郭澤勇, 周欽強(qiáng), 步志超, 陳玉寶, 杜云東

(1. 廣東省陽(yáng)江市氣象局， 陽(yáng)江 529500； 2. 廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心， 廣州 510080； 3. 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心， 北京 100081； 4. 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司， 北京 100085)

偏振雷達(dá)除了能提供常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)的回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬外，還能提供差分反射率因子(differential reflectivity,ZDR)、差分傳播相移(differential phase,ΦDP)、差分傳播相移率(specific differential phase,KDP)、退偏振因子及相關(guān)系數(shù)等參量[1-2]。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析、反演，可以判斷降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向以及降水類型等更為具體的信息。與常規(guī)單偏振雷達(dá)相比，雙偏振雷達(dá)具備兩方面的明顯優(yōu)勢(shì)，其一在于相態(tài)識(shí)別能力的增強(qiáng)[3-4]，其二在于強(qiáng)降水估測(cè)能力的提升[5]。中外相關(guān)學(xué)者對(duì)雙偏振雷達(dá)的應(yīng)用研究表明：偏振參量和非偏振參量的相態(tài)分布垂直特征與大氣風(fēng)溫濕結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系[6]；利用雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算出溫度平流、相對(duì)螺旋度、散度和垂直速度對(duì)降水系統(tǒng)有良好的指示意義[7]；采用人機(jī)交互的退速度模糊方法可以將大范圍的速度模糊現(xiàn)象準(zhǔn)確地剔除[8]；利用雙偏振雷達(dá)偏振參量的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行定量降水估測(cè)試驗(yàn)[9]，通過(guò)研究偏振量隨雨滴譜變化規(guī)律提出測(cè)雨公式的優(yōu)化改進(jìn)方案[10]。在雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量研究方面，姚曉娟等[11]研究了南京C波段雙偏振雷達(dá)相關(guān)系數(shù)識(shí)別融化層的敏感性，胡東明等[12]對(duì)廣州S波段雙偏振雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估分析，王超等[13]對(duì)佛山X波段雙偏振雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了解析和質(zhì)量控制,這些都是針對(duì)雷達(dá)后端的質(zhì)控研究。張?jiān)降萚14]、李喆等[15]和李斐斐等[16]從測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)誤差的角度對(duì)如何獲取高質(zhì)量的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入探討。

根據(jù)中國(guó)氣象雷達(dá)發(fā)展規(guī)劃，從2019年開(kāi)始，中國(guó)東部和東南沿海的關(guān)鍵區(qū)域正逐步擴(kuò)大布網(wǎng) 雙偏振雷達(dá)。目前，中國(guó)很多新一代天氣雷達(dá)正在或已經(jīng)進(jìn)行了雙偏振升級(jí)改造，雙偏振雷達(dá)將在未來(lái)業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮極大的作用，從目前已有研究可以看出，業(yè)界對(duì)于偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究大多傾向于后端對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)或產(chǎn)品的應(yīng)用分析，而對(duì)前端的標(biāo)定研究則相對(duì)匱乏，而雷達(dá)前端標(biāo)定的可靠性直接影響其應(yīng)用效益，因此雷達(dá)前端標(biāo)定數(shù)據(jù)的運(yùn)行評(píng)估不容忽視。

為保障雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，中國(guó)氣象局于2016年批復(fù)在廣州、陽(yáng)江、韶關(guān)、梅州及廈門S波段業(yè)務(wù)化雷達(dá)首次開(kāi)展雙偏振雷達(dá)前端的標(biāo)定技術(shù)試驗(yàn)，對(duì)該5部雷達(dá)機(jī)內(nèi)標(biāo)定、全鏈路標(biāo)定、接收鏈路標(biāo)定及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定等方面展開(kāi)分析，為后續(xù)雙偏振雷達(dá)升級(jí)改造、運(yùn)行評(píng)估及制定雙偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)化標(biāo)定流程提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)有利于基層臺(tái)站對(duì)雙偏振雷達(dá)開(kāi)展有針對(duì)性的維護(hù)保障。

