鹽城市X波段全固態雙偏振天氣雷達在探測短時強對流天氣中的應用

張昕 陳超★ 顧淏清 繆明榕 朱毅 孫正齊

（1.鹽城市氣象局，江蘇 鹽城 224005；2.鹽城市大豐區氣象局，江蘇 鹽城 224100；3.南通市氣象局，江蘇 南通 226001；4.南京恩瑞特實業有限公司，江蘇 南京，211100）

0 引言

鹽城市X波段全固態雙偏振天氣雷達現已建設完成鹽都、大豐、阜寧三部分，雷達采用全固態體制、大口徑天線、脈沖壓縮、恒溫控制等先進技術[1-2]，整體布局上分為室外設備和室內設備兩部分。室外設備為雷達的天饋線系統[3]，包括天線罩、天線、天線座、外饋線系統；室內設備為雷達機柜，包括1個綜合機柜及UPS、配電箱等。雷達室外設備安裝在雷達塔樓頂上，室內部分安裝在雷達塔樓下方的主機房內，雷達探測的基數據在雷達站本地可看，也可以通過專線網絡傳輸到客戶終端，供異地實時查看雷達探測回波圖，回波數據經處理后發送到產品顯示終端（PUPS）以供使用[4-5]。設備運行以來，未發生故障，顯示了雷達良好的穩定性和可靠性，在中小尺度強對流天氣的監測預警中發揮著重要作用。

1 案例分析

1.1 建湖縣收成村龍卷天氣

2021年8月20日17時至21時期間，江蘇淮安、鹽城多地發生雷暴大風天氣，并伴隨有弱龍卷。其中，約在19點10至40分，超級單體途徑鹽城市建湖縣收成村（東經119°39′51″，北緯33°26′52″），并在當地產生弱龍卷。距離龍卷最近的S波段業務雷達為鹽城雷達，距離為50千米（最低仰角觀測高度為600米）。最近的X波段雷達為鹽都雷達，距離為35千米（最低仰角觀測高度為400米）。

1.1.1 龍卷母體風暴發展演變過程

從反射率看，鹽都X波段雷達與鹽城S波段雷達均很好地反映了龍卷母體風暴的發展演變特征，如圖1和圖2中的黑色箭頭所示，超級單體風暴尺度約30千米，在19點10分（北京時間，下同），超級單體出現典型勾狀回波特征及對應龍卷TVS特征[6-7]。19點20分，超級單體進一步增強，表現出明顯的旋轉特征，其西南方向有明顯的勾狀回波特征[8]，對應速度場可見明顯的正負速度對,其中X波段測量最大速度差為35m/s，S波段測量最大速度差為22m/s。相較于S波段雷達，由于X波段雷達波束寬度小（0.5°，S波段雷達為1°），庫長短（60米，S波段雷達為250米），其采樣體積僅為S波段雷達的約1/16，即空間分辨率比S波段天氣雷達高約16倍，X波段雷達在小尺度天氣系統中可探測到更精準的結構以及數據極值[9]。

圖1 鹽都X 波段雷達（左列）及鹽城S 波段雷達（右列）回波演變，黑色箭頭指示龍卷母體風暴位置

圖2 鹽都X 波段雷達（左列）及鹽城S 波段雷達（右列）徑向速度演變，黑色箭頭指示龍卷渦旋位置

從時間演變分析，本次龍卷單體過程最強時刻為19點20分，觀測最大徑向風速超過20m/s（如圖3所示，鹽都X波段雷達0.6°，高度約600米），鹽城S波段雷達最低仰角為0.5°，同時距離較遠，采樣體積較大，觀測到的最大風力為14m/s。

1.1.2 龍卷風場結構特征分析

取龍卷最強時刻19點20分對龍卷風場結構特征進行細致分析，如圖3所示，龍卷的渦旋結構在不同高度層表現出傾斜分裂的復雜內部結構特征[10]。由于龍卷的尺度較小，通常僅為百米級別，常規的低分辨率探測手段僅能探測其總體結構特征，以SA雷達250米徑向分辨率、1°角度分辨率為例，1km距離在徑向上僅為4個庫，在50km探測距離時，1km距離在切向上不足3個庫。而X波段雷達徑向分辨率可達到60米，角度分辨率達到0.5°，1km距離在徑向上可達16個庫，在50km探測距離時，1km距離在切向上達到6個庫。對于龍卷渦旋，通常尺度為百米級，以1km2計，可探測96個觀測點，有效辨別更為細微的內部結構特征。同時，采樣體積的減小有助于降低速度測量的誤差，更好地測量速度的極值。

