雙線偏振雷達(dá)和相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

劉黎平 胡志群 吳翀

（中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

雙線偏振雷達(dá)和相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

劉黎平 胡志群 吳翀

（中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

分析了美國(guó)下一代天氣雷達(dá)WSR-88D的偏振技術(shù)升級(jí)改造進(jìn)展情況、以及相控陣天氣雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了這兩項(xiàng)技術(shù)在災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警中的作用，特別對(duì)在降水估測(cè)、相態(tài)識(shí)別、龍卷識(shí)別和預(yù)警中的影響。指出了我國(guó)雙線偏振雷達(dá)和相控陣天氣雷達(dá)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，討論了新技術(shù)應(yīng)用效果，為這兩項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考。

雙線偏振雷達(dá)，相控陣天氣雷達(dá)，降水估測(cè)和相態(tài)識(shí)別，龍卷監(jiān)測(cè)和預(yù)警

0　引言

中國(guó)氣象局已經(jīng)建設(shè)的新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)網(wǎng)在災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、人工影響天氣、水文和地質(zhì)災(zāi)害以及軍事氣象等方面發(fā)揮了重要作用，其探測(cè)能力與美國(guó)的下一代天氣雷達(dá)（WSR-88D）相當(dāng)。從我國(guó)第一部新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行至今已經(jīng)18年，新的探測(cè)技術(shù)的儲(chǔ)備是雷達(dá)系統(tǒng)升級(jí)改造的重要工作?；趩纹耋w制和機(jī)械掃描體制的新一代天氣雷達(dá)在如下探測(cè)能力方面有待提高：1）對(duì)非氣象回波的識(shí)別能力；2）降水估測(cè)能力，特別是對(duì)強(qiáng)降水的估測(cè)能力；3）降水粒子相態(tài)的識(shí)別能力；4）對(duì)快速變化的小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觀測(cè)能力；5）工作的穩(wěn)定性；6）氣象、軍事和航空的多用途能力。目前，美國(guó)已經(jīng)完成了雙線偏振雷達(dá)偏振改造工作，其探測(cè)能力明顯提高，下一代雷達(dá)技術(shù)——相控陣天氣雷達(dá)也得到了發(fā)展。為此，在充分利用新一代天氣雷達(dá)功能的同時(shí)，發(fā)展雙線偏振雷達(dá)和相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)，并逐步應(yīng)用到業(yè)務(wù)探測(cè)中是我國(guó)氣象部門非常重要的任務(wù)。

1　雙線偏振雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀和我國(guó)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)展

1.1雙線偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)科學(xué)家Seliga等[1-2]提出了雙線偏振天氣雷達(dá)設(shè)想，通過(guò)交替地在脈間發(fā)射相互正交的水平偏振波和垂直偏振波，對(duì)降水強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明雙線偏振雷達(dá)的測(cè)雨強(qiáng)精度要高于常規(guī)天氣雷達(dá)。由于受當(dāng)時(shí)設(shè)備條件的限制，交替發(fā)射模式被廣泛用在雙線偏振天氣雷達(dá)中。在偏振雷達(dá)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，逐漸采用了線偏振、“雙發(fā)雙收”體制，即同時(shí)發(fā)射水平和垂直偏振波（發(fā)射45°傾斜角雷達(dá)波），同時(shí)接收水平和垂直偏振波，探測(cè)水平偏振反射率因子、徑向速度、速度譜寬、差反射率因子、差傳播相移、水平垂直偏振波零延遲相關(guān)系數(shù)等?！半p發(fā)雙收”方案的優(yōu)點(diǎn)包括：可直接測(cè)量零延遲水平垂直偏振信號(hào)相關(guān)的系數(shù)ρHV；傳播相移率KDP可以直接計(jì)算出來(lái)，不必考慮多普勒速度譜寬的影響；地物濾波對(duì)偏振測(cè)量的影響比較小；在同樣轉(zhuǎn)速和取樣速度下，取樣對(duì)數(shù)是“交替發(fā)射”模式的兩倍，且信號(hào)相關(guān)好，偏振量的估測(cè)誤差比較小；不需要大功率微波開關(guān)；與原先的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地物濾波和速度距離模糊的消除方案等比較協(xié)調(diào)?！敖惶姘l(fā)射”模式的主要優(yōu)點(diǎn)包括：可以測(cè)量退偏振因子LDR，兩個(gè)通道的相互干擾比較小，可以減小二次回波的影響，因?yàn)榍耙粫r(shí)刻發(fā)出的水平雷達(dá)波在延遲一個(gè)周期回到雷達(dá)天線時(shí)，接收的是垂直偏振波，水平偏振波的二次回波受到至少20dB的抑制。但交替發(fā)射模式采樣時(shí)間比較長(zhǎng)，增大了地物消除的難度，而且必須采用大功率微波開關(guān)。

