北龙卷组网X波段雷达和S波段业务雷达主要探测性能指标对比表。可知，X波段雷达由于其体积小、技术较易实现以及采用大天线(D=4.5 m)、全固态、脉冲压缩和双偏振技术， 可实现扫描方式灵活多变、窄脉冲宽度、高增益、窄波束、高时空分辨率、探测产品丰富(偏振参量)、稳定可靠等性能指标，均优于S波段；而探测范围成为其“不足”，与S波段业务雷达相比，约2.5倍差距。波束直径、最低波束高度、探测灵敏度三者是表征雷达数据产品空间一致性的重要指标，其值随探测距离增加而增大。对于远距离探测的S波段业务雷达而言，其数据产品的空间一致性也随着探测距离增加而变差，远距离探测优势却变成了劣势，而X波段雷达在该方面的“不足”变成了优势。因此苏北龙卷雷达网采用大天线、全固态、高性能指标的X波段双偏振雷达组网，既可实现远距离探测，又可获得空间一致性较好、时空分辨率高且丰富的数据产品，较大程度上满足龙卷(空间尺度(含热对流)：20 m～2 km，时间尺度：5 min～1 h)等中小尺度系统的快速、精细探测需求。此外，X波段雷达波长较短，测速范围相对C波段雷达和S波段雷达较窄。考虑到雷达实际测量是径向风速，同时为解决X波段雷达测速范围窄的问题，在雷达设计时，需兼顾探测距离不小于50 km，可采用较高的脉冲重复频率，如采用3000 Hz，5/4双重复频率(PRF)进行测速范围的扩展，测速范围可达到±96 m/s，可满足龙卷测速范围的要求(根据增强藤田龙卷风分级，龙卷探测的最大风速需求为90 m/s)。

表1 苏北龙卷组网雷达(X波段)与业务雷达(S波段)主要性能指标对比表

2.2 苏北龙卷雷达组网拓扑结构与性能

雷达网由一个个相同或近似相同的基本单元构成，其拓扑结构本质上由雷达网内基本单元决定。图2给出雷达网基本单元的几何模型，包含同型号雷达的数量N(N=3，4，6时，雷达网基本单元则为等边三角形、正四边形、正六边型)、网距L(两部雷达之间距离)、单部雷达最大探测距离Rmax、重叠率M、夹角θs等基本参数以及重叠率M的数学计算公式。由图2可知，雷达数量N表示构成N条边的规则多边形(雷达位于顶点)，其决定了组网基本单元的几何形状，为基本单元的形状因子；十字交叉点o处，为3种几何模型外接圆的圆心点，该点到每部雷达的距离(Rmax/M)相等。中心点o到每部雷达的距离Rmax/M可称为组网基本单元的空间范围，重叠率M则是单部雷达最大探测范围和组网基本单元空间范围的比值。当重叠率M=1时，表示组网基本单元空间范围等于组网雷达探测范围(单部雷达探测范围都能延伸到基本单元中心点o)；重叠率M<1时,表示组网基本单元空间范围大于组网雷达探测范围，存在探测间隙；重叠率M>1时，表示组网基本单元空间范围小于组网雷达探测范围(单部雷达探测范围超过基本单元中心点o)；当M取∞时，各部雷达都集中在基本单元中心点，出现过度覆盖。依据重叠率M计算公式可知，重叠率M可由单部雷达最大探测距离Rmax和网距L计算求得，即组网基本单元空间覆盖情况，由单部雷达最大探测距离Rmax和组网网距L共同决定。在确定用于组网的雷达型号后，单部雷达最大探测距离Rmax为定值，则组网网距L决定着重叠率M的值，从而决定组网基本单元的空间覆盖情况，可称其为雷达网基本单元的覆盖率因子。因此雷达网基本单元形状因子雷达数量N和覆盖率因子组网网距L共同表征着雷达网的拓扑结构特性。

图2 雷达网基本单元的几何模型

波束直径bs(方位分辨率)、最低波束高度bh(探测盲区)和探测灵敏度Zmin三者均是探测距离的函数，是单部雷达远距离探测时重要性能指标，且三者只涉及雷达硬件性能，并不关心可调整的信号处理方面(如采样数、驻留时间等)。多部雷达构成的雷达网亦可延用波束直径bs、最低波束高度bh和探测灵敏度Zmin作为其性能指标比较工具，用于组网的单部雷达性能以及多部雷达构成的雷达网的性能(含组网拓扑结构)比较。