圖3 鹽都X 波段雷達觀測的徑向速度剖面與龍卷形成機理示意圖

鹽城S波段雷達與鹽都X波段雷達均可觀測到龍卷渦旋結構特征（TVS特征），相較于S波段雷達（15m/s），X波段雷達觀測到的速度與最大速度的差達到了30m/s。

在0.3°/0.6°仰角，鹽都X波段雷達同時觀測到中氣旋和中反氣旋結構，而鹽城S波段雷達只觀測到中氣旋結構。這表明，X波段雷達對于S波段雷達在探測精細程度上有明顯的提升。

由中氣旋與中反氣旋中心的徑向速度垂直剖面可見，中氣旋中心高度為1km，最大速度差可達35m/s；中反氣旋中心高度為500m，最大速度差可達15m/s。這些特征表明，龍卷渦旋中除去氣旋性結構特征外，同時存在下沉中反氣旋，這些結構對于龍卷的形成和維持有重要作用。同時，X波段高空間分辨率雷達觀測到的微觀結構與龍卷形成機理能夠較好地吻合。

1.1.3 龍卷偏振結構特征分析

除反射率及徑向速度反映的龍卷渦旋特征（TVS）之外，雷達偏振量觀測同樣可以觀測到龍卷單體特有的特征結構，例如龍卷殘骸特征（TDS）。如圖4所示，勾狀回波的位置通常伴隨較大的差分反射率，龍卷渦旋的中心位置（勾狀回波包圍的碎片區）則出現了較低且起伏的差分反射率和相關系數。這些特征反映了龍卷卷起的地面物體，相較于S波段雷達，X波段雷達由于其反射率更高，其偏振量結構特征較為明顯。同時，由于X波段的衰減[11]，在風暴的遠端出現了部分負的差分反射率特征。

圖4 鹽都X 波段雷達（左列，0.6°仰角）及鹽城S 波段雷達（右列，0.5°仰角）的差分反射

1.2 鹽城大豐超級單體風暴

2021年7月15日15時前后，鹽城大豐出現超級單體風暴，并伴有大風、冰雹等強對流天氣。

1.2.1 超級單體風暴發展演變過程

從鹽都雷達觀測結果可以看出：靠近雷達處存在一西北至東南走向的陣風鋒系統，在陣風鋒的觸發作用下，在大豐北部有對流單體開始發展。之后，對流單體不斷發展加強，14點44分在單體前側的入流作用下出現“V”型缺口特征（圖5左）。鹽城S波段雷達同樣觀測到陣風鋒以及超級單體風暴的發展演變過程（圖5右），但相較鹽都X波段雷達，鹽城雷達觀測的精度以及風暴內部結構的精細化程度都不及鹽都雷達。

圖5 鹽都雷達0.6°（左）與鹽城雷達0.5°（右）仰角反射率因子

1.2.2 偏振量與相態識別

從鹽都X波段雷達的偏振量觀測結果分析，在4km高度存在明顯的融化層；在4km高度以上，相關系數（CC）接近于1，差分反射率因子（Zdr）接近于0，差分傳播相移率（Kdp）小于0或接近于0，此時相態識別結果為低密度霰、高密度霰或冰雹；在4km以下靠近雷達一側,CC接近于1，Zdr和Kdp為大值區，此時相態識別結果為雨或大滴；在4km以下遠離雷達一側，CC值較小，Zdr和Kdp相較強降水區也都為小值區，Zdr由于衰減作用在遠離雷達一側變為負值，此時相態識別結果為冰雹、雨或大滴。

2 結論

從業務應用效果來看，X波段雷達能夠實現對強對流、大風等災害天氣復雜熱、動力結構的精細化觀測，顯著改善了業務監測預警能力。相較X波段雷達，鹽城S波段雷達的相態識別結果存在較多不合理的區域，如高層出現了大范圍雨區，0°層和-20°層間未識別出冰雹增長區，這也表明鹽都X波段雷達偏振量的觀測質量更高。在未來的業務運行中，將繼續開展S波段與X波段等多波段雷達的協同觀測，以期取得更好的預警預報效果。