陳 強(qiáng) 柯 杭 賴紹鈞 陳 彥

(福建省福州市氣象局，福建 福州 350008)

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對突發(fā)性強(qiáng)災(zāi)害天氣的預(yù)報預(yù)警愈發(fā)重要，特別是大型活動對精細(xì)化的天氣預(yù)報預(yù)警提出了更高的要求。時代的發(fā)展要求氣象部門不僅要能提供精準(zhǔn)的天氣預(yù)報，還要能提供全程化、零誤差的定時、定點(diǎn)、定量的精細(xì)化氣象災(zāi)害預(yù)警。近年來，盡管天氣預(yù)報技術(shù)進(jìn)步較快，但對強(qiáng)對流天氣的預(yù)報預(yù)警仍然是短板。

為加強(qiáng)對強(qiáng)對流天氣過程的探測，提升對災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報能力，能更好地為福州市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生命財產(chǎn)安全保駕護(hù)航。當(dāng)前，福州市氣象局已經(jīng)在晉安、長樂、永泰等地區(qū)布設(shè)比較先進(jìn)的、具有超高時空分辨率的X波段相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)。X波段相控陣?yán)走_(dá)具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、探測精度高等特點(diǎn)，能有效、客觀地判別強(qiáng)對流天氣降水相態(tài)，并通過數(shù)據(jù)處理和終端顯示，為氣象專業(yè)人員第一時間掌握降水相態(tài)和強(qiáng)度提供智能數(shù)據(jù)分析處理，為各單位更加果斷、及時、有力地應(yīng)對自然災(zāi)害提供支持[1-6]。就目前X波段相控陣?yán)走_(dá)在福州市的預(yù)報實(shí)踐來看，短臨天氣預(yù)報水平得到了顯著提升，能夠有效彌補(bǔ)S波段機(jī)械雷達(dá)在這方面的不足，將兩者相互結(jié)合應(yīng)用有利于進(jìn)一步提升氣象服務(wù)能力。因此，將X波段相控陣?yán)走_(dá)與S波段機(jī)械雷達(dá)進(jìn)行對比研究顯得尤為重要。

本文以2022 年4月27日福州地區(qū)強(qiáng)降水天氣過程為例，對X波段相控陣?yán)走_(dá)和S波段機(jī)械雷達(dá)回波特征進(jìn)行對比分析，比較兩種雷達(dá)的回波特征，分析X波段相控陣?yán)走_(dá)性能和數(shù)據(jù)可靠性，為福州地區(qū)短臨天氣預(yù)報提供參考依據(jù)。

2 研究背景

2.1 X波段相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)特點(diǎn)

相控陣?yán)走_(dá)(Phased Array Radar，PAR)即相位控制電子掃描陣列雷達(dá)，配備大量個別控制的小型天線單元，它們排列成天線陣面，每個天線單元都由獨(dú)立的移相開關(guān)控制，通過控制各天線單元發(fā)射的相位，在指定方向?qū)崿F(xiàn)同相疊加合成波束。雙偏振相控陣天氣雷達(dá)既具有相控陣?yán)走_(dá)快速掃描的特點(diǎn)，又擁有雙偏振雷達(dá)獲取天氣系統(tǒng)豐富探測信息的優(yōu)勢，從而使其具備了快速獲取中小尺度、快變天氣系統(tǒng)詳細(xì)信息的能力，在探測天氣系統(tǒng)內(nèi)部完整、精細(xì)的結(jié)構(gòu)上具有極大的優(yōu)勢，同時也使其對降水粒子的形狀、相態(tài)、頻譜分布等微物理特征的細(xì)致分析成為可能。雙偏振相控陣天氣雷達(dá)不但提高了氣象部門降水估計的準(zhǔn)確性和雜波抑制能力，而且可以清晰識別空氣中大雨、冰雹、雪、雨夾雪等粒子的相態(tài)，如體積、形狀、類別，以及確認(rèn)融化層(如亮帶)，從而獲得更有效的大氣探測功能。

相控陣天氣雷達(dá)利用先進(jìn)的相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速電子掃描功能，不僅減少了天線快速轉(zhuǎn)動時波束形狀發(fā)生變化及指向不準(zhǔn)確問題，而且還提升了體掃的時間分辨率。相控陣體系中的數(shù)字波束形成技術(shù)具有掃描靈活等特點(diǎn)，可控制波束進(jìn)行任意精確指向，完成對特定方位天氣系統(tǒng)的集中重點(diǎn)掃描[7]。

