X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達支線機場應用及分析

康曉華　周文杰　陳昶

摘 要：本文以在陜西省榆林榆陽機場試驗驗證的X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達為例，論述了工作原理，分析了雙偏振探測效果，對比了不同天氣條件下的雷達產品，通過典型的天氣過程分析該型雷達產品對榆林機場航空氣象服務的支持能力，對全國其它支線機場的航空氣象服務具有借鑒意義。

關鍵詞：X波段 雙偏振 試驗驗證 航空氣象服務

引 語

X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達，具備多普勒天氣雷達的功能，獲取回波的強度、相位信息之外，還具備獲取了回波的偏振（極化）信息，通常有如下幾種雙偏振參數：差分反射率因子，差分傳播相位常數，線性退偏振比，相關系數。此外，它還具有全固態的優勢，故障率低、體積小、輕便、易安裝、易維護等特點。

中國民航局于2012年下發的《民用機場多普勒天氣雷達系統技術規范》中關于天氣雷達頻率的種類增加了X波段，旨在滿足不同類型的機場的需要。近幾年，中國民用航空運輸機場中也開始逐步應用X波段天氣雷達，例如呼倫貝爾東山國際機場、祁連機場等。因此，研究X波段雙偏振多普勒天氣雷達在支線機場的應用具有重要意義。

雙偏振天氣雷達經過多年的研究應用，技術已日趨成熟，國內生產廠家較多，如中電14所、中電38所、航天二院23所、成都錦江784廠等均有不同型號、不同波段的雙偏振天氣雷達。

1 基本原理

本文所涉及的X波段雙偏振多普勒天氣雷達是航天二院23所研制的WR-X100型，屬于單發雙收偏振天氣雷達，發射機采用全固態體制，其系統組成框圖如圖1所示：

雷達發射機根據系統的工作時序，產生高功率的脈沖信號，經過波導、極化開關、環行器、耦合器和正交模耦合器到達饋源，根據極化開關控制狀態以水平或垂直極化方式由天線輻射出去。

天線輻射出去的電磁波遇到云、雨等氣象目標，產生后向散射，成為氣象目標的回波信號。經天線接收到的回波信號通過正交模耦合器后分為兩路，一路經環行器、保護開關、耦合器，送往接收機的水平極化接收通道；另一路經環行器、保護開關、耦合器，進入接收機的垂直極化接收通道。兩路回波信號經低噪聲放大、兩次混頻和濾波后，最終形成60MHz的中頻信號。數字中頻接收機對水平極化中頻信號和垂直極化中頻信號進行A/D變換、數字下變頻、濾波、脈壓等處理，得到信號功率、頻率和相位信息，形成兩路相干的反映信號強度和相位信息的數字正交視頻信號I、Q，信號處理器對I、Q正交視頻信號進行數字視頻積分處理（DVIP）、脈沖對（PPP）或快速傅立葉變換（FFT）等處理后，輸出氣象目標的信號功率、徑向速度、速度譜寬、信噪比、信號質量指數、雙程差分傳播相移、零延遲相關系數等參數，通過系統軟件的進一步處理，并進行一定的質量控制，生成并顯示回波強度、徑向速度、譜寬、線性退極化比、差分反射率因子、差分傳播相位常數等。

終端分系統不僅可以實時向用戶提供氣象目標的位置、強弱、徑向速度、譜寬及極化特征等信息，并且可以通過進一步處理，提供基本數據產品、物理量產品、風場反演產品、識別產品等氣象產品。

2 雙偏振探測效果分析

我們選取2016年7月5日至2017年9月9日天氣雷達的雙偏振產品為依據，通過榆林機場的天氣過程實例對雷達雙偏振產品進行分析。

1、差分反射率

差分反射率是有效的估算粒子的形狀參數之一，其表達式為：

其中，式1中Zhh為雷達發射水平偏振波時接收水平偏振波的反射率因子dBZ值；Zvv為雷達發射垂直偏振波時接收垂直偏振波的反射率因子dBZ值。通常，氣象回波Zdr典型值在-2～6dB之間。雨滴的形狀近似扁平的橢球體，若雨滴越大，粒子形狀越接近扁平，水平極化波遇到粒子后向散射的回波功率將比垂直極化波后向散射回波功率大得多，即Zhh>Zvv，因此，Zdr>0；冰雹的形態為球形，水平極化波遇到粒子后向散射的回波功率等于垂直極化波后向散射回波功率，即Zhh=Zvv，因此，Zdr=0。

圖2為一次雨夾雪天氣過程中的Zdr圖像，榆林機場出現雨夾雪天氣，以雨為主。圖中榆林機場10km范圍內Zdr在0.5～1之間；10km～40km范圍內稍高云層中存在大量固態降水粒子，Zdr在-1～0之間。