依据Papoulis(1991)[36]，给定特征量μ的空间域(μ0，μmax)，可计算其累计密度函数：

(1)

式中,fu(μ)为特征量μ的空间密度函数,其值在(0,1)之间。

假定μ=δ(δ≤μmax)，可求出从μ0至δ的累计空间密度函数值，其值为小于等于100%的百分数(当特征量μ取最大值μmax时，F(μmax)=100%)。逆向思维，已知特征量μ值的范围，可求得某特定累计空间密度函数值对应的δ值，称为特征量μ的特征值。参考国外文献，令F(μ)= 90%，可由式(1)求得μ=∂(∂<μmax)。其物理意义为：在μ的空间域内，小于等于∂占比(或权重)较大，也就是说，绝大多数μ值集中在小于等于∂的范围内，大于∂且小于等于μmax在μ的空间域内占比(或权重)较小，只占10%。因此，特征值∂能表征特征量μ全空间域(μ0，μmax)的分布特性，可作同种特征量不同空间域对比分析。不同组网拓扑结构的雷达网其性能指标(如：bs、bh、Zmin)空间域不同，将该方法延用至雷达组网性能评估中，令3个雷达性能指标(bs、bh、Zmin)分别作为特征量，在求得其空间域的基础上，利用式(1)求得累计空间密度函数值=90%下的波束直径bs特征值、最低波束高度bh特征值和探测灵敏度Zmin特征值，分别从bs、bh、Zmin3个雷达性能指标方面进行特征值差异比较，判别不同组网拓扑结构的雷达网空间探测能力和探测数据的一致性程度，从而评估其组网性能。

实际应用中，式(1)等式左边为90%，等式右边雷达性能指标(bs、bh、Zmin)的空间密度函数及其空间域可由Francesc Junyent(2009)[37]等给出的公式进行表示，从而计算出性能指标(bs、bh、Zmin)对应的特征值，公式如下：

(2)

(3)

(4)

式(2～4)为雷达网雷达性能指标(bs、bh、Zmin)概率密度函数表达式及其对应的空间域，包含重叠率M、夹角θs等参量(图2)。

基于苏北龙卷雷达组网的单部雷达性能指标(表1)，给出累计空间密度值为90%时，组网基本单元网距L分别为90 km、60 km、30 km(其中，Rmax=90 km)，几何模型分别为正三角形(N=3)、正四边形(N=4)、正六形(N=6)的拓扑结构下，依据公式(1)、(2)、(3)、(4)求得雷达网波束直径bs(方位分辨率)特征值、最低波束高度bh(探测盲区)特征值和探测灵敏度Zmin特征值(表2)。由表2可知，当组网网距L相同时，性能指标(bs、bh、Zmin)特征值均随着形状因子雷达数量N的增大而增大。当N=3(正三角)时，雷达网性能指标特征值最小：组网网距L=90 km时，波束直径bs特征值为425.5 m，最低波束高度bh特征值为118.4 m ，探测灵敏度Zmin特征值为6.1 dB；组网网距L=60 km时，波束直径bs特征值为282.0 m，最低波束高度bh特征值为52.6 m，探测灵敏度Zmin特征值为2.7 dB；组网网距L=30 km时，波束直径bs特征值为138.6 m，最低波束高度bh特征值为13.15 m ，探测灵敏度Zmin特征值为0.68 dB。当雷达数量N相同时，性能指标(bs、bh、Zmin)特征值均随着覆盖率因子组网网距L的增大而增大。组网网距L=30 km时，雷达网性能指标特征值最小。然而并非组网网距L越小越好。由重叠率M的计算公式可知，重叠率M与组网网距L成反比，过小的组网网距L(即过大的重叠率M)使雷达网基本单元内雷达探测重叠过度，造成雷达资源的浪费，极大地限制组网效益的发挥。因此，苏北龙卷雷达组网采用正三角形(N=3，L=60 km)的拓扑结构比较合适，在累计空间密度值为90%时，其波束直径bs特征值为282.0 m，最低波束高度bh特征值为52.6 m ，探测灵敏度Zmin特征值为2.7 dB。

表2 不同组网拓扑结构下雷达网性能指标对比(累计空间密度函数值为90%)