科羅拉多州立大學(xué)（CSU）的CSU-CHILL雷達(dá)是美國(guó)乃至世界上最先進(jìn)的雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)之一，是第一部用慢轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行差分反射率因子測(cè)量的雷達(dá)，20世紀(jì)80年代進(jìn)行了改造，最先采用大功率鐵氧體開關(guān)將發(fā)射和接收信號(hào)分別與水平和垂直通道連接，但其隔離度始終沒(méi)大于25dB，且受溫度和PRF的影響。為此在1994和1995年進(jìn)行了再次改造，更換了天線反射體，增加了一個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，能發(fā)射水平、垂直、45°和135°偏振方向的線偏振波和圓偏振波[3]。1998年，又采用了新的數(shù)字中頻接收機(jī)和高速信號(hào)處理器，增加了系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和精度。目前該雷達(dá)能以三種模式進(jìn)行觀測(cè)：1）常規(guī)的交替發(fā)射水平和垂直偏振波模式；2）同時(shí)發(fā)射交替接收（STAR）模式；3）同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收。由于采用了兩個(gè)發(fā)射機(jī)，就避免了使用大功率微波開關(guān)，在接收通道的開關(guān)將主回波和交叉回波信號(hào)送到兩個(gè)接收機(jī)上。在此基礎(chǔ)上，初步形成了WSR-88D的偏振改造升級(jí)方案[4,5]。美國(guó)的第一部業(yè)務(wù)用雙線偏振雷達(dá)KOUN于2002年改造成功，2002年春季到2003年春季，利用WSR-88D 偏振雷達(dá)改造后的原型雷達(dá)KOUN，開展了雙線偏振雷達(dá)效果分析外場(chǎng)試驗(yàn)，主要目的包括：驗(yàn)證“雙發(fā)雙收”體制的偏振類改造方案；驗(yàn)證偏振雷達(dá)在識(shí)別非氣象回波和氣象回波的能力，識(shí)別降水粒子相態(tài)的能力；驗(yàn)證偏振雷達(dá)在面雨量估計(jì)和強(qiáng)降水估計(jì)的有效性；發(fā)布偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)到NWS。初步驗(yàn)證了改造后的88D具有識(shí)別非氣象回波、卷入龍卷內(nèi)的地面物體、降水粒子相態(tài)的能力；降水估測(cè)能力得到了驗(yàn)證。這為實(shí)施雙線偏振雷達(dá)改造提供了支撐[6]。

1.2雙線偏振雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用效果評(píng)估

從2007年起，美國(guó)便開展了多普勒天氣雷達(dá)（NEXTRAD WSR-88D）網(wǎng)絡(luò)的偏振升級(jí)工作。WSR-88D偏振改造開始于2011年。2013年，WSR-88D全部改造完成。NSSL等單位合作發(fā)展了雙線偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)降水估測(cè)算法，首先進(jìn)行相態(tài)識(shí)別、零度層亮帶識(shí)別，根據(jù)情況，采用Z-R、R(Z, ZDR)、R-KDP三種方法進(jìn)行降水估測(cè)。利用2012年兩部改造后的WSR-88D的60km×60km的共同覆蓋區(qū)的對(duì)流過(guò)程降水估測(cè)進(jìn)行評(píng)估，以分析不同距離降水估測(cè)的效果。發(fā)現(xiàn)總體講，偏振雷達(dá)能夠改進(jìn)降水估測(cè)效果，但不是所有個(gè)例和所有雷達(dá)都能改進(jìn)，這種改進(jìn)與雷達(dá)的距離有關(guān)，與冰相粒子的影響有關(guān)；偏振雷達(dá)減小了降水估測(cè)隨距離變化的影響，以及冰雹存在對(duì)降水估測(cè)的影響[7]。