1 標(biāo)定試驗(yàn)介紹

以中國(guó)首批業(yè)務(wù)化雙偏振雷達(dá)(廣州、陽(yáng)江、韶關(guān)、梅州及廈門)標(biāo)定技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以故障日志、雷達(dá)巡檢、雷達(dá)維護(hù)等作為判據(jù)，開(kāi)展數(shù)據(jù)的篩選和質(zhì)控剔除，建立從數(shù)據(jù)解析、預(yù)處理及統(tǒng)計(jì)分析的雙偏振雷達(dá)標(biāo)定技術(shù)評(píng)估方法，如圖1所示，對(duì)國(guó)內(nèi)首批業(yè)務(wù)布網(wǎng)的S波段雙偏振天氣雷達(dá)的雙偏振技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)分析。如圖2所示，機(jī)內(nèi)標(biāo)定和全鏈路標(biāo)定采用信號(hào)源1作為標(biāo)定信號(hào)源，不同的是機(jī)內(nèi)標(biāo)定是將測(cè)試信號(hào)經(jīng)測(cè)試通道注入接收主通道，而全鏈路標(biāo)定是將射頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)發(fā)射通道輻射出去再由接收通道接收回來(lái)；接收鏈路標(biāo)定采用太陽(yáng)作為標(biāo)定信號(hào)源，檢查整個(gè)接收鏈路，包括天線罩、天線、饋線、方位和俯仰關(guān)節(jié)等在內(nèi)的所有接收器件的穩(wěn)定性；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定采用信號(hào)源2作為標(biāo)定信號(hào)源，將連續(xù)波測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器和測(cè)試電纜后注入接收通道內(nèi)。

圖2 雙偏振雷達(dá)標(biāo)定流程Fig.2 Calibration process of dual polarimetric radar

2 標(biāo)定測(cè)試方法

2.1 機(jī)內(nèi)標(biāo)定長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估方法

測(cè)試信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后在信號(hào)處理器端可以讀取數(shù)據(jù)，所有標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄在標(biāo)定文件中。因此通過(guò)對(duì)標(biāo)定文件中系統(tǒng)標(biāo)定常數(shù)(system calibration，SYSCAL)、連續(xù)波差分反射率(continous wave differential reflectivity，CW_ZDR)、連續(xù)波差分傳播相移(continous wave differential phase，CW_ΦDP)等機(jī)內(nèi)標(biāo)定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可以反映接收系統(tǒng)穩(wěn)定度。按照《S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求：采用機(jī)內(nèi)信號(hào)源測(cè)量和檢查SYSCAL值連續(xù)24 h標(biāo)定值的變化不大于1 dB；采用機(jī)內(nèi)信號(hào)源測(cè)量和檢查水平和垂直通道的增益差(CW_ZDR)，測(cè)試信號(hào)需經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且24 h標(biāo)定值的變化不大于0.2 dB；采用機(jī)內(nèi)信號(hào)源測(cè)量和檢查水平和垂直通道的相位差(CW_ΦDP)，測(cè)試信號(hào)需經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且24 h標(biāo)定值的變化不大于3°。

2.2 全鏈路標(biāo)定評(píng)估方法

差分反射率(ZDR)的系統(tǒng)誤差主要來(lái)自雷達(dá)系統(tǒng)，由雷達(dá)硬件造成的測(cè)量誤差，精確測(cè)量ZDR的系統(tǒng)偏差，一直是天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。李斐斐等[16]研究表明，采用全鏈路法對(duì)雙通道一致性測(cè)試校準(zhǔn)，能夠最大程度減少雷達(dá)系統(tǒng)硬件引入的偏差，提高雙偏振數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是受測(cè)試條件限制，無(wú)法實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)。為了保證定量降水估計(jì)和粒子相態(tài)識(shí)別的精度，差分反射率(ZDR)的估計(jì)誤差必須控制在0.1～0.2 dB。對(duì)于小到中雨，為了保證降水估計(jì)誤差在10%以下，ZDR的估計(jì)誤差需控制在0.1 dB以內(nèi)。對(duì)于大雨，ZDR的估計(jì)誤差可以放寬到0.2 dB[17]。采用微雨滴法對(duì)5部雙偏振雷達(dá)進(jìn)行全鏈路一致性評(píng)估，其算法原理如式(1)所示：

(1)

式(1)中：θ為仰角；ZDR(0)、ZDR(θ)分別為0°和θ°下的差分反射率因子，ZDR隨著仰角的抬升逐步減小并向0靠近。微雨滴形狀十分接近于球形，此時(shí)水平和垂直通道接收的回波功率幾乎相等，統(tǒng)計(jì)意義上差分反射率因子應(yīng)為零。因此，ZDR觀測(cè)值可視為雷達(dá)系統(tǒng)性偏差[18]。同時(shí)，微雨滴法對(duì)雷達(dá)掃描的要求不高，在常規(guī)觀測(cè)時(shí)便可以對(duì)發(fā)射機(jī)、天線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、接收機(jī)等全鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，因此，它是業(yè)務(wù)雙偏振雷達(dá)ZDR系統(tǒng)偏差的監(jiān)測(cè)和標(biāo)定更為適合的方法[19]。

