張羽，吳少峰，李浩文，胡東明，黃輝，傅佩玲，田聰聰

(1. 廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430；2. 廣東省氣象臺，廣東 廣州 510641；3. 廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

1 引 言

將相控陣技術(shù)應(yīng)用于天氣雷達(dá)探測可大幅提高探測數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率，使雷達(dá)體掃描時(shí)間從6 min縮短至1 min內(nèi)，大大提高龍卷、超級單體等災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力[1-4]。另外，在相控陣天線上實(shí)現(xiàn)雙偏振技術(shù)，可進(jìn)一步獲取差分反射率ZDR、差分相移率KDP、相關(guān)系數(shù)CC 等偏振參數(shù)信息，有利于識別降水粒子的形狀、相態(tài)、滴譜分布等微物理特征演變[5]。自2002年美國國家雷達(dá)技術(shù)委員會推薦相控陣技術(shù)為下一代天氣雷達(dá)發(fā)展的方向后，美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)聯(lián)合多家科研機(jī)構(gòu)對退役的宙斯盾(SPY-1)二維相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行氣象探測改造，建立國家相控陣天氣雷達(dá)試驗(yàn)平臺，并開展與WSR-88D 雷達(dá)的對比觀測試驗(yàn)。觀測試驗(yàn)表明，具備快速掃描能力的相控陣天氣雷達(dá)能夠更快更準(zhǔn)確地獲取強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的詳細(xì)信息，對于龍卷等強(qiáng)對流天氣過程的監(jiān)測預(yù)警能力明顯提升[6]。為進(jìn)一步探索相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用價(jià)值，2006年美國開始著手建立一維相掃體制的可移動式的X 波段相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)(MWR-05XP)用于強(qiáng)對流風(fēng)暴觀測。該雷達(dá)技術(shù)體制上采用垂直電掃與水平機(jī)械掃描相結(jié)合方式，2007—2008年進(jìn)行了外場試驗(yàn)，多次成功觀測龍卷、超級對流單體、颮線、冰雹等強(qiáng)對流天氣過程，結(jié)果表明，其觀測資料質(zhì)量與多普勒天氣雷達(dá)相當(dāng)，但掃描速度遠(yuǎn)高于WSR-88D 雷達(dá)，可清楚展現(xiàn)中尺度氣旋、龍卷渦旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征[7-8]。在我國，受成本等因素影響，早期相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)主要用于軍事和航天等領(lǐng)域。近年來，為緊追國際氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展前沿，也開展了相控陣技術(shù)向天氣探測領(lǐng)域轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究工作，并逐步開展觀測試驗(yàn)。2007年，中國氣象科學(xué)研究院與電子集團(tuán)公司14 研究所等單位合作，攻克了軍用相控陣?yán)走_(dá)向天氣雷達(dá)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，研制出了一部S 波段相控陣天氣雷達(dá)原理樣機(jī)，觀測試驗(yàn)證明相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)具備可行性[9]；2009年，中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與四創(chuàng)電子股份有限公司合作研制垂直方向電掃描、水平方向機(jī)械掃描的車載X 波段相控陣天氣雷達(dá)，專門應(yīng)用于快速變化的中尺度對流系統(tǒng)的觀測試驗(yàn)[10]。2017年中國氣象局氣象探測技術(shù)中心聯(lián)合湖南宜通華盛科技有限公司研發(fā)了由多個(gè)相控陣收發(fā)子陣組成的陣列天氣雷達(dá)[11]，廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司研發(fā)了具備雙偏振探測能力的X波段相控陣?yán)走_(dá)。