對(duì)降水估測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估，通過(guò)47個(gè)雷達(dá)站的139個(gè)個(gè)例的分析，評(píng)估范圍限制在一定范圍內(nèi)，以便減小零度層的影響。結(jié)果表明：對(duì)于所有的個(gè)例，平均絕對(duì)值誤差減小19%；對(duì)于50mm/h降水，改善23%；對(duì)于中尺度對(duì)流系統(tǒng)，改善32%。另外，在降水估測(cè)改進(jìn)方面，在進(jìn)行冬季降水估測(cè)、零度層亮帶處理的改進(jìn)、暖區(qū)降水改進(jìn)、ZDR誤差訂正、降水計(jì)算公式的改進(jìn)、初相態(tài)確定等方面的改進(jìn)。在雙線偏振雷應(yīng)用過(guò)程中，主要挑戰(zhàn)包括：零度層亮帶的影響；雙線偏振雷達(dá)硬件系統(tǒng)的定標(biāo)；雷達(dá)波的部分遮擋及其變化（樹木和人工建筑等影響）[8]。

1.3我國(guó)雙線偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

我國(guó)將雙線偏振技術(shù)應(yīng)用于天氣雷達(dá)始于20世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)中國(guó)科學(xué)院蘭州高原大氣物理研究所（現(xiàn)稱中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所）將713雷達(dá)改造成高速脈間轉(zhuǎn)換雙線偏振天氣雷達(dá)，并做了不同降水粒子散射、衰減訂正、測(cè)雨效果對(duì)比以及云粒子相態(tài)和尺度空間分布等相關(guān)研究工作，取得了一些成果[9-13]。

隨著我國(guó)氣象現(xiàn)代化建設(shè)的開展，很多科研單位及雷達(dá)廠家都開始致力于雙線偏振天氣雷達(dá)的研制。如，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研制的X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院研制的C波段雙偏振多普勒雷達(dá)、北京敏視達(dá)公司在WSR-98D基礎(chǔ)上改造而成的能同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收的雙偏振天氣雷達(dá)、中國(guó)電子科技集團(tuán)第14研究所研制的雙偏振天氣雷達(dá)、安徽四創(chuàng)電子股份有限公司對(duì)C波段C型號(hào)的新一代多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行改造而成的C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)以及成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司（原國(guó)營(yíng)784廠）研制的X、C及S波段“雙發(fā)雙收”體制的雙線偏振多普勒雷達(dá)[14-15]。以上雷達(dá)大部分采用了與美國(guó)WSR-88D雙線偏振雷達(dá)改造類似的“雙發(fā)雙收”體制[10]。這些雷達(dá)參加了暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害天氣的外場(chǎng)試驗(yàn)，獲取到了大量的外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，開展了雙線偏振雷達(dá)測(cè)試定標(biāo)方法研究[16-17]；雙線偏振雷達(dá)質(zhì)量控制方法研究，包括偏振量的濾波和平滑處理、C和X波段雙線偏振雷達(dá)的衰減訂正、非氣象回波識(shí)別等工作[18-24]；雙線偏振雷達(dá)降水估測(cè)方法研究和效果分析[25-28]；降水粒子相態(tài)識(shí)別方法研究[29-30]等。