2、相關系數

相關系數描述了雷達發射的水平極化波與垂直極化波后向散射回波特性的一致性程度。零值極化相關系數其表達式為：

（式2）

Rhh（0）、Rvv（0）分別是水平極化回波與垂直極化回波的零階自相關函數，而Rhv（0）為水平極化回波與垂直極化回波的零階互相關函數。當水平極化波和垂直極化波完全一致時，ρhv（0）為100%，即為1，否則<1。有些雷達的相關系數的分辨率為0.0001，精度為0.01。

在比較基本反射率，差分反射率與相關系數的產品發現，影響識別粒子的因素，也將影響ρhv（0）值的大小。后文中相關系數用ρ來表示。

圖3為一次強雷暴天氣過程中的ρhv（0）圖像，榆林機場東部25km～40km處出現降水伴冰雹。圖中黑色橢圓處，其ρhv（0）<0.8，顯示出區域內降水粒子的一致性較低，存在大量不同相態的降水粒子。

3、差分傳播相移

在雙偏振天氣雷達中，差分相移用來研究給定距離上水平極化脈沖與垂直極化脈沖沿同一傳播介質路徑上傳播導致的相位差值。降水粒子降落時形狀類似橢球體，水平軸距要大于垂直軸距，水平極化脈沖在水平方向上受雨水的影響更大，在雨滴中傳播的速度比垂直極化脈沖傳播的速度慢。其表達式為：

（式3）

式中，，為水平偏振波通過降水目標后散射回天線的相對變化量，為垂直偏振波通過降水目標后散射回天線的相對變化量。由于降水目標處于運動狀態，和的量是不同的。

是降水目標區中距雷達r1和r2兩點之間區域的平均差分傳播相位常數。降水區中的液態水含量越多，值越大。

過去定量測量降水依據Z-I（反射率-雨強）模式，因為受雨滴譜易變的影響，如降水中出現冰雹，使Z值增大，就會估高降水量。

圖4為一次強雷暴天氣過程中的圖像，榆林機場東部25km～40km處出現降水伴冰雹，較為均勻，并未因出現冰雹而對降水量出現明顯高估。

4、線退偏振比

線退偏振比LDR定義為交叉偏振信號功率與同向偏振信號功率的比值。其公式表示為：

dB（式4）

或者

dB（式5）

式中是發射水平偏振波時，接收到垂直偏振波的反射率因子dBZ值。

中科院大氣物理研究所漆梁波等2002年的數值研究表明，利用LDR<-35dB這一判斷來識別冰雹，無論對X、C、S波段天氣雷達均有效。

由于交叉偏振的功率值比同向偏振功率要小兩個數量級以上，所以線性退偏振比比差分反射率因子和相關系數更容易受到噪聲污染的影響。

當球形水凝物降落，它們的主軸既不平行也不垂直于電場方向時就會產生交叉偏振信號，即意味著如果一個垂直（水平）偏振的入射電場與某個軸平行的話則不會產生水平（垂直）偏振的后向散射，因此，LDR趨向于-∞dB。在降落過程中，扁平球形粒子搖擺不定，因此會產生一個傾斜角的分布，因此LDR值會增大。另外，不規則形狀的水凝物也能導致LDR增加。

由降雨引起的退偏振比值非常小，約為-30dB左右。扁平干冰雹或霰的退偏振比約為-20dB，雪花即使顆粒非常扁平，其偏振比也非常小，大約-32dB左右。

圖5為一次冰雹天氣過程中的圖像。在榆林機場東部18km處附近出現冰雹天氣。

在實際的天氣過程分析中，單一的偏振量不能準確判斷天氣現象的時候，需要利用其它氣象因素（物理量）來綜合判斷。

3 天氣過程分析

雷達系統的使用效果最終體現在航空氣象服務上，而復雜天氣過程的分析能夠較全面地檢驗雷達產品的性能。選取若干榆林機場保障的典型天氣過程，對該型雷達在監測預警和短臨預報中的應用進行簡要分析。

與X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達試驗驗證分析對比的天氣雷達是陜西省榆林氣象局CINRAD/CB雷達，數據對比前應考慮的因素是相對坐標位置和地物雜波。

（1）相對坐標位置

（2）地物雜波的影響

圖7可以看出，0.5°PPI掃描榆林機場東部30°～150°方向50km有明顯地物遮擋，1.5°PPI地物對回波仍有影響，2.4°基本無影響，因此，數據對比過程中應考慮地物對回波反射率的影響，選擇體掃數據中第三層（2.4°）及以上可以基本剔除地物對于回波反射率的影響。