2.2 福州X波段雷達(dá)建設(shè)與布局

為有效應(yīng)對日趨復(fù)雜的天氣系統(tǒng)狀況，2019年7月，福州市氣象局正式啟動福州大城市立體氣象綜合監(jiān)測網(wǎng)及預(yù)警服務(wù)能力提升工程項目建設(shè)。2020年開始，在福州市委市政府和福建省氣象局的大力支持下，開展了大量X波段相控陣?yán)走_(dá)上線的準(zhǔn)備工作。經(jīng)過數(shù)月時間實(shí)地考察、多處選址，并在充分考慮探測環(huán)境、配套設(shè)施等條件，最終選定了長樂董奉山、閩侯前山村、晉安七星坪3個雷達(dá)陣地，搭建了X波段相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)。該雷達(dá)網(wǎng)充分考慮了福州市地形地貌，基本實(shí)現(xiàn)了多部相控陣?yán)走_(dá)對共同覆蓋區(qū)域的聯(lián)合觀測，觀測范圍覆蓋了福州中心城區(qū)，實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋區(qū)域，更高的時空分辨率及矢量化的觀測結(jié)果，如圖1所示。同時，按照一定拓?fù)湟?guī)則搭建網(wǎng)絡(luò)化相控陣天氣雷達(dá)相互補(bǔ)充，有效避免強(qiáng)回波衰減的影響。網(wǎng)絡(luò)化相控陣?yán)走_(dá)天氣觀測系統(tǒng)的分布為四邊形或者三角形，相距約30 km，可以保證最大限度地穿透協(xié)同觀測中心處的任何強(qiáng)降雨云層，很好地保證對低海拔區(qū)域的有效覆蓋，并且能提供全面的三維風(fēng)場信息和提高觀測預(yù)警范圍。

圖1 福州X波段相控陣?yán)走_(dá)布局圖

3 研究方法

X波段相控陣?yán)走_(dá)要在業(yè)務(wù)中投入運(yùn)行,探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是十分必要的。為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,還要通過與其他雷達(dá)配合觀測來進(jìn)行對比。但是由于觀測條件、掃描方式及觀測位置的不同，找到合適的對比方法十分重要。為衡量X波段相控陣?yán)走_(dá)的衰減訂正后數(shù)據(jù)可靠性，以常規(guī)福州長樂S波段機(jī)械雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行對比，S波段機(jī)械雷達(dá)的優(yōu)勢在于其基本不受降雨衰減的影響，數(shù)據(jù)可作為相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行衰減訂正效果的對比驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。對比方法有直接對比法、格點(diǎn)對比法和對應(yīng)點(diǎn)對比法[8]。直接對比法是將采集到的兩部雷達(dá)的平面位置顯示器(Plan Position Indicator,PPI)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對比，但要求兩部雷達(dá)位置基本一致，采用相同的掃描方式，時間上基本同步。在本研究中，雷達(dá)的位置、掃描方式基本一致，因此本文采用直接對比法，其基本思想是通過對比兩部雷達(dá)在相控陣覆蓋范圍上的等高層面的等高平面位置顯示器(Constant Altitude Plan Position Indicator,CAPPI)數(shù)據(jù)，即從福州長樂S波段機(jī)械雷達(dá)探測范圍內(nèi)，截取出相控陣?yán)走_(dá)探測范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。本文選取圖中共同覆蓋的邊長50km的正方形為對比區(qū)域，然后采用等高層面 CAPPI 進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析[8]，如圖2所示。

圖2 S波段機(jī)械雷達(dá)(白圈)和X波段相控陣?yán)走_(dá)(紫圈)探測范圍與對比區(qū)域(藍(lán)色方框)示意圖

4 對比結(jié)果分析

4.1 雷達(dá)原始反射率分析

選取2022年4月27日4時25分強(qiáng)降水天氣過程中X波段相控陣?yán)走_(dá)反射率融合產(chǎn)品和S波段機(jī)械雷達(dá)反射率產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。由圖3可見，X波段相控陣?yán)走_(dá)反射率融合產(chǎn)品強(qiáng)度分布和S波段機(jī)械雷達(dá)基本一致，二者回波輪廓一致性較高，但X波段相控陣?yán)走_(dá)分辨率更高，且回波細(xì)節(jié)豐富度更好，更有利于突發(fā)強(qiáng)對流致災(zāi)天氣系統(tǒng)的預(yù)警預(yù)報。

(a)X波段相控陣?yán)走_(dá)反射率因子

選取2022年4月27日5時54分至6時54分兩部雷達(dá)的回波強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計分析，由于這個時間段降雨天氣系統(tǒng)正好處于多部雷達(dá)的共同覆蓋區(qū)域內(nèi)，有利于雷達(dá)回波強(qiáng)度的對比分析，圖4為該次過程的最大反射率強(qiáng)度對比圖。經(jīng)過分析,S波段機(jī)械雷達(dá)該次時間過程的最大反射率因子的該時段平均值為55.65 dBZ，標(biāo)準(zhǔn)差為1.26，X波段相控陣?yán)走_(dá)平均值為59.0 dBZ，標(biāo)準(zhǔn)差為2.61，可見X波段相控陣?yán)走_(dá)在該次過程同時間點(diǎn)上通過衰減訂正后其反射率因子高過S波段機(jī)械雷達(dá)約5 dBZ，同時X波段相控陣高分辨率反射率因子對強(qiáng)回波的細(xì)節(jié)特征靈敏度高于S波段機(jī)械雷達(dá)。