2017年開始，依托中國氣象局超大城市綜合氣象觀測試驗(yàn)，廣州市氣象局與廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司合作，首次開展了X 波段相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)觀測試驗(yàn)，該雷達(dá)系統(tǒng)在相控陣的基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了雙偏振功能，使其既具有相控陣?yán)走_(dá)快速掃描的優(yōu)勢，又擁有雙偏振雷達(dá)獲取天氣系統(tǒng)豐富探測信息的能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了相控陣?yán)走_(dá)的探測能力[12-13]。對于新的雷達(dá)觀測設(shè)備，確保雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是開展數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要前提，國內(nèi)外許多專家學(xué)者先后開展了雙偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)控研究，吳林林等[14]通過對車載C 波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)控分析，認(rèn)為信噪比SNR 大于18 dB 時(shí)偏振參數(shù)ZDR才可信，并利用KDP參數(shù)對ZDR的衰減和部分遮擋進(jìn)行訂正。杜牧云等[15-16]從降水回波與偏差參數(shù)的一致性，系統(tǒng)初始相位的穩(wěn)定性等方面對C 波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析；陳超等[17]對廣州S波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析，認(rèn)為天線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對偏振量有明顯的影響，基于微雨滴法對ZDR進(jìn)行系統(tǒng)訂正；吳翀等[18]開展了S波段相控陣天氣雷達(dá)與多普勒天氣雷達(dá)的定量對比分析，提出了針對不同地理位置不同分辨率的雷達(dá)反射率因子匹配方法和觀測資料的定量對比方法；劉俊等[19]通過分析相控陣氣象雷達(dá)和X波段機(jī)械式天線氣象雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)對比，檢驗(yàn)相控陣氣象雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的可靠性；劉黎平等[20]開展了X 波段相控陣?yán)走_(dá)的測試定標(biāo)和外場觀測試驗(yàn)，以提高雷達(dá)探測數(shù)據(jù)質(zhì)量和探測能力。

X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)在國內(nèi)的觀測應(yīng)用還處于起步階段，尚未開展相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，本文在雷達(dá)衰減訂正的基礎(chǔ)上，利用S 波段業(yè)務(wù)雷達(dá)和地面二維雨滴譜對該型雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量開展分析評估，為未來國內(nèi)X 波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)布網(wǎng)建設(shè)、科學(xué)試驗(yàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考。

2 XPPAARR--DD雷達(dá)簡介

廣州市氣象局布設(shè)的X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)由廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司生產(chǎn)，屬一維掃描相控陣?yán)走_(dá)，其在垂直方向采用相控陣掃描體制，方位上采用機(jī)械掃描體制。天線系統(tǒng)采用全固態(tài)收發(fā)T/R 組件的設(shè)計(jì)，一共使用了 64個(gè)全固態(tài)相參收發(fā)T/R 組件。天線長1.3 m，寬0.7 m。天線峰值功率為256 W。水平波束寬度3.6 °，垂直波束寬度1.8 °。雷達(dá)探測距離大于42 km，最小距離分辨率為30 m。雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)，結(jié)合非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)，由100：1的壓縮比例將20 μs的寬脈沖壓縮為0.2 μs。由于寬脈沖造成了約3 km 的探測盲區(qū)，雷達(dá)采用長短脈沖相結(jié)合的方式來進(jìn)行補(bǔ)盲，兼顧最近和最遠(yuǎn)距離的探測。雷達(dá)主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 X 波段相控陣?yán)走_(dá)主要性能參數(shù)

3 XXPPAA--DD數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 XPA-D衰減訂正方法介紹

雷達(dá)信號的衰減問題是影響雷達(dá)探測能力的重要因素，尤其是X 波段雷達(dá)，在強(qiáng)回波時(shí)受衰減影響明顯，引起較大的觀測誤差。單偏振體制的雷達(dá)衰減訂正方法是根據(jù)衰減與降水關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，利用實(shí)際降水量的大小去調(diào)整反射率因子值，再反推衰減大小。但是由于Z-R關(guān)系本身的不穩(wěn)定性會帶來較大的誤差，因此這種方法是極不穩(wěn)定的。對于雙偏振雷達(dá)，其衰減可通過偏振參數(shù)差分相移率KDP來進(jìn)行訂正，KDP不受雷達(dá)定標(biāo)、雨滴譜分布、雨區(qū)衰減以及波束充塞等影響。此外，X波段雷達(dá)由于波長更短，KDP產(chǎn)品對降水粒子具有更高的敏感性，散射模擬表明X 波段雷達(dá)KDP分布是C 波段、S 波段雷達(dá)的1.5 倍和3.0倍。

雙偏振雷達(dá)KDP與反射率因子ZH、差分反射因子ZDR存在一一對應(yīng)的訂正關(guān)系，在雨區(qū)中，衰減率AH，差分衰減率ADP(ADP=AH-AV，AH、AV分別為水平與垂直偏振波在降水區(qū)中的衰減率)能夠線性表示為：