2.3 接收鏈路標(biāo)定評(píng)估方法

接收機(jī)主通道和信號(hào)處理器對(duì)ZDR的影響，可通過(guò)接收機(jī)雙通道一致性檢查標(biāo)校。S波段雙偏振雷達(dá)以太陽(yáng)法作為接收鏈路一致性評(píng)估的檢驗(yàn)方法。以太陽(yáng)作為信號(hào)源，在接收機(jī)端接收水平極化和垂直極化的微波信號(hào)，比較兩路信號(hào)幅度的差異，是一種離線檢查整個(gè)天饋通道和接收通道的幅度差異和穩(wěn)定性的方法，可以檢查整個(gè)接收鏈路，包括天線罩、天線、饋線、方位和俯仰關(guān)節(jié)等在內(nèi)的所有接收器件的穩(wěn)定性。5部雷達(dá)每個(gè)月做一次太陽(yáng)法，比較多次測(cè)量結(jié)果，將太陽(yáng)法標(biāo)定結(jié)果提交給評(píng)估小組，以判斷雷達(dá)接收系統(tǒng)的穩(wěn)定度。

2.4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定評(píng)估方法

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過(guò)軸承將靜態(tài)波導(dǎo)端面與動(dòng)態(tài)波導(dǎo)端面連接為一體，實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)和微波信號(hào)傳導(dǎo)，其中靜態(tài)波導(dǎo)端面與動(dòng)態(tài)波導(dǎo)端面的同軸度對(duì)微波傳導(dǎo)性能有較大影響。為評(píng)估旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來(lái)的影響并考慮其校正方法，在天線罩內(nèi)的俯仰關(guān)節(jié)之上安裝一個(gè)受控的標(biāo)定信號(hào)源，即圖2中的信號(hào)源2。該信號(hào)源可在線標(biāo)定的經(jīng)過(guò)關(guān)節(jié)、饋線和接收機(jī)的雙通道一致性，其標(biāo)定參數(shù)測(cè)試信號(hào)差分反射率(test signal differential reflectivity，TS_ZDR)和測(cè)試信號(hào)差分傳播相移(test signal differential phase，TS_ΦDP)記錄在日志文件里。為了考慮能否用矯正的方法去除旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)ZDR和ΦDP的影響，通過(guò)繪制所有仰角下TS_ZDR和TS_ΦDP隨方位角度旋轉(zhuǎn)的變化情況，對(duì)5部雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 機(jī)內(nèi)標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

根據(jù)5部雙偏振雷達(dá)技術(shù)試驗(yàn)的機(jī)內(nèi)標(biāo)定數(shù)據(jù)，分別分析SYSCAL、CW_ZDR、CW_ΦDP、噪聲系數(shù)、峰值功率等機(jī)內(nèi)標(biāo)定狀態(tài)。

以單部雷達(dá)為例，如圖3(a)所示，連續(xù)運(yùn)行9個(gè)月期間，SYSCAL值的數(shù)值比較穩(wěn)定的位于35 dB附近，CW_ZDR一直處于0.1～0.4 dB，CW_ΦDP在2月份初期有個(gè)跳變外，也穩(wěn)定分布在305°～308°。如圖3(b)所示，連續(xù)運(yùn)行9個(gè)月的峰值功率數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，2月初由于進(jìn)行雷達(dá)巡檢測(cè)試造成功率不穩(wěn)定，其他時(shí)間段水平通道峰值功率和垂直通道峰值功率數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定且具有較好一致性。從噪聲系數(shù)曲線[圖3(c)]中可以看出，雙通道的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)總體分布穩(wěn)定且具有較好一致性，但中間有較多毛刺數(shù)據(jù)，經(jīng)與臺(tái)站核實(shí)，該時(shí)間段內(nèi)，臺(tái)站周圍存在不定期的外界干擾，影響了底部噪聲和噪聲系數(shù)的在線標(biāo)定。如圖3(d)所示，機(jī)房?jī)?nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定的分布在20 ℃，發(fā)射機(jī)溫度相對(duì)穩(wěn)定的分布在40 ℃左右，天線罩溫度整體趨勢(shì)反應(yīng)比較合理，晝夜大概存在10 ℃的溫差，夏天和冬天存在20 ℃左右的溫差，這可以為接收機(jī)上移體制的溫控設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