目前，我國(guó)的雙線偏振雷達(dá)經(jīng)過(guò)近30年的探索研究，偏振雷達(dá)體制、探測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法不斷完善和進(jìn)步，其探測(cè)能力得到初步的驗(yàn)證，該技術(shù)逐步從科研外場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，發(fā)展為業(yè)務(wù)應(yīng)用。如杭州市氣象局已經(jīng)建設(shè)了業(yè)務(wù)用雙線偏振雷達(dá)，珠海氣象局與澳門氣象局合作建設(shè)了S波段雙線偏振雷達(dá)，上海的WSR-88D進(jìn)行了雙線偏振雷達(dá)升級(jí)改造，X波段雙線偏振雷達(dá)正在山洪地址災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。廣東省氣象局的新一代天氣雷達(dá)也開始進(jìn)行雙線偏振雷達(dá)功能改造。但雙線偏振雷達(dá)技術(shù)在廣泛推廣前，雙線偏振雷達(dá)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、探測(cè)能力的綜合驗(yàn)證、雷達(dá)應(yīng)用培訓(xùn)等亟待進(jìn)行。

2 相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中龍卷、下?lián)舯┝鳌⒈⒑痛箫L(fēng)等中小尺度系統(tǒng)尺度小，生消迅速，是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的重要原因，強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中尺度結(jié)構(gòu)高時(shí)空分辨率的探測(cè)對(duì)中小尺度研究、預(yù)警和預(yù)報(bào)有重要作用?，F(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行的天氣雷達(dá)，如美國(guó)的160余部WSR-88D天氣雷達(dá)、我國(guó)158部新一代天氣雷達(dá)等雷達(dá)系統(tǒng)，均采用了機(jī)械掃描方法，即通過(guò)改變雷達(dá)天線的方位和仰角實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣過(guò)程的三維掃描。這種掃描方法在保證雷達(dá)資料精度基礎(chǔ)上最快在6min內(nèi)完成14層的掃描，在這種掃描方式下取得的雷達(dá)資料可以滿足對(duì)大范圍過(guò)程如臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣的探測(cè)、預(yù)警和臨近預(yù)報(bào)及其雷達(dá)資料同化要求，對(duì)提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)水平起到了較大的作用。但業(yè)務(wù)運(yùn)行的體積掃描模式在垂直方向的分辨率比較差，掃描周期（5～6min）比較長(zhǎng)，對(duì)快速變化的小尺度天氣過(guò)程，如龍卷、微下?lián)舯┝?、中尺度渦旋的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和研究能力有待提高。相控陣天氣雷達(dá)就是一種能在保證雷達(dá)資料質(zhì)量的前提下，進(jìn)行更快速掃描的雷達(dá)技術(shù)。在保證資料精度基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)快速掃描，在更短的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)掃描過(guò)程；減小方位脈沖平均時(shí)因天線轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的雷達(dá)資料在方位上的“污染”；減小了維護(hù)成本，提高了雷達(dá)的穩(wěn)定性。

2.1相控陣天氣雷達(dá)的發(fā)展

相控陣天氣雷達(dá)快速而精確地轉(zhuǎn)換波束指向的能力使該雷達(dá)能夠在1min內(nèi)完成全空域的掃描，同時(shí)獲取大量的氣象信息。與傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)相比，該種雷達(dá)采用陣列天線由大量相同的輻射單元組成，每個(gè)單元在相位和幅度上是獨(dú)立控制的，能得到精確波束指向，以實(shí)現(xiàn)任意指向的回波的觀測(cè)。該技術(shù)2002年被美國(guó)國(guó)家雷達(dá)技術(shù)委員會(huì)推薦為將來(lái)取代美國(guó)WSR-88D系統(tǒng)的技術(shù)，2006年美國(guó)聯(lián)邦氣象工作辦公室的工作報(bào)告也推薦同時(shí)服務(wù)于天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)、空管和飛機(jī)跟蹤的相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)[31]。為了分析相控陣天氣雷達(dá)這些優(yōu)勢(shì)，評(píng)估其應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，為進(jìn)一步發(fā)展替代WSR-88D的技術(shù)，美國(guó)建立了國(guó)家氣象雷達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)，將退役的宙斯盾（SPY-1）相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行改造建立了兩維相掃體制的相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)，安裝在Oklahoma州的Norman市，并進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)[32]。該雷達(dá)由4352個(gè)T/R組件構(gòu)成，陣面法向±45°內(nèi)的區(qū)域均可使用電掃描，并在一維水平基座的控制下完成全方位的觀測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，NWRT-PAR既可使用類似WSR-88D的單波束做旋轉(zhuǎn)體掃描，在258s內(nèi)完成以VCP12分布的14層仰角觀測(cè)。同時(shí)，NWRT-PAR還可通過(guò)波束復(fù)用技術(shù)（Beam Multiplexing）降低氣象信息的積累時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)完成體積或垂直剖面掃描。通過(guò)與附近WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)的大量對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)表明，NWRT-PAR的快速掃描能力對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的預(yù)警非常有用，較常規(guī)天氣雷達(dá)能更快、更準(zhǔn)確地獲取天氣過(guò)程的詳細(xì)信息[33]，對(duì)于龍卷過(guò)程的分辨時(shí)間僅需20～30s[34]。