同時(shí)考慮到，在小雨?duì)顩r下，KDP值比較小，往往會有較大的誤差波動，從而對衰減訂正，估測降水誤差產(chǎn)生不可低估的影響，所以相控陣天氣雷達(dá)采用ZH-KDP聯(lián)合衰減訂正法進(jìn)行訂正[21]，訂正關(guān)系式為：

當(dāng)KDP＞σ1或者KDP＞σ2時(shí)，采用ZH方法對AH、ADP進(jìn)行訂正，系數(shù)α、β、γ和d都取固定值；當(dāng)KDP≥σ1且KDP≤σ2時(shí)，采用KDP法對ZH進(jìn)行衰減訂正，此時(shí)采用自適應(yīng)約束訂正方法擬合獲取a1和a2系數(shù)值，避免將系數(shù)設(shè)定為經(jīng)驗(yàn)固定值的弊端，能夠更加準(zhǔn)確進(jìn)行衰減訂正[22]。

圖1為采用該算法對XPAR-D的ZH和ZDR進(jìn)行衰減訂正前后的對比圖，從圖1a中可見，原始觀測的反射率因子受衰減影響明顯，尤其是在強(qiáng)回波的后側(cè)，ZH隨距離的增加而減小。圖1c 為訂正后的反射率因子，可看出回波明顯得到增強(qiáng)，最大反射率由訂正前的45～50 dBZ 增加到訂正后的50～55 dBZ，遠(yuǎn)距離處強(qiáng)回波后側(cè)的反射率也得到明顯增強(qiáng)。圖1b 為原始觀測的ZDR，受衰減影響，出現(xiàn)了較多的負(fù)值，根據(jù)雙偏振理論，雷達(dá)波束穿過雨區(qū)時(shí)一般應(yīng)為正值。圖1d為衰減訂正后的ZDR，可明顯看出大片的負(fù)值區(qū)已經(jīng)得到訂正。對于弱回波區(qū)域，ZDR接近于0，對于強(qiáng)回波區(qū)域，ZDR增加明顯，與ZH具有較好的對應(yīng)關(guān)系。另外，在ZDR圖的東南方向一條強(qiáng)ZDR帶為雷達(dá)受到避雷針的影響而產(chǎn)生的條狀大值區(qū)。

圖1 衰減訂正前后的ZH和ZDR圖

3.2 XPAR-D與CINRAD/SAD回波強(qiáng)度對比

為了驗(yàn)證衰減訂正后雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可利用業(yè)務(wù)雷達(dá)進(jìn)行對比觀測。廣州CINRAD/SAD 雷達(dá)位于廣州市番禺區(qū)，與XPARD 雷達(dá)相距約3.8 km，雷達(dá)海拔高度相差約100 m，觀測地點(diǎn)接近。為避免地物雜波、地物遮擋(XPAR-D 雷達(dá)在4.5 °以下仰角遮擋較嚴(yán)重)等對觀測數(shù)據(jù)的影響，選擇XPAR-D 雷達(dá)6.3 °和CINRAD/SAD 雷達(dá)6.0 °仰角的回波強(qiáng)度進(jìn)行對比，圖 2a 為 XPAR-D 雷達(dá)原始回波強(qiáng)度，圖 2b 為衰減訂正后的回波強(qiáng)度，圖2c為CINRAD/SAD 雷達(dá)觀測的回波強(qiáng)度，顯示距離均為雷達(dá)中心觀測半徑42 km。原始回波強(qiáng)度明顯偏弱，訂正后強(qiáng)度明顯增加，尤其是雷達(dá)站西側(cè)的強(qiáng)回波得到明顯的恢復(fù)，最強(qiáng)回波由訂正前的40 dBZ 左右增加到50 dBZ 左右。從XPAR-D 訂正后的回波與CINRAD/SAD 對比看，兩者的回波強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)接近，XPAR-D 最小空間分辨率高達(dá)30 m，觀測到降水回波的結(jié)構(gòu)更加精細(xì)。但是XPAR-D 觀測到的回波面積小于CINRAD/SAD，尤其是小于15 dBZ的弱回波區(qū)域，XPAR-D 雷達(dá)出現(xiàn)了大量的缺測。這主要是由于XPAR-D 雷達(dá)的發(fā)射功率和天線增益遠(yuǎn)低于CINRAD/SAD 雷達(dá)，導(dǎo)致靈敏度過低，加上衰減影響，無法探測到更多的弱回波信息。取出兩部雷達(dá)各仰角未經(jīng)插值處理的反射率因子數(shù)據(jù)按5 km 分段統(tǒng)計(jì)最小值，做出最小可測反射率因子沿距離變化的廓線(圖2d)，兩部雷達(dá)的最小可測反射率都隨著探測距離的增長而變大，CINRAD/SAD 雷達(dá)靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于XPAR-D 雷達(dá)，在 30 km 處，CINRAD/SAD 雷達(dá)的最小可測反射率為 0 dBZ 左右，XPAR-D 雷達(dá)則為 11 dBZ，兩者差值達(dá)到11 dBZ。

