大天线X波段双偏振天气雷达数据质量评估

王珂清，徐 芬，周红根，孙正齐，孔维奇

(1.江苏省气候中心，南京 210041；2.南京气象科技创新研究院，南京 210041；3.中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210041；4.江苏省气象探测中心，南京 210041；5.南京恩瑞特实业有限公司，南京 210019)

0 引言

多普勒天气雷达是监测强对流天气最有效的观测设备之一。传统多普勒天气雷达一般只发射并接收单一的水平偏振电磁波，通过对接收的回波信号进行反演可获得雷达反射率因子(Z)、径向速度(Vr)及速度谱宽(Sw)3个基本参量[1]。相较于单偏振多普勒天气雷达，双偏振多普勒天气雷达可以同时发射并接收水平和垂直两个方向的偏振波，除了能获取上述3个常规参量外，还可以获得差分反射率因子(Zdr)、差分传播相位(φDP)、互相关系数(ρhυ)和差分传播相移率(KDP)等偏振参量。通过这些偏振参量可更为准确地识别降水粒子的相态与形状，从而提高强对流天气的监测预警能力[2，3]，也可为人工影响天气中增雨防雹工作提供更及时的作业指挥和效果评估[4]。从理论而言双偏振雷达能够获得更多有用的观测参量，但偏振参量的准确计算对雷达的软硬件系统提出了更高的要求。雷达在生产过程中标定方法的误差，以及雷达硬件损耗等难以避免的因素，会使雷达在实际工作中的性能与雷达出厂测试时存在一定差距。而在实际的观测过程中，如地物遮挡、系统内部及外部噪声、信号衰减等因素也可能对双偏振雷达的数据质量产生负面影响。因此，使用前对双偏振雷达数据做进一步质量评估具有十分重要的意义，不仅可以让使用者及时掌握雷达数据质量变化动态，对强天气过程做出正确判断；还可以在发现数据质量下降时，及时与雷达厂商沟通，对雷达硬件系统进行标定[5]。

江苏苏北地区由于抗旱、防雹等地方需求，是人工影响作业量最高的地区，也是龙卷等强对流天气最为高发的地区，梅汛期约有50%的龙卷发生于该地区。目前业务中使用的S波段天气雷达由于运行考核要求，最低仰角只能设为0.5°，并只能以体积扫描模式运行，较难监测低于0.5°仰角探测高度的风暴单体结构，也无法获取风暴单体精细垂直结构。且该型天气雷达空间分辨力为250 m，无法满足百米尺度诸如龙卷等小尺度对流系统的监测预警工作需求。因此为最大限度减少该地区人民群众生命和财产损失，提高龙卷等强对流天气的监测预警能力，2019年开始江苏省气象局在该地区布设X波段双偏振天气雷达网用于加密观测中小尺度强对流天气系统，目前已建成5部雷达，并于2020-2021年开展了观测试验。

文章使用标准差分析法对江苏苏北地区X波段天气雷达网的雷达数据进行质量评估，该方法在国外已有较成熟的理论基础[6]，李思腾[7]等也使用该方法对北京地区的X波段天气雷达网观测数据开展了质量评估工作，认为该方法可用于判断雷达数据波动的合理性。文章通过与盐城CINRAD/SAD天气雷达观测同一天气系统的回波结构进行比对，进而验证X波段天气雷达观测能力。

1 江苏苏北地区X波段天气雷达概况

1.1 雷达性能参数

江苏省在大风、强对流最为高发的苏北地区建设了5部X波段双偏振天气雷达，分别是盐城、阜宁、大丰、兴化和宝应5个台站，用于加密观测近地面层天气系统。该雷达网中每3部雷达均可构成平均边长约为55 km的等边(腰)三角形。该布网结构可满足多雷达风场反演技术的要求，更重要的是为后期新增雷达站点探测覆盖范围和雷达个数达最优配置提供了扩展结构。该雷达网周边还分布有盐城、淮安、泰州等S波段天气雷达，其观测范围与X波段雷达有重复覆盖区域，可为X波段雷达的观测提供对比参考。