圖3 機(jī)內(nèi)標(biāo)定Fig.3 System internal calibration

3.2 全鏈路標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

小雨情況下，5部雙偏振雷達(dá)的微雨滴樣本概率密度分布如圖4所示，雷達(dá)站點(diǎn)Z9200、Z9592、Z9662、Z9753及Z9751系統(tǒng)ZDR誤差分別為-0.38、0、0.38、0.44、-1.38dB。Reference標(biāo)出微雨滴理論ZDR偏差，除Z9592雷達(dá)滿足系統(tǒng)ZDR誤差要求(≤0.2 dB)之外[圖4(b)]，其余4部雷達(dá)誤差稍大。整體而言，相同基本反射率ZH下，Z9200、Z9622、Z9753及Z9592站點(diǎn)雷達(dá)隨著ZDR的變化其樣本數(shù)量呈現(xiàn)正態(tài)分布[圖4(a)～圖4(d)]，雖有誤差但尚在可控范圍之內(nèi)。Z9751雷達(dá)系統(tǒng)ZDR概率密度分布不滿足正態(tài)分布[圖4(e)]，達(dá)不到指標(biāo)要求。

圖4 全鏈路標(biāo)定Fig.4 Full link calibration

3.3 接收鏈路標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

5部雷達(dá)各10次太陽(yáng)法測(cè)量結(jié)果取平均，Z9200、Z9592、Z9662、Z9753及Z9751接收鏈路一致性誤差分別為：0.05、0.12、0.24、0.18、0.11 dB，整體誤差較小。這個(gè)差異值包括了天線罩、天線、饋線、接收機(jī)增益、信處的量化等的差異，該差異值越小越好。以Z9751雷達(dá)為例，每個(gè)月做一次太陽(yáng)法，檢查兩個(gè)接收通道收到的太陽(yáng)功率差異穩(wěn)定度，連續(xù)10次太陽(yáng)法標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 接收鏈路標(biāo)定Table 1 Calibration of receiving link

從Z9751雷達(dá)10次太陽(yáng)法測(cè)試結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)接收通道收到的太陽(yáng)功率差異均方差維持在0.11 dB左右，包括天線罩、天線、饋線、接收機(jī)增益、信號(hào)處理等分系統(tǒng)帶來(lái)的總偏差，均方差很小，說(shuō)明雙接收通道一致性比較穩(wěn)定。

3.4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

從圖5可以看出，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)ZDR和ΦDP的測(cè)量結(jié)果會(huì)造成一定影響，其中Z9751雷達(dá)ZDR偏差振幅多達(dá)0.2 dB，表明該雷達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)ZDR帶來(lái)的影響比其他站點(diǎn)大。Z9592雷達(dá)ZDR受到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)影響最小，變化幅度僅在0.05 dB左右，Z9200雷達(dá)ΦDP受到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)影響最小，變化幅度僅在3°左右。整體上，5部雷達(dá)ZDR偏差變化范圍基本維持在0～0.2 dB，ΦDP偏差變化范圍基本維持在0～20°，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雷達(dá)雙通道一致性的影響程度較小，但由于自身的隨機(jī)性，無(wú)法用函數(shù)擬合方法去除。這主要是由于隨著運(yùn)行時(shí)間增加機(jī)械軸承磨損，靜態(tài)波導(dǎo)端面與動(dòng)態(tài)波導(dǎo)端面同軸度在一個(gè)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引入的偏差是動(dòng)態(tài)變化的。因此，需要機(jī)外儀表長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，以保證雙偏振天氣雷達(dá)探測(cè)資料的可靠性。但必須注意的是，這個(gè)是在雷達(dá)剛運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的狀態(tài)，隨著雷達(dá)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，雙偏振雷達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造成的影響不可忽略。

圖5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標(biāo)定Fig.5 Calibration of rotary joint

4 結(jié)論

根據(jù)中國(guó)首批業(yè)務(wù)化雙偏振雷達(dá)的技術(shù)試驗(yàn)，5部雙偏振雷達(dá)標(biāo)定結(jié)果基本滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，但仍存在一些問(wèn)題。

(1)機(jī)內(nèi)標(biāo)定與接收鏈路一致性基本滿足技術(shù)要求，但部分臺(tái)站接收機(jī)受到不定期的外界電磁干擾，影響了底部噪聲和噪聲系數(shù)的在線標(biāo)定，導(dǎo)致接收主通道一致性偏差和噪聲系數(shù)的不穩(wěn)定，需進(jìn)一步凈化電磁環(huán)境。

(2)由于基層雷達(dá)臺(tái)站對(duì)全鏈路標(biāo)定缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，導(dǎo)致雷達(dá)雙偏振雷達(dá)全鏈路一致性并不理想，這對(duì)雙偏振雷達(dá)全鏈路的業(yè)務(wù)化標(biāo)定與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。

(3)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)ZDR和ΦDP的測(cè)量結(jié)果會(huì)造成一定程度影響，轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引入的偏差是動(dòng)態(tài)變化的，具有不確定性，需要注意的是，這是雙偏振雷達(dá)試驗(yàn)初期的狀態(tài)，隨著旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的磨損，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，以保證雙偏振天氣雷達(dá)探測(cè)資料的可靠性。