由于兩部雷達(dá)空間分辨率不同，需使空間分辨率基本一致后再開展定量對比。XPAR-D 雷達(dá)最小距離分辨率為30 m，CINRAD/SAD 雷達(dá)最小距離分辨率為250 m，因此需先將XPAR-D 雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行8 或9個(gè)距離庫的平均，把徑向分辨率變?yōu)榻咏?50 m。考慮兩部雷達(dá)不在同一觀測地點(diǎn)，還需將兩部雷達(dá)探測的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行位置匹配。計(jì)算時(shí)先將XPAR-D 的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度及高度的大地坐標(biāo)，再通過與CINRAD/SAD 雷達(dá)大地坐標(biāo)間的匹配得到需要的極坐標(biāo)，從而將不同位置的雷達(dá)資料建立對應(yīng)關(guān)系[23]。匹配后，對于XPAR-D 雷達(dá)的任意一個(gè)觀測數(shù)據(jù)，都可在CINRAD/SAD雷達(dá)數(shù)據(jù)上找到一個(gè)與其位置相匹配的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同位置雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)和定量對比分析。圖2e是兩部雷達(dá)時(shí)空匹配后的反射率因子散點(diǎn)圖(為了更準(zhǔn)確對比兩者強(qiáng)度差異，將XPAR-D 雷達(dá)缺測部分在CINRAD/SAD雷達(dá)中進(jìn)行了同步去除)。XPAR-D 雷達(dá)衰減訂正后的ZH值與CINRAD/SAD 雷達(dá)一致性較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.71，但是總體仍弱于CINRAD/SAD雷達(dá)，平均偏差約2.2 dB，均方根誤差約4.8 dB。XPARD 的回波強(qiáng)度值整體偏弱，一方面可能是由于XPAR-D 存在一定的系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)一步標(biāo)定。另一方面需要進(jìn)一步優(yōu)化衰減訂正算法，尤其是衰減訂正系數(shù)的合理性。

圖2 XPAR-D與CINRAD/SAD回波強(qiáng)度對比

為了進(jìn)一步說明兩部雷達(dá)探測的回波強(qiáng)度差異及隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性，分別計(jì)算了兩部雷達(dá)2.5 km 高度等高面的雷達(dá)反射率(CAPPI)，并統(tǒng)計(jì)了多個(gè)體掃數(shù)據(jù)兩者之間的平均差。圖3 是2020年 8月 12日 15:00—17:00(北京時(shí)間，下同)之間 20個(gè)體掃數(shù)據(jù)CAPPI 反射率因子的平均偏差波動圖。XPAR-D 雷達(dá)衰減訂正后的反射率因子與CINRAD/SAD 雷達(dá)平均偏差在 1.5～3.0 dBZ 之間，20個(gè)體掃的平均偏差為2.2 dB。表明XPAR-D雷達(dá)與CINRAD/SAD 雷達(dá)之間可能存在一定的系統(tǒng)誤差，同時(shí)受衰減影響，XPAR-D 雷達(dá)不同體掃間探測的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)誤差會出現(xiàn)一定的波動。