另外，美國(guó)也發(fā)展了一維相掃體制的可移式的X波段相控陣天氣雷達(dá)（MWR-05XP），并用于2007—2008年外場(chǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)龍卷、超級(jí)對(duì)流單體、線狀回波過(guò)程等，其觀測(cè)資料質(zhì)量與其他雷達(dá)相當(dāng)，但掃描速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WSR-88D雷達(dá)[35]。該雷達(dá)波瓣寬度為2.0°，最大脈沖重復(fù)頻率為10K，距離分辨率為75m，采用了垂直方向電掃描、有限的方位電掃和快速的方位機(jī)械掃描的工作模式。觀測(cè)時(shí)，采用了兩種工作模式：一種是與常規(guī)多普勒雷達(dá)類似的工作模式，但掃描速度比WSR-88D快10倍，25s完成一個(gè)規(guī)定扇面的體掃，在天線快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方位上的電掃描方向和天線的機(jī)械掃描方向相反，保證在一定時(shí)間段內(nèi)掃描方向不變，這樣就避免了方位上的雷達(dá)波束平均造成的“污染”；另外一種模式為規(guī)定扇面上的聯(lián)系方位變化的垂直掃描模式，先掃垂直方向，然后改變方位，用13s就可以完成90°扇面，垂直方向10層的掃描。

對(duì)于MWR-05XP，其采用垂直方向的一維陣列天線與水平方向的機(jī)械伺服結(jié)合的方式。在移相器的控制下，雷達(dá)通過(guò)陣面單元相位的變化實(shí)現(xiàn)俯仰方向的電掃描，大大提高了觀測(cè)資料的時(shí)間分辨率。同時(shí)，頻率捷變技術(shù)的運(yùn)用使得MWR-05XP還可通過(guò)不同脈沖之間頻率的固定的變化實(shí)現(xiàn)6°～8°有限方位角的電掃描，在單位時(shí)間內(nèi)能夠獲取更多的獨(dú)立樣本，減少了雷達(dá)的積累時(shí)間。在掃描模式方面，MWR-05XP不僅可完成常規(guī)雷達(dá)的VPPI體掃，還可由不同方位角RHI組成VRHI形式的掃描數(shù)據(jù)，兩種掃描模式下獲取360°方位角的觀測(cè)資料用時(shí)僅需40～62s，以75m的距離分辨率覆蓋1°～55°仰角，達(dá)到了很高的時(shí)空分辨率。