圖4 2022年4月27日5時54分至6時54分福州X波段相控陣?yán)走_(dá)與S波段機(jī)械雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)最大反射率因子對比

4.2 數(shù)據(jù)空間分辨率分析

X波段相控陣?yán)走_(dá)的距離分辨率為30 m，福州S波段機(jī)械雷達(dá)距離分辨率最高為250 m，因此在空間分辨率上X波段相控陣?yán)走_(dá)具有明顯優(yōu)勢，更有利于對中小尺度天氣系統(tǒng)，如尺度僅有幾千米的下?lián)舯┝?、局地?qiáng)降水及龍卷等的預(yù)警識別。為了更好地說明X波段相控陣?yán)走_(dá)與S波段機(jī)械雷達(dá)空間分辨率的區(qū)別，選取了2022年4月27日4時14分福州長樂X波段相控陣?yán)走_(dá)反射圖和S波段機(jī)械雷達(dá)反射圖進(jìn)行分辨率對比分析，如圖5所示。從圖中可以看出X波段相控陣?yán)走_(dá)回波反射圖清晰細(xì)膩，雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)分布較為均勻，可以觀測更加細(xì)微的回波特征，空間分辨率明顯高于S波段機(jī)械雷達(dá)。但S波段機(jī)械雷達(dá)探測距離較遠(yuǎn)，可以觀測到遠(yuǎn)距離的回波，有助于強(qiáng)對流天氣的提前預(yù)報預(yù)警，爭取到預(yù)報的提前量。另外，從圖中可以看出，由于X波段相控陣?yán)走_(dá)波長較短，對于強(qiáng)降雨的回波衰減較為明顯，因此在強(qiáng)天氣的預(yù)報中需要用兩種雷達(dá)進(jìn)行綜合分析。

(a)X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)反射率產(chǎn)品

4.3 小時累計降雨量分析

受鋒面系統(tǒng)的影響，2022年4月26日午后至27日上午，福州出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨過程，全市普降中到大雨，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨到大暴雨，1小時降雨極值65.1mm，3小時降雨極值為116.7mm。以此次強(qiáng)降水過程為例，對比福州市小時降雨實(shí)況數(shù)據(jù)與X波段相控陣?yán)走_(dá)和S波段機(jī)械雷達(dá)小時累計降雨量(圖6)。從圖中可以看出，S波段機(jī)械雷達(dá)可以清楚地反映閩侯中部的暴雨、閩侯和福州市區(qū)交界的小值區(qū)，但對小值區(qū)上方的雨量計算結(jié)果比實(shí)況大；X波段相控陣?yán)走_(dá)預(yù)測值則明顯偏小，特別是閩侯中部的暴雨，偏小了40mm。但分析定量降水估計，從圖中可以看出X波段相控陣?yán)走_(dá)能準(zhǔn)確反映出在閩侯中部60～70mm/h的雨強(qiáng)，與實(shí)況接近[圖6(c)]。因此，在強(qiáng)降水天氣過程中，小時累計降雨量預(yù)測S波段機(jī)械雷達(dá)算法更占優(yōu)勢，定量降水估計預(yù)測X波段相控陣?yán)走_(dá)占優(yōu)勢，在強(qiáng)降雨過程中需進(jìn)行綜合分析，以便更好地做好強(qiáng)降水天氣過程的預(yù)報預(yù)警。

(a)S波段機(jī)械雷達(dá)小時累計降雨量

5 結(jié)論

①X波段相控陣?yán)走_(dá)反射率融合產(chǎn)品強(qiáng)度分布和S波段機(jī)械雷達(dá)基本一致，但X波段相控陣?yán)走_(dá)分辨率更高，回波細(xì)節(jié)豐富度更好，更有利于突發(fā)強(qiáng)對流致災(zāi)天氣系統(tǒng)的預(yù)警預(yù)報。

②X波段相控陣?yán)走_(dá)回波反射率清晰細(xì)膩，雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)分布較為均勻，可以觀測更加細(xì)微的回波特征，空間分辨率明顯高于S波段機(jī)械雷達(dá)。但S波段機(jī)械雷達(dá)探測距離較遠(yuǎn)，可以觀測到遠(yuǎn)距離的回波，有助于強(qiáng)對流天氣的提前預(yù)報預(yù)警，爭取到預(yù)報的提前量。另外，由于X波段相控陣?yán)走_(dá)波長短，對于強(qiáng)降雨的回波，其衰減較為明顯，因此在強(qiáng)對流天氣的預(yù)報中，需進(jìn)行綜合分析。

③強(qiáng)降水天氣過程中，S波段機(jī)械雷達(dá)小時累計降雨量預(yù)測更占優(yōu)勢，X波段相控陣?yán)走_(dá)定量降水估計占優(yōu)勢。因此，如遇到強(qiáng)降水天氣，需對二者進(jìn)行綜合分析，以便能更好地做好強(qiáng)降水天氣過程的預(yù)報預(yù)警。