1.2 雷达性能参数

江苏苏北地区雷达网由5部型号为YLD5-D的X波段双偏振天气雷达组成，5部雷达性能参数基本一致。与目前国内其他现有X波段天气雷达不同的是，为提高方位分辨力，该型雷达搭配了4.5 m双极化抛物面大天线，天线波束宽度达到了0.55°；发射系统采用双路全固态发射机，每路峰值功率超过200 W，最大发射脉宽可达200 μs；接收机采用双路、16位A/D设计，距离分辨力最高可达30 m；伺服系统可完成PPI，RHI，VOL、扇扫和定点等多种工作方式。

2 数据来源和评估方法

2.1 数据来源

文章选取2次对流性降水天气过程来评估江苏大口径天线X波段双偏振天气雷达数据质量：

1)2020-06-23苏北地区梅汛期1次对流性天气降水过程；

2)2021-04-30在东北冷涡和低空气旋共同影响下产生的1次雷暴大风、冰雹天气过程。

2.2 评估方法

天气雷达观测参量的标准差反映了实际天气过程中粒子谱的自然波动，因此实际观测参数的标准差应符合一定的分布范围。文章首先通过理论公式计算出反射率因子、差分反射率、互相关系数和差分传播相位4个参量标准差的理论值范围，并绘制4个参量的标准差随脉冲采样周期变化的曲线；再对雷达实际观测到的各参量数据进行标准差计算，统计出各参量标准差的频次分布，将实际标准差的统计数据与理论值进行对比，从而判断雷达参数分布是否正常。

根据雷达参量标准差理论估计计算方法，可得出江苏X波段双偏振天气雷达4个参量(差分反射率Zdr、反射率因子Z、互相关系数ρhυ、差分传播相位φdp)理论标准差与脉冲采样周期Td的关系(图1)。

图1 江苏X波段双偏振天气雷达差分反射率Zdr(a)、反射率因子Z(b)、互相关系数ρhυ(c)和差分传播相位φdp(d)的理论标准差与Td的关系

图1中假定大气湍流的范围为1～4 m·s-1，ρhv的范围为0.97～0.99，根据雷达扫描参数，脉冲采样周期Td为50 ms，计算反射率因子、差分反射率、互相关系数、差分传播相位的理论估计值分别为0.61～1.13 dB，0.13～0.44 dB，0.002～0.012，0.86°～3.0°。

雷达实际观测数据的标准差通过单根径向上一定邻域范围内的多个观测值计算得到，其具体公式如下：

3 评估结果

文章首先使用位于大丰雷达站的X波段双偏振天气雷达对2020-06-23发生在苏北盐城地区的1次降水过程观测结果进行计算分析，通过计算得到各个参量的实际观测标准差，并统计出各个参量标准差的频次分布。

由反射率因子标准差统计分布可知，反射率因子标准差在0.25～0.5 dB分布最多。根据理论值分布，以1.13 dB为阈值，反射率因子标准差小于该阈值的频次占总观测数的86.8%，说明江苏大丰天气雷达的反射率因子数据波动较小，在理论值的分布范围内，反射率因子数据较为可靠。由差分反射率标准差统计分布结果可知，差分反射率标准差在0.1～0.2 dB分布最多。根据理论值分布，以0.44 dB为阈值，差分反射率标准差小于该阈值的频次占总观测数的93.3%。说明江苏大丰天气雷达差分反射率数据的波动很小，在理论值的分布范围内，差分反射率因子数据可靠。互相关系数标准差统计分布在0.005～0.01最多。根据理论值分布，以0.012为阈值，互相关系数标准差小于该阈值的频次占总观测数的66.1%。该数据表明互相关系数存在衰减问题，这与文献[7]评估结果相似。差分传播相位标准差在0°～1°分布最多。根据理论值分布，以3°为阈值，差分传播相位标准差小于该阈值的频次占总观测数的88.02%，说明江苏大丰天气雷达差分传播相位数据的波动较小。