除此之外，美國(guó)還討論了在相控陣天線上實(shí)現(xiàn)雙極化技術(shù)[36]，并制定了實(shí)現(xiàn)氣象和導(dǎo)航等多任務(wù)功能（MPAR）的相控陣?yán)走_(dá)可行性及性能指標(biāo)。根據(jù)此前的計(jì)劃，美國(guó)將采用有近20000個(gè)T/R組件組成的4個(gè)面陣的兩維相掃技術(shù)體制，波瓣寬度為1°，滿足氣象探測(cè)的要求；采用3個(gè)通道，2個(gè)通道為氣象觀測(cè)和導(dǎo)航，另一個(gè)為跟蹤飛行目標(biāo)，采用偏振體制，以提高降水估測(cè)和協(xié)同識(shí)別能力。同時(shí)，美國(guó)的協(xié)同適應(yīng)性大氣遙感觀測(cè)計(jì)劃（the collaborative adaptive sensing of the atmosphere，CASA）計(jì)劃也采用了“相控陣小雷達(dá)”，以提高低空探測(cè)能力。在2025年完成對(duì)目前機(jī)械掃描多普勒天氣雷達(dá)的替換。

2.2相控陣天氣雷達(dá)在龍卷監(jiān)測(cè)和預(yù)警中的應(yīng)用

Newman等[37]利用可移式X波段相控陣天氣雷達(dá)與WSR-88D雷達(dá)以及機(jī)場(chǎng)用于探測(cè)下?lián)舯┝骱惋L(fēng)切變的TDWR-OKC窄波束雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了一次線狀對(duì)流系統(tǒng)中龍卷的演變過(guò)程，表明2min時(shí)間間隔和更等層掃描的相控陣天氣雷達(dá)能夠分析得到龍卷特征TVS和下?lián)舯┝鞯难葑冞^(guò)程，以及與之有關(guān)的中尺度氣旋、中層輻合和出流的演變等，有助于理解龍卷的形成過(guò)程，而WSR-88D雷達(dá)只能觀測(cè)到下?lián)舯┝鞯拇嬖?，?duì)其演變的觀測(cè)非常困難，對(duì)中氣旋的增強(qiáng)過(guò)程和風(fēng)切變的探測(cè)也比較粗糙，對(duì)龍卷演變的觀測(cè)更加困難。利用X波段可移式相控陣天氣雷達(dá)觀測(cè)的4個(gè)龍卷個(gè)例分析了超級(jí)單體內(nèi)龍卷渦旋特征（TVS）的強(qiáng)度、位置時(shí)間-高度變化，結(jié)果表明，TVS的強(qiáng)度和位置的變化非常大，即使在龍卷的成熟期也是如此，并分析了TVS的消亡和新的TVS的生成，兩個(gè)TVS的合并等現(xiàn)象[38]。一次超級(jí)單體產(chǎn)生的龍卷過(guò)程的分析[39]表明，快速更新的相控陣天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)員準(zhǔn)確掌握風(fēng)暴過(guò)程的快速組織化、中氣旋突然增強(qiáng)和入流的增強(qiáng)、龍卷渦流的位置和移動(dòng)有很大的幫助，有助于預(yù)報(bào)員準(zhǔn)確和更早發(fā)布龍卷預(yù)警信息。

在龍卷的預(yù)警改進(jìn)方面，為了分析相控陣天氣雷達(dá)在龍卷預(yù)警中的作用，分析龍卷識(shí)別和預(yù)警時(shí)間的提高程度，美國(guó)利用多年的相控陣天氣雷達(dá)觀測(cè)的龍卷個(gè)例，組織了2010相控陣天氣雷達(dá)對(duì)龍卷預(yù)警時(shí)間的創(chuàng)新感知試驗(yàn)（2010 PARISE）[40]，本試驗(yàn)中的一個(gè)內(nèi)容是，6名預(yù)報(bào)員分為兩組，分別使用43s更新的、4.5min更新的相控陣天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)給出了5次龍卷和1次強(qiáng)雷暴預(yù)警，其中2次龍卷和1次強(qiáng)雷暴得到了驗(yàn)證，快速更新的相控陣天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)這3次的龍卷預(yù)警時(shí)間為6min（強(qiáng)雷暴）、11.5min和18.6min，而采用慢更新的數(shù)據(jù)，預(yù)警時(shí)間為0min（包括一次龍卷和一次強(qiáng)雷暴）和4.6min。為了驗(yàn)證以上結(jié)果，在2012 PARISE試驗(yàn)中，12名預(yù)報(bào)員分析更多的龍卷個(gè)例[41]，結(jié)果表明，采用快速更新的相控陣天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，龍卷的預(yù)警時(shí)間可延長(zhǎng)到20min，而基于業(yè)務(wù)平臺(tái)的預(yù)警時(shí)間為13.5min。