圖3 XPAR-D雷達(dá)與CINRAD/SAD雷達(dá)的ZH平均偏差變化

3.2 XPA-D與雨滴譜儀對比

采用雨滴譜儀觀測數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對X 波段相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比檢驗(yàn)[24-25]。試驗(yàn)中的雨滴譜儀為二維雨滴譜儀(2DVD)，采用2個(gè)方向相互垂直的激光高速線陣列掃描，可有效避免一維激光雨滴譜儀出現(xiàn)的粒子重疊誤差，觀測精度更高。二維雨滴譜儀位于廣州黃埔國家氣象觀測基地，距離雷達(dá)站約28 km，相對雷達(dá)的方位角約為36 °。為了檢驗(yàn)XPAR-D雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，首先根據(jù)雷達(dá)和雨滴位置進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，然后基于雨滴譜數(shù)據(jù)利用T 矩陣法計(jì)算反射率因子ZH，再與雨滴譜儀上方2.7 °仰角的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)ZH進(jìn)行匹配對比(雨滴譜儀所在方位角在0.9 °仰角存在部分遮擋，選擇2.7 °仰角對比，此時(shí)回波距離地面雨滴譜儀的高度約為1.3 km)。若已知雨滴譜分布N(D)，對應(yīng)的雷達(dá)反射率因子ZH可用后向散射系數(shù)矩陣元素反演得到：

式中，下標(biāo)“H”和“h”代表水平偏振方向，“V”和“v”代表垂直偏振方向，λ為雷達(dá)波長，|K|2為粒子的介電常數(shù)，f(π,D)為粒子的后向散射系數(shù)，N(D)dD表示單位體積內(nèi)，雨滴直徑處于D～D+dD之間的粒子數(shù)。

基于 2020年 8月 12日 15:00—17:00 搜集的數(shù)據(jù)計(jì)算ZH值，并將其與雷達(dá)測量值進(jìn)行時(shí)間匹配后對比。考慮雨滴譜數(shù)據(jù)觀測頻次為1 min，雷達(dá)約為1.5 min，兩者對比的時(shí)間間隔選擇為每3 min 一次。圖4 顯示了ZH與雷達(dá)測量強(qiáng)度的對比圖，其中實(shí)線為雨滴譜儀上方對應(yīng)的雷達(dá)2.7 °仰角的ZH值，虛線為由雨滴譜儀數(shù)據(jù)計(jì)算得到的ZH值。分別計(jì)算了雨滴譜儀和雷達(dá)兩者樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)ρ，平均偏差BIAS，均方根誤差RMSE。雷達(dá)測量的ZH比雨滴譜ZH偏弱，基本處于雨滴譜ZH下方，但是兩者變化的趨勢和一致性很好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87，平均偏差為2.12 dBZ，均方根誤差為2.58 dBZ。

圖4 雨滴譜與相控陣?yán)走_(dá)測量值ZH對比

3.3 偏振參量分析

3.3.1ZDR數(shù)據(jù)分析

根據(jù)雙偏振雷達(dá)理論，弱降水的ZDR值應(yīng)接近于0，隨著ZH的增加，粒子尺寸變大，形狀更加扁平，ZDR將呈現(xiàn)增大的趨勢。圖5a 和圖5b 分別是2020年 8月 12日 15:30 XPAR-D 雷達(dá) 6.3 °仰角和CINRAD/SAD雷達(dá)6.0 °仰角的ZDR對比圖，XPARD 雷達(dá)在遠(yuǎn)距離處的ZDR出現(xiàn)了明顯的缺測，回波面積小于 CINRAD/SAD 雷達(dá)；CINRAD/SAD 雷達(dá)的ZDR數(shù)據(jù)噪聲更明顯，相鄰數(shù)據(jù)間起伏波動較大。從ZDR強(qiáng)度看，兩部雷達(dá)的ZDR基本在-1～1 dB 之間，為更好地觀察ZDR隨ZH的變化情況，計(jì)算了XPAR-D 雷達(dá)的ZH-ZDR散點(diǎn)圖(計(jì)算時(shí)僅選取了零度層以下且對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)大于0.95 的數(shù)據(jù))，結(jié)果如圖5c 所示。整體上ZDR隨著回波強(qiáng)度ZH的增大而增大，變化趨勢一致。當(dāng)ZH＜30 dBZ 時(shí)，對應(yīng)的ZDR主要在-1～1 dB 之間，ZDR在零值之間波動較大，且有部分ZDR為負(fù)值，一方面可能是弱回波時(shí)受低信噪比SNR影響，導(dǎo)致實(shí)際測量中ZDR值出現(xiàn)較大的波動，另一方面可能是受衰減影響導(dǎo)致。隨著回波強(qiáng)度的增加，特別是ZH大于35 dBZ以后，ZDR值基本都在0 dB 以上，增長的趨勢也更明顯，當(dāng)ZH達(dá)到 50 dBZ 時(shí)，ZDR可以達(dá)到 2 dB 以上。