苏北龙卷雷达网组网采用X波段全固态双偏振多普勒天气雷达，与S波段雷达相比，60 km(网距L=60 km)处，波束直径bs分别为575.96 m和1047.20 m,减小了约2倍；0°仰角盲区高度(bh+bs/2)分别为499.91 m和735.53 m，降低了约1.5倍；探测灵敏度Zmin分别为-4.65 dB(80 μs脉压模式)和-7.06 dB，降低了2.4 dB。雷达波束直径对应方位分辨率，最低波束高度和波束直径的一半对应探测盲区，探测灵敏度对应弱回波探测能力，3个性能指标都与龙卷分辨有关。从空间尺度而言，60 km处575.96 m的波束直径特征值相较S波段雷达在方位分辨能力上得到一定改善，较大程度上满足20 m～20 km的龙卷空间尺度；499.91 m的0°仰角盲区高度相较S波段雷达在探测盲区上得到一定改善，能提供更多离地低于1 km、甚至100 m的雷达数据，便于连续监测中气旋、龙卷涡旋特征TVS向下触地延展。从弱回波探测能力而言，-4.65 dB探测灵敏度相较S波段雷达在探测弱回波能力方面存在较小的差距。由探测灵敏度公式可知，在保证接收机的最小可测功率差异较小时，在某特定距离处，不同波段雷达探测灵敏差异由雷达常数决定。一般而言S波段雷达雷达常数均小于X波段雷达，约70 dB左右(本文采用泰州雷达，雷达常数为69.268 dB)，苏北龙卷X波段组网雷达采用脉压技术，80 μs脉压模式下雷达常数可减小至71.29 dB(非脉冲压缩模式(0.2 μs)雷达常数为96.99 dB；美国IP1雷达(X波段)常数为85.6 dB，IP3雷达(X波段)常数为99.2 dB)，缩小了与S波段业务雷达差距，一定程度上提高了其自身弱回波探测能力。此外，由散射原理可知，X波段相较S波段雷达，小粒子分辨与探测能力更强，更有利于龙卷的探测，尤其勾状回波中弱回波区的精细化探测。值得注意的是，60 km处X波段雷达探测指标优于或接近于S波段雷达，外加其组网协同观测，便于获得空间一致性更高的探测数据，更有利于龙卷过程的分析与判识。因此，苏北龙卷雷达采用X波段雷达组网可提供更多离地低于1 km、甚至百米的高空间分辨率(径向和方位)、较好的弱回波探测能力、高空间一致性的雷达资料，便于龙卷等强对流天气的监测、预报预警。

2.3 苏北龙卷雷达网布局

表3给出1970-2006年苏北平原主要地区龙卷风的发生情况，每个统计台站都有超过10次龙卷发生的记录。可知，盐城和阜宁发生的次数最多，分别高达34次、26次，兴化、大丰次之，分别为17次、16次，宝应和高邮为12次、10次，其中2016年阜宁出现的罕见龙卷事件，龙卷级别高达EF4级。因此盐城、阜宁、大丰、宝应、高邮、兴化都为苏北龙卷易发区。

表3 苏北主要地区龙卷风统计情况(1970—2006年)

龙卷主要发生在西风带系统和台风系统天气背景下，分别称为西风带龙卷和台前龙卷。江苏苏北地区介于亚热带和暖温带的气候过渡地带，春夏季受西风带、副热带天气系统以及热带低压的共同影响，5-9月为龙卷的高发期[38]，常常出现典型的西风带龙卷和台风前部龙卷，并伴有短时强降水、冰雹、雷雨大风等天气过程。西风带系统背景下，强天气过程路径影响大致可分为2种：天气系统沿江自西向东移动并略有北抬、沿淮自西向东移动并略有南压，前者高邮处于上游，后者宝应、阜宁处于上游；台风系统背景下，强天气的过程路径大致有两种：副高脊线偏北，台风系统近海(如上海—南通交界)登陆后自南向北移动，如1810号台风“安比”，大丰、兴化处于上游；副高脊线正常或略偏南，台风系统省外(如福建)登陆后向内陆西进再转向(此时有的减弱为热带残留低压)，沿东北方向移动至盐城和连云港之间入海，苏北地区位于热带残留低压(台风倒槽)和槽后冷空气结合处，如1513号台风“苏迪罗”、1614号台风“莫兰蒂”，高邮处于上游。由上可知，阜宁、大丰、宝应、高邮、兴化地区都处于苏北平原地区系统上游。