相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)在美國(guó)已經(jīng)應(yīng)用到外場(chǎng)試驗(yàn)中，并通過(guò)這些外場(chǎng)試驗(yàn)資料分析，進(jìn)一步研究更詳盡的中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變過(guò)程。相控陣天氣雷達(dá)快速掃描資料對(duì)理解和預(yù)警快速變化的天氣過(guò)程非常有用，如分辨龍卷過(guò)程需要掃描周期為20～30s的雷達(dá)資料[34]，美國(guó)兩維相掃的相控陣天氣雷達(dá)最新的觀測(cè)資料分析表明，與WSR-88D相比，該雷達(dá)能夠更好和更準(zhǔn)確探測(cè)快速變化的天氣系統(tǒng)[33,42]。這一研究分析了3個(gè)對(duì)流過(guò)程的高時(shí)間分辨率資料，包括重新加強(qiáng)的超級(jí)單體、冰雹過(guò)程和微下?lián)舯┝鬟^(guò)程。58s時(shí)間分辨率的相控陣天氣雷達(dá)資料，診斷出了低空輻合、中氣旋、上層的旋轉(zhuǎn)過(guò)程等發(fā)展和演變的細(xì)微過(guò)程，34s的分辨率資料完整描述了微下?lián)舯┝鞯纳泛统隽鞯淖畲笾?，快速的掃描資料（26s）可以更詳細(xì)描述冰雹的快速增強(qiáng)、強(qiáng)回波的發(fā)展和出流的形成和演變等特征。

Snyder等[43]和Zhang等[44]的研究表明，利用EnKF方法，同化6～8次完整的雷達(dá)資料后才能產(chǎn)生比較合理的分析場(chǎng)，同化時(shí)間為30～40s，顯然同化時(shí)間有點(diǎn)過(guò)長(zhǎng)。Yussouf等[45]的研究進(jìn)一步表明，比較同化15min的6min周期的常規(guī)WSR-88F雷達(dá)資料和1min周期的相控陣天氣雷達(dá)，并預(yù)報(bào)50min，相控陣天氣雷達(dá)資料對(duì)超級(jí)單體的過(guò)程描述和預(yù)報(bào)要明顯優(yōu)于常規(guī)多普勒雷達(dá)。另外，快速掃描資料能夠減小降水估測(cè)中的降水累積誤差，特別是需要高空間分辨率的降水資料情況，如城區(qū)降水估測(cè)，以提高流量估測(cè)、洪峰預(yù)報(bào)能力[46]。

2.3我國(guó)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

在我國(guó)，由于價(jià)格等原因，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)主要用于軍事和航天等領(lǐng)域，并已經(jīng)掌握了相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)具備了向氣象領(lǐng)域發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。為了追蹤國(guó)際氣象雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域前沿，為我國(guó)未來(lái)天氣雷達(dá)網(wǎng)建設(shè)做好技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)也開展了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的探討工作，2007年，在氣象行業(yè)專項(xiàng)的支持下，中國(guó)氣象科學(xué)研究院與14所等單位合作，攻克了軍用相控陣?yán)走_(dá)向相控陣天氣雷達(dá)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，研制成功了一部S波段相控陣天氣雷達(dá)原理樣機(jī)，獲得了部分資料，并開展了相控陣天氣雷達(dá)方面的研究，證明了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的可行性[47]，因其波瓣寬度較寬（垂直波束寬度3.12°、水平波瓣寬度1.57°），該相控陣天氣雷達(dá)不能用于實(shí)際的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和研究。