圖5 XPAR-D與CINRAD/SAD ZDR對比

3.3.2ΦDP和KDP數(shù)據(jù)分析

雙偏振雷達(dá)的ΦDP參數(shù)表示雷達(dá)水平和垂直極化脈沖在媒介中傳播，在某一個(gè)特定距離處往返達(dá)到天線的相位變化，即：

式中ΦHH和ΦVV分別為水平和垂直極化脈沖的相位。理論上，ΦDP是一個(gè)積分效應(yīng)量，在徑向距離廓線上隨著距離的增加而緩慢上升。圖 6c 是XPAR-D 雷達(dá)6.3 °仰角225 °方位上原始ΦDP數(shù)據(jù)和經(jīng)中值濾波后的ΦDP數(shù)據(jù)距離廓線圖，可看出ΦDP有明顯的距離積累效應(yīng)，隨著距離的增加，ΦDP呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。且隨著回波強(qiáng)度的增加，增長速率越快，距離累計(jì)效應(yīng)明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。在遠(yuǎn)距離處，超過30 km 后ΦDP出現(xiàn)比較大的波動，這可能是由于距離較遠(yuǎn)時(shí)雷達(dá)波束展寬，回波功率包含了不同的水成物粒子信息，同時(shí)遠(yuǎn)距離處的回波較弱，信噪比也很低，這些都會導(dǎo)致ΦDP的計(jì)算不穩(wěn)定。另外，對ΦDP進(jìn)行30個(gè)距離庫的中值濾波后，可消除原始數(shù)據(jù)中一些小的高頻噪聲，毛刺現(xiàn)象得到抑制，數(shù)據(jù)變得更加平滑。考慮單純從ΦDP的值無法判斷是否經(jīng)過了降水粒子以及粒子的大小，因此，為了標(biāo)準(zhǔn)化ΦDP，通過引入KDP來表示ΦDP隨距離的變化率。KDP可反映橢球形雨滴的濃度，且?guī)缀醪皇芩p的影響，采用變距離法對濾波后的ΦDP資料進(jìn)行最小二乘法擬合得到KDP，其擬合的距離r根據(jù)對應(yīng)距離庫的ZH平均值選擇，以減少觀測資料擾動產(chǎn)生的誤差[26-27]。

從 XPAR-D 雷達(dá)和 CINRAD/SAD-D 雷達(dá)的KDP對比圖(圖 6a 和圖 6b)看，CINRAD/SAD 雷達(dá)KDP產(chǎn)品出現(xiàn)了較多的缺測，這主要由于其KDP的計(jì)算還與相關(guān)系數(shù)CC 值建立了關(guān)聯(lián)，當(dāng)CC＜0.9時(shí)，認(rèn)為ΦDP積累了相當(dāng)多的錯(cuò)誤，計(jì)算的KDP準(zhǔn)確性大大降低，因此對 CC＜0.9 的距離庫不計(jì)算KDP。在靠近雷達(dá)站的區(qū)域，由于地物雜波的影響，相當(dāng)多的距離庫 CC 都低于0.9，導(dǎo)致KDP沒有被計(jì)算和顯示[28]。從兩部雷達(dá)的KDP值強(qiáng)度看，XPAR-D 雷達(dá)高于CINRAD/SAD 雷達(dá)，這主要是由于XPAR-D 雷達(dá)的波長更短，對降水強(qiáng)度的變化更敏感。為更好觀察XPAR-D 雷達(dá)KDP隨ZH的變化情況以及與CINRAD/SAD 對比，計(jì)算了兩部雷達(dá)不同ZH對應(yīng)的KDP的平均值(圖6d)，當(dāng)回波強(qiáng)度較弱(小于20 dBZ)時(shí)，兩部雷達(dá)的KDP都接近于0 左右。當(dāng)ZH超過 20 dBZ 后，XPAR-D 的KDP開始明顯增加，CINRAD/SAD 的KDP變化不明顯。當(dāng)ZH達(dá)到 30 dBZ 時(shí)，XPAR-D 的KDP已接近 0.5 °/km左右，CINRAD/SAD 依然接近0 °/km。當(dāng)ZH超過30 dBZ 后，CINRAD/SAD 的KDP才開始明顯增加，但是XPAR-D 的KDP增加更加迅速，說明其對降水的敏感性更高。當(dāng)ZH達(dá)到40 dBZ 時(shí)，XPAR-D 的KDP達(dá)到 1 °/km，CINRAD/SAD 的KDP約為 0.28 °/km。 當(dāng)ZH達(dá) 到 50 dBZ 時(shí) ，XPAR-D 的KDP達(dá) 到2.3 °/km，CINRAD/SAD 的KDP約為 0.7 °/km。這些都說明XPAR-D 的KDP與ZH具有很好的一致性，且對降水的敏感性高于CINRAD/SAD，其平均值約為CINRAD/SAD 的3.3倍，與X 波段雷達(dá)和S波段雷達(dá)KDP的散射模擬很接近，這些都說明XPARD的KDP數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖6 XPAR-D與CINRAD/SAD的KDP對比分析