图3为苏北龙卷雷达网布局图，可知，苏北龙卷雷达网采用“守株待兔”方式，在盐都、阜宁、大丰(盐城，龙卷易发区)和宝应、兴化(苏北平原天气系统上游兼龙卷易发区)各布设一部固定式X波段全固态双偏振多普勒天气雷达。综合在苏北平原雷达选址的各种因素，最终组网基本单元采用近似正三角形(N=3,L=45～65 km)的拓扑结构。高时空分辨率的龙卷探测雷达网由3个组网基本单元构成，近似梯形结构，镶嵌在S波段雷达业务网内(盐城、淮安、泰州雷达)。其中，阜宁站和宝应站之间网距L=46 km，阜宁站和盐都站之间网距L=50 km，宝应站和盐都站之间网距L=50 km，宝应站和兴化站之间网距L=61 km，盐都站和兴化站之间网距L=64 km，盐都站和大丰站之间网距L=55 km，兴化站和大丰站之间网距L=63 km。5部X波段全固态双线偏振多普勒天气雷达构成的雷达网位于盐城、淮安、泰州3部S波段业务雷达网中，处于其低空探测不足区域(750 m探测高度上(图略)，苏北平原地区存在较大的覆盖盲区，主要是宝应—建湖一带、阜宁以西—以北一带、大丰东南方向)，与S波段雷达业务网协同观测，实现苏北平原区域地面(0 km)至2 km高度的有效探测。然而高邮位于苏北地区强天气系统的上游，且龙卷发生次数较多、强度较大、致灾严重，如2013年7月7日高邮出现的龙卷[39]。可在江苏省国家级龙卷观测预警试验基地雷达网二期工程中进一步增加X波段雷达数量及拓宽观测范围，或增设一部受雨衰影响较小、探测距离较大、具有快速扫描能力的天气雷达布设在高邮地区，“肩负”龙卷雷达网内强天气的监视、预警的任务，如C波段相控阵天气雷达。

图3 苏北龙卷雷达网布局

3 结论

本文为支撑苏北龙卷雷达网建设工作，从龙卷雷达组网的必要性出发，重点介绍苏北龙卷雷达组网策略，初步得出以下结论：

(1)苏北龙卷雷达网拟采用大天线、全固态、高性能技术指标的X波段双偏振雷达组网，采用不同的观测模式，可获得空间一致性好、时空分辨率高且丰富的探测数据，满足龙卷等小尺度强对流天气的快速、精细化探测要求。此外，采用较高的脉冲重复频率(如脉冲重复频率3000 Hz，5/4 PRF)等进行测速范围的扩展，最大测速范围可达±96 m/s，解决X波段雷达速度模糊问题，满足探测龙卷风的要求。

(2)雷达组网拓扑结构由雷达数量N(形状因子)和组网网距L(覆盖率因子)决定。比较不同组网拓扑结构下雷达网特性时，可延用单部雷达波束直径bs、最低波束高度bh和探测灵敏度Zmin技术指标进行比较。一般而言，当雷达数量N和组网网距L较小时，雷达网性能指标(bs、bh、Zmin)较优。然而，尤其是形状因子，并非越小越好，过小会造成雷达资源的浪费，影响组网效益的发挥。

(3)经理论计算与比较，苏北龙卷雷达网可采用正三角形组网拓扑结构，取累计空间密度值90%，雷达间距为60 km时，波束直径bs特征值为282.0 m，最低波束高度bh特征值为52.6 m，探测灵敏度Zmin特征值为2.7 dB；X波段雷达网与S波段业务雷达相比，在60 km探测距离处，其波束直径减小了约2倍，0°仰角盲区高度降低了约1.5倍，探测灵敏度降低了2.4 dB。因此，在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力、数据空间一致性等方面均得到提升，可提供更多低于1 km、甚至100 m的高时空分辨率的雷达资料，便于捕捉龙卷等强对流天气。

(4) 苏北龙卷雷达网在盐都、阜宁、大丰、宝应、兴化(龙卷易发区)，各布设一部固定式X波段全固态双偏振多普勒天气雷达。综合考虑在苏北平原雷达选址的各种因素，最终雷达网基本单元拟采用近似正三角形(N=3,L=45～65 km)的拓扑结构。5部高时空分辨率的龙卷探测雷达组成3个近似正三角形的单元，镶嵌在S波段雷达业务网内(盐城、淮安、泰州雷达中间)。后续可进一步增加雷达数量及拓宽观测区域，例如在高邮等龙卷易发地区，可增补X波段天气雷达或C波段相控阵天气雷达。