S波段多普勒天氣雷達對小滴譜降水探測能力的探討

喜 度，王凌震

（江蘇省氣象探測中心，江蘇 南京 210008）

1 引言

新一代S波段多普勒天氣雷達已在江蘇省使用多年，近三年來又新增淮安和宿遷兩部雷達，使得江蘇省氣象業務使用中雷達數量達到9部。多年的使用讓許多業務人員耳聞目睹的是雷達的高靈敏度和高精度，但是對雷達氣象不很熟悉的業務人員，在業務工作應用雷達資料的時候，對雷達的探測能力仍不是很了解。許多業務人員認為既然是高靈敏度雷達，應該連云回波都能看到，并且能觀測到所有降水。不少業務人員試圖用S波段新一代多普勒天氣雷達觀測霧回波，而在秋冬季實況有降水而雷達沒有回波時，就認為雷達有故障了。因此，有必要對S波段新一代多普勒天氣雷達的探測能力再進行一些探討。

2 降水粒子直徑、雷達波長和雷達散射截面的關系

當粒子直徑d＜＜λ雷達波長時，降水粒子對雷達波的散射稱為瑞利散射。對S波段多普勒雷達，波長為10 cm，在探測弱降水時肯定滿足瑞利散射。在瑞利散射下，δ=cd6/λ4，其中δ為雷達散射截面，也就是δ和降水粒子直徑的6次方成正比，和雷達波長的4次方成反比。

Z的定義和雷達氣象方程如下：

式（1）（2）中：Z為雷達反射率因子；P為雷達接收到的散射功率；C為常系數。

可以看出，P和降水粒子直徑的6次方成正比，和雷達波長的4次方成反比。因此，當雷達使用較長波長、降水雨滴直徑變小時，散射到雷達天線的雷達波功率就會急劇變小。不同雨強的滴譜分布如表1所示。根據項目統計，從表1中可以看出，隨著降水量的增大，雨滴直徑逐步增大。但即使雨強達到150 mm/h，雨滴直徑最終分布大多限定在0.05～0.45 cm之間，大型雨滴較容易破碎。

表1 不同雨強的滴譜分布

如果假設雷達功率、靈敏度、增益等相同，雷達最大探測距離與降水強度和波長的關系如圖1所示。可以看出，在其它條件相同的情況下，對1 mm/h以下的降水，10 cm波長的雷達要比3 cm波長的雷達探測距離小200 km左右，對于弱降水而言，S波段多普勒雷達探測能力明顯弱很多。

圖1 雷達最大探測距離與降水強度和波長的關系

3 實際雷達的情況

根據雷達的性能指標計算，早期713氣象雷達的靈敏度在10 km處等效約為-11 Dbz左右。SA的靈敏度在10 km處等效約-18 Dbz。對S波段多普勒雷達，降水粒子直徑d=0.2 cm時，計算雷達散射截面δ=1.88e-8cm2，d=0.1 cm時，δ=2.945e-10cm2。說明當雨滴直徑減小一半時，散射截面減小約100倍，對應回波小20 Dbz。

按項目統計的Z-I關系計算，5 Dbz的回波約對應0.4 mm/h的降水，而按理論計算，S波段多普勒雷達應該能在100 km的地方觀測到2 Dbz的回波，也就是說，一般情況下，S波段多普勒雷達對強度為0.4 mm/h降水的觀測能力為100 km。一般情況下S波段多普勒雷達對弱回波的觀測能力如圖2所示。如圖2所示，在實際業務工作中，由于雨滴譜的變化等原因，根據有限的資料統計，在測站周圍50 km半徑內，雷達觀測到的降水極限值為0.4 mm/h，如圖2（a）所示。冬季有時也能觀測到10 Dbz以上的云回波，如圖2（b）所示。

4 影響雷達對弱降水觀測的其他原因

影響雷達對弱降水觀測的其他原因有：①地球曲率的影響。S波段多普勒雷達的第一個觀測仰角為0.5°，約在200 km處，已觀測不到4 km高度以下的雷達回波。②遮擋的影響，比如南京雷達在204°～240°的方位上有0.8°的擋角，對于強降水回波高度比較高，不太影響觀測，而對于弱降水，回波高度比較低，容易被遮擋導致觀測不到。

5 改善方法

應該充分應用自動站資料，江蘇省氣象自動站目前已經比較密集，充分應用自動資料和雷達結合分析，制作短時預報，能夠彌補S波段對弱回波探測的不足，提高預報的準確性；用X波段的雷達彌補S波段雷達的不足。從上面的討論可以看出，X波段（3 cm）的雷達對弱降水的探測能力明顯高于S波段的雷達，在美國新一代雷達布網中，將在S波段雷達網中插補大量的X波段的雷達，如圖3所示。江蘇省原來有十幾部X波段的雷達，通過進行現代化改造和新建雙偏振X波段雷達的方式，可作為現有S波段雷達網的補充，以此來充分彌補S波段的雷達網不足，大大提高整個雷達網的探測能力。

圖2 一般情況下S波段多普勒雷達對弱回波的觀測能力

圖3 美國規劃的雷達網

6 結語

任何雷達的觀測能力都是有局限性的，S波段多普勒天氣雷達使用10 cm波長，雷達功率大，靈敏度高，提高了一般降水觀測性能，但對于雨滴直徑比較小的弱降水，由于使用的波長比較長，再加上散射截面和雨滴直徑的6次方成正比，兩種因素相互作用，仍有可能觀測不到回波。使用雷達產品的業務人員應該對雷達的觀測能力有正確的認識。