3.3.3 偏振參數(shù)識別融化層

融化層亮帶的觀測情況可在一定程度反映偏振參數(shù)的準(zhǔn)確性，圖 7 是 2020年 8月 22日 15 時(shí) 32分XPAR-D 雷達(dá)13.5 °仰角的反射率ZH、差分反射率ZDR和相關(guān)系數(shù)CC 的PPI 圖。可清晰識別出融化層亮帶，其結(jié)構(gòu)清晰，高度約4.5 km，厚度約700 m。當(dāng)日08 時(shí)附近探空資料觀測到的融化層在4.4 km 左右，非常接近。在融化層內(nèi)，亮帶內(nèi)反射率因子值明顯大于亮帶上下區(qū)域，由于亮帶內(nèi)是融化態(tài)粒子，粒子的形狀、取向和散射特性復(fù)雜，故ZDR大，相關(guān)系數(shù)小，反射率因子和偏振量完全符合亮帶的雷達(dá)特征。

圖7 2020年8月12日15:30分13.5 °仰角識別零度層亮帶

4 應(yīng)用分析

2020年 7月 22日 12 時(shí)前后，受午后熱對流影響，廣州市番禺區(qū)中北部出現(xiàn)局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其中番禺區(qū)小谷圍街站錄得最大小時(shí)雨量35.6 mm，造成局地內(nèi)澇和交通擁堵。此次局地對流系統(tǒng)發(fā)展迅速、尺度小，XPAR-D 雷達(dá)精細(xì)監(jiān)測到降水發(fā)展演變過程。

圖8 為雷達(dá)11:24—11:35 監(jiān)測的回波強(qiáng)度演變圖，在12 min 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對雷雨云團(tuán)8 次體掃，CINRAD/SAD 雷達(dá)僅能實(shí)現(xiàn) 2 次體掃(圖略)?？煽闯鲇欣子暝茍F(tuán)自南向北快速移動，云團(tuán)回波強(qiáng)度、面積都在不斷變化，并在前側(cè)激發(fā)出一對新的對流單體，不到10 min，新激發(fā)出的對流單體強(qiáng)度就增加到65 dBZ，水平尺度約5 km。此后，該新激發(fā)的對流單體迅速發(fā)展，強(qiáng)回波面積迅速增加，南側(cè)的雷雨云團(tuán)快速向新單體靠近(圖9)，12:10分兩個(gè)對流云團(tuán)出現(xiàn)合并，回波組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，并緩慢向北移動。12:20 前后地面自動站開始錄得強(qiáng)烈降水，主要降水時(shí)段集中在12:20—12:50，13:00前后降水已基本結(jié)束。相控陣?yán)走_(dá)精細(xì)、快速掃描能力監(jiān)測到新單體的激發(fā)、合并過程，為準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)布預(yù)警提供了重要支撐。