1、颮線

2016年7月14日傍晚，有颮線自西北向東南逼近榆林機場，由X波段雷達的組合反射率（CR）演變分析，颮線的形態清晰，颮線上的雷暴單體組織結構完整，回波邊界清楚，能夠觀測到颮線系統的移動和單體的形態變化，從而判斷系統的移向移速和發展趨勢。如下圖8所示：

對比X波段雷達與C波段雷達相近時次的組合反射率（CR）產品（圖9中左圖為X波段雷達，右圖為C波段雷達），二者探測到的颮線系統的形態、結構和回波強度基本一致，對流單體的數量和位置一致；X波段雷達在颮線后部的較強回波處探測到的回波反射率因子較弱（右圖紫圈處），主要是由于X波段雷達相比于C波段雷達的電磁波穿透能力較弱，有一定程度的衰減。

X波段雷達產品終端中的二次產品“風暴信息追蹤”，準確識別出7個強對流單體，如下圖10中白圈所示。

2、雨夾雪

2017年3月23日，榆林機場出現雨夾雪天氣。雷達雙偏振產品圖選取了體掃中的第三層，距中心點約60公里處觀測到零度層亮帶，且零度層亮帶回波清晰、形態完整，結合仰角和水平距離信息，可以估算零度層所在高度，對榆林機場及附近降水的相態判斷有指示意義：中心點附近差分反射率約1～3dB，中心點附近在-10～-15dB，回波中心區域相關系數ρ在0.8～0.9之間，結合上述信息，可以判斷其降水相態為濕雪或雨夾雪。如下圖11所示：

3、層狀云降水

圖12左圖為C波段雷達，右圖為X波段雷達，對比相近時次兩部雷達的組合反射率（CR）產品，二者回波范圍、回波形態基本一致。

4、冰雹

2017年06月14日16時30分～2017年06月14日17時20分，榆林機場榆林機場出現雷雨天氣并伴有冰雹。由兩部雷達（圖13中左圖為C波段雷達，右圖為X波段雷達）1.5°仰角下的PPI圖像可以看出，在機場西北方向有一西北-東南向線狀回波逼近榆林機場，最強處回波反射率強度約65dBz；榆林機場東部孤立對流回波的缺失主要是由于東部地形的遮擋和此X波段雷達探測距離只有100公里導致。

16時34分X波段雷達在該時次2.4°仰角下的Z、、ρ、產品經放大后如下圖14所示：

經分析，中心點及附近回波反射率強度大于50dBz，極大值約65dBz，約1～2dB，為較小的正值，ρ在0.9～0.95之間，結合上述信息，可以判斷出上述區域有冰雹出現，且為小雹或雹雨混合降水。

16時48分，榆林機場出現冰雹，觀測發布SPECI報，報文內容如下圖15所示，與雷達信息分析出的結論相吻合。

5.雷暴

2017年7月25日下午，榆林機場出現一次雷雨天氣過程。預報員通過對天氣形勢的判斷和雷達信息（如下圖16）的分析，認為榆林機場西部的對流回波將東移影響榆林機場，得出榆林機場將出現雷雨的天氣結論，并在13時（世界時）的機場例行天氣報告（METAR報）中附加榆林機場將出現中等強度雷雨的趨勢預報，在隨后的機場例行天氣報告（METAR報）及機場特殊天氣報告（SPEIC報）（如下圖）中得到了驗證。

4 結語

本文在試驗驗證過程中獲取資料的天氣現象種類有限，只是初步定性分析了各偏振因子與降水強度、冰雹等的對應關系。通過此次試驗驗證的觀測資料分析，得出如下結論：

（1）X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達功能、性能能夠滿足支線機場航空氣象業務的需求。

（2）X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達整體性能穩定，移動和架設快捷方便，可在重大活動和突發性事件的天氣監測預警預報工作中發揮作用。

（3）雷達觀測所取得的雙偏振產品資料基本可靠。反射率因子Z的值能較好地反映降水的強度，差分傳播相移和相關系數ρ的值能較好地反映云內粒子相態。總體而言，強度信息與偏振量有較好的對應。

（4）雷達存在速度模糊，在降低探測距離的情況下，不能較好的消除速度模糊，采用雙發雙收的系統架構對消除速度模糊有較好的作用。

應用結果表明，X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達工作穩定，功能齊全，探測數據時空分辨率高，準確可靠，實際應用中彌補了支線機場無降水、降雪、雷暴等天氣現象自動探測設備的空白，實用性強，對提升支線機場短時臨近預報的提前量和準確性有重大意義，對提高支線機場的監測預警能力具有積極作用，符合民航支線機場氣象觀測和預報業務的發展需求。

參考文獻：

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