2009年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與四創(chuàng)公司合作，研發(fā)專門應(yīng)用于快速變化的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的車載X波段相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)，這一雷達(dá)采用了垂直方向電控掃描、水平方向機(jī)械掃描的方式，而且該雷達(dá)采用有源數(shù)字TR組件、收發(fā)DBF體制、超低副瓣波導(dǎo)裂縫平面陣列天氣、直接數(shù)字合成（DDS）波形技術(shù)、數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，波束控制靈活，并利用數(shù)字波束合成技術(shù)，可以在垂直方向形成多種不同寬度的波形，使用多波束多路的同時(shí)接收，提高相控陣天氣雷達(dá)的觀測(cè)速度。研究了相控陣天氣雷達(dá)的測(cè)試和定標(biāo)方法[48]，并利用該雷達(dá)與C波段雙線偏振雷達(dá)（CPOL）于2013年4—6月在廣東省江門市鶴山站進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)該雷達(dá)觀測(cè)模式及其對(duì)快速變化的對(duì)流云演變過(guò)程的觀測(cè)能力，為進(jìn)一步改進(jìn)雷達(dá)觀測(cè)模式提供了依據(jù)[49]。

另外，在863項(xiàng)目的支持下，我國(guó)也研制了機(jī)載X波段相控陣天氣雷達(dá)，2012年，X波段二維機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)與一部X波段多普勒天氣雷達(dá)在相同位置進(jìn)行了地面試驗(yàn)，并于2003年6月進(jìn)行了首次空中觀測(cè)，該雷達(dá)數(shù)據(jù)與常規(guī)的X波段多普勒雷達(dá)和SA雷達(dá)進(jìn)行了對(duì)比分析[50]。

3　結(jié)語(yǔ)

自從1998年我國(guó)在安徽合肥建設(shè)了第一部新一代天氣雷達(dá)以來(lái)，新一代天氣雷達(dá)已經(jīng)在災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作中應(yīng)用了16年，雙線偏振雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)開始從大氣科學(xué)外場(chǎng)試驗(yàn)逐步走向業(yè)務(wù)化應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：與多普勒雷達(dá)相比，雙線偏振雷達(dá)技術(shù)在提高雷達(dá)非氣象回波識(shí)別能力，大到暴雨的降水估測(cè)能力、降水粒子相態(tài)和冰雹區(qū)識(shí)別能力等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力、人工影響天氣指揮和效果有重要意義。但雙線偏振雷達(dá)在我國(guó)氣象探測(cè)中的應(yīng)用需要盡快制訂相關(guān)的雙線偏振雷達(dá)功能需求書、雙線偏振雷達(dá)測(cè)試方法，開展業(yè)務(wù)應(yīng)用效果的評(píng)估，并開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用軟件。

相控陣天氣雷達(dá)與多普勒雷達(dá)相比，能快速獲取探測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一部相控陣天氣雷達(dá)同時(shí)服務(wù)于氣象探測(cè)、民航和軍用飛機(jī)的導(dǎo)航等目的。目前，我國(guó)的相控陣天氣雷達(dá)還在研究中，離業(yè)務(wù)應(yīng)用尚有很大距離。另外，Ka波段和W波段云雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)等技術(shù)也在外場(chǎng)試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，有望在云降水物理觀測(cè)和人工影響天氣工作中首先得到應(yīng)用。

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Development and Application of Dual Linear Polarization Radar and Phased-array Radar

Liu Liping, Hu Zhiqun, Wu Chong
（State Key Laboratory of Severe Weather， Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081）

The Polarimetric upgrades to NEXRAD radar (WSR-88D) and development of phased-array radar in USA are reviewed, the application of the two radars on watching and warning of severe weather are analyzed, especially in quantitative precipitation estimate （QPE） and hydrometer classification of dual polarization radar， tornado watching and warning with phased-array radar. The current status and development of dual polarization radar and phased-array radar in China are presented in this paper. This paper is value for application of these two kinds of radars.

dual polarization radar， phased-array radar， quantitative precipitation estimate and hydrometer classification， tornado watching and warning

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.003

2016年2月23日；

2016 年4月7日

劉黎平（1963—），Email: lpliu@camscma.cn

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91337103）