为考察该型天气雷达在强对流天气过程观测中数据质量的稳定性，文章选用位于宝应雷达站的X波段双偏振天气雷达对2021-04-30发生在苏北地区的1次雷暴大风并伴随冰雹的天气过程观测结果进行计算分析，结果可知，反射率因子标准差在0.25～0.5 dB分布最多。根据理论值分布，以1.13 dB为阈值，反射率因子标准差小于该阈值的频次占总观测数的85.86%，该百分比与江苏大丰天气雷达近似，反映了反射率因子数据较为可靠。由差分反射率标准差统计分布结果可知，差分反射率标准差在0.1～0.2 dB分布最多。根据理论值分布，以0.44 dB为阈值，差分反射率标准差小于该阈值的频次占总观测数的87.06%，该百分比略低于江苏大丰天气雷达，但仍反映了宝应雷达的差分反射率数据的波动较小，数据可靠[8]。互相关系数标准差统计分布在0.005～0.01最多。根据理论值分布，以0.022为阈值，互相关系数标准差小于该阈值的频次占总观测数的66.29%，同样存在衰减问题。差分传播相位标准差在0°～1°分布最多。根据理论值分布，以3°为阈值，差分传播相位标准差小于该阈值的频次占总观测数的77.0%，数据波动范围与理论值基本符合，但波动大于大丰天气雷达，原因为宝应雷达探测时，雷达波束经过了较长距离的强回波区域(冰雹区)，冰雹对散射相位差影响较大，导致差分传播相位波动较大，这与文献[7]的对比结论基本一致。

4 不同波段天气雷达的对比观测

由于目前气象部门天气雷达业务考核的要求(最低仰角0.5°)，江苏省S波段天气雷达网较难完整探测边界层以下区域，进而无法满足包括龙卷、阵风锋、下击暴流等致灾性大风的监测预警需求。江苏苏北地区X波段天气雷达网可根据观测需求开展低空探测，能有效提高低空大气探测的覆盖率，从而进一步提高极端大风天气的监测预警能力。

对比2021-04-30宝应X波段雷达和盐城S波段雷达对同一块强对流天气系统的观测结果可得，两个波段天气雷达均观测到了两个风暴单体自北向南移向宝应雷达站的完整过程。相较于S波段天气雷达，X波段雷达由于波束宽度小、库长短、探测灵敏度更高，探测到的风暴单体结构更加清晰，阵风锋弱回波结构更加明显。由于宝应雷达站正对风暴单体移向位置，相比S波段雷达更早观测到了阵风锋(18：13)，阵风锋位于风暴前沿，在反射率因子图上表现为一条弧状的窄带回波，回波强度在0～15 dBZ。S波段雷达在18：26同样观测到该阵风锋，但阵风锋弧状窄带回波特征并没有X波段雷达观测到的特征明显，说明不同波段天气雷达联合观测能够实现对低空弱回波的加密观测。但X波段天气雷达的衰减现象依然明显，最大回波强度低于S波段天气雷达约10 dBZ，衰减后的风暴单体结构有一定变形。相较以单站使用为主的S波段天气雷达，X波段天气雷达应以组网观测的方式开展联合应用。

5 结束语

文章采用标准差分析法对江苏大天线X波段双偏振天气雷达两次不同天气过程观测数据进行质量评估发现：两次天气过程中反射率因子标准差和差分反射率标准差分布结构符合理论值，观测数据较为可靠；而互相关系数标准差统计分布结果符合理论值的数据在总观测数据的占比均未超过70%，说明该数据均存在衰减问题，这是由于雷达波束经过降水区域后，会导致相关系数快速下降，互相关系数同其他雷达参量相比，对衰减和杂波有更高的敏感度，因此数据波动会相对较大；在雷暴大风并伴随有冰雹的天气过程中，由于冰雹对散射相位差影响较大，会导致差分传播相位波动较大。

更高时空分辨力的大天线X波段天气雷达为人影精准作业的需求带来了可能，后期会将该型天气雷达应用于人影作业效果评估中，以期提高人影作业效率，降低耗材成本。