圖8 2020年7月22日11:24—11:35新單體快速觸發(fā)時(shí)XPAR-D雷達(dá)4.5 °仰角ZH演變

圖9 2020年7月22日12:04—12:15對流單體快速合并時(shí)XPAR-D雷達(dá)4.5 °仰角ZH演變

圖10 為 XPAR-D 雷達(dá) 11:52 分 4.5 °仰角的反射率Z、差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP的PPI圖像，圖像中心為雷達(dá)站，顯示的距離范圍為20 km。圖10a 中兩個(gè)對流風(fēng)暴(黑色圈區(qū)域A1、A2)回波強(qiáng)度相當(dāng)，平均值在55 dBZ 左右。從圖10b看，A1 區(qū)域ZDR值小于 A2 區(qū)域，表明 A1 區(qū)域降雨的雨滴尺寸相對A2 區(qū)域較小。從圖10c 看，A1 區(qū)域的KDP值大于A2 區(qū)域，表明A1 區(qū)域降水粒子數(shù)量高于 A2 區(qū)域。綜合分析圖 10 可知，A1、A2 區(qū)域雖然Z值相近，但是雨滴譜卻完全不同。A2 區(qū)域雨滴尺寸大、粒子數(shù)少，故降雨強(qiáng)度相對較??；A1 區(qū)域雨滴尺寸小，但降水粒子數(shù)多，故降水強(qiáng)度更大。從地面自動站記錄的雨量看，11:50—12:20，位于A1 區(qū)域的番禺市橋沙墟村自動氣象站記錄的累積雨量為28.1 mm，最大5 min 雨強(qiáng)為8.7 mm。位于A2 區(qū)域的自動站記錄的累積雨量為23.4 mm，最大 5 min 雨強(qiáng)為 6.2 mm。A1 區(qū)域的累積雨量和降水強(qiáng)度均大于A2 區(qū)域，降水差異與偏振參數(shù)反映的基本一致，說明該個(gè)例中各偏振量之間的關(guān)系基本合理。依托XPAR-D 雷達(dá)的偏振參數(shù)，可進(jìn)一步獲取降水粒子尺度、濃度及降水強(qiáng)度等微物理特征變化[29]。

圖10 2020年7月22日11:57降水回波的ZH(a)、ZDR(b)和KDP(c)對比

5 結(jié)論與討論

相控陣天氣雷達(dá)是未來天氣雷達(dá)探測技術(shù)發(fā)展的重要方向，確保雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是開展業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要前提。本文分析了XPAR-D 雷達(dá)與CINRAD/SAD 雷達(dá)、二維雨滴譜儀的觀測對比情況，偏振參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及在強(qiáng)對流監(jiān)測中的應(yīng)用情況。

(1) 利用KDP參數(shù)對XPAR-D 雷達(dá)進(jìn)行衰減訂正后，回波強(qiáng)度能夠得到顯著的恢復(fù)，訂正后與CINRAD/SAD、二維雨滴譜觀測的回波強(qiáng)度具有較高的一致性；但是XPAR-D 雷達(dá)對弱回波的探測能力低于CINRAD/SAD雷達(dá)。

(2) XPAR-D雷達(dá)觀測的ZDR整體上ZDR隨著回波強(qiáng)度ZH的增大而增大，變化趨勢一致。但是受低信噪比和衰減影響，仍有部分ZDR為負(fù)值，需要進(jìn)一步開展質(zhì)量控制。

(3) XPAR-D 雷達(dá)的KDP隨著ZH的增大迅速增加，兩者具有很好的一致性；XPAR-D 雷達(dá)由于波長更短，其KDP對降水的敏感性高于CINRAD/SAD雷達(dá)，XPAR-D 雷達(dá)對應(yīng)的KDP值約為CINRAD/SAD雷達(dá)的3.3倍。

(4) XPAR-D 具有更快的掃描速度，可精細(xì)監(jiān)測到局地強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的觸發(fā)、快速演變過程，通過偏振參數(shù)，可進(jìn)一步分析降水系統(tǒng)的粒子尺寸、濃度以及降水強(qiáng)度等微物理特征變化。

需要說明的是，本文是對X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的初步分析，對于發(fā)展更強(qiáng)，覆蓋范圍更廣的強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)，降水粒子結(jié)構(gòu)、分布、相態(tài)等更加復(fù)雜，衰減也會對雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，需要進(jìn)一步分析其對數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來的影響。