面向業務應用的上海地區毫米波云雷達觀測質量評估

摘要 基于寶山國家基本氣象站部署的毫米波云雷達2019年的觀測數據，輔以激光雨滴譜、微雨雷達、探空資料、風云四號衛星產品、地面雨量計等多元觀測數據，從探測穩定性、探測能力、基數據和產品數據探測合理性等方面開展了毫米波云雷達觀測質量評估。結果表明：毫米波云雷達在試驗期間僅出現單次軟件故障，且基數據全年獲取率高于95％，探測穩定性較好;毫米波云雷達各高度最小可測回波強度位于-40～-20 dBZ，并隨高度呈現出與理論相符的指數遞減;9 km高度以下最小回波強度變化小于2 dB，最小回波探測能力穩定性較高，在降水率達到4～5 mm／h時，毫米波云雷達會出現強衰減導致的虛假晴空區。雖然多部毫米波云雷達的基數據存在差異，但與地面雨滴譜計算回波強度和微型雨雷達觀測回波強度具有一致的垂直分布及時間演變特征。毫米波云雷達探測云頂云底高度與探空資料估算云頂云底高度、風云四號衛星反演云頂高度具有一定的一致性。拼接縫和距離旁瓣虛假回波是較為直觀且能夠對業務化應用產生直接影響的問題。

關鍵詞毫米波云雷達;觀測質量評估;面向業務應用

云或者云系統作為大氣中微小水滴、冰晶、雪晶的單一或者混合集合體，常年覆蓋著地表約66％的面積（方樂鋅等，2016），其自身發展和參與的多種物理過程能夠將大氣動力過程、輻射過程、水分循環以及下墊面條件相耦合（Arakawa and Schubert，1974;Arakaw，2004），是天氣和氣候系統中各種熱力、動力和地表過程共同作用的結果（Ramanathan et al.，1989）。因此云的特性及其演變特征同時扮演著天氣和氣候系統的指示器與調節器，是天氣預報和氣候變化研究中最重要的對象之一（Liou，2004;屈右銘等，2012;彭沖等，2016;張華等，2019；唐雅慧等，2020）。

毫米波云雷達（下文簡稱：云雷達）作為以Ka波段（35 GHz／8 mm）和W波段（94 GHz／3 mm）為探測波長、以云和弱降水為觀測對象的遙感觀測儀器，借助其波長短的優勢，能夠實現分鐘級時間分辨率、數十米級空間分辨率的云雨結構特征精細化觀測（仲凌志等，2009），近年來被廣泛應用于對云宏觀、微觀以及動力學特性研究（Frisch et al.，1997;Wang and Sassen，2001;Ghate et al.，2010;Luke et al.，2010;Zhang et al.，2010;王德旺等，2012;黃興友等，2019，2020;楊曉等，2019;Yang et al.，2020;陳梓桐和李昀英，2022），體現出其在提升現有氣象業務觀測體系對云、特別是精細化云垂直結構的觀測能力方面具有很大潛力。

然而由于軟硬件體制標準化程度不高，國內外不同廠家生產的云雷達的性能差異仍存在較大的不確定性。因此，國內學者針對云雷達觀測質量這一業務應用中的核心問題，已陸續開展了利用探空資料、激光云高儀、地基紅外測云儀（胡樹貞等，2012;黃興友等，2013;吳舉秀等，2014;章文星和呂達仁，2014;唐英杰等，2015;李思騰等，2015;王喆等，2016;郝倚天等，2018）以及衛星遙感（張艷品等，2014）等觀測手段，對云雷達探測云頂和云底高度的比對分析工作，初步驗證了云雷達對云的良好探測能力。然而以往的分析工作絕大多數基于來自中國氣象局氣象探測中心在北京南郊觀測基地的試驗數據，而在我國華東地區開展的云雷達觀測與分析則主要基于美國大氣輻射測量計劃（ARM，Atmospheric Radiation Measurement）在安徽壽縣布設的進口云雷達（章文星和呂達仁，2014;張艷品等，2014）。與此同時，這些研究的試驗時段大都以1 mon或3 mon左右的中短期為主，僅有個別達到5 mon，幾乎未見對1 a或者更長時段云雷達觀測的分析評估。

因此，本文借助上海參與超大城市垂直綜合氣象觀測技術研究及試驗（下文簡稱：大城市觀測試驗）的機會，利用業務化探空、微雨雷達、雨量計等多源觀測，從探測穩定性、探測能力、探測合理性等方面，開展了對寶山國家基本氣象站（下文簡稱：寶山站）長期（自2018年起）布設國產云雷達觀測質量的評估分析，在充分認識國產云雷達現狀的同時，基于上海氣象部門自身的發展需求，對云雷達未來可進一步完善之處提出建議。

1 資料和方法

1.1 觀測資料

本文主要利用了包括云雷達、激光雨滴譜儀、風云四號衛星（下文簡稱：FY-4A）反演產品、微雨雷達、探空資料和地面雨量計共6類觀測資料，其中5類地基觀測儀器之間的部署間距不超過30 m，云雷達（兩部）和激光雨滴譜儀、微雨雷達間距更在10 m左右，觀測的空間一致性較好。

1.1.1 Ka波段毫米波云雷達

本文選取了布設于上海站的兩部國產Ka波段（8.6 mm）云雷達（CR_1和CR_2）。CR_1和CR_2均為全固態、全相參、采用脈沖壓縮技術、多脈沖拼接探測且工作頻率在35 GHz的多普勒云雷達，脈沖壓縮技術可實現基于多種脈寬壓縮生成30 m分辨率的雷達基數據。大城市觀測試驗期間均采用垂直天頂指向觀測方式，垂直分辨率為30 m。兩部云雷達探測范圍、探測模態和基數據分辨率等詳細信息參見表1。

因CR_2在2019年3月和8月底分別進行了軟件升級和標準輸出器的安裝，數據格式和內容都進行了大幅調整，因此為保證評估數據的一致性，本文評估分析工作主要基于CR_1在2019年觀測數據和CR_2在2019年4—8月的觀測數據。

1.1.2 激光雨滴譜儀和微雨雷達

為評估云雷達探測回波強度合理性，本文選用了與云雷達同址部署于寶山站的激光雨滴譜儀（Distrometer，德國OTT公司生產，型號為Parsivel，下文簡稱：雨滴譜儀）和微型雨雷達（德國METEK公司生產，型號為MRR-2，下文簡稱：微雨雷達）觀測資料。

雨滴譜儀利用激光測量雨滴的下落速度和粒子直徑，通過觀測一定時段（也即產品時間分辨率，本文所用數據為1 min）內各速度和直徑分檔范圍內里的粒子個數，獲得雨滴的雨滴速度譜與雨滴尺度譜。其中雨滴速度譜分32檔，探測范圍自0～0.15 m／s至19.8～24 m／s;雨滴尺度譜同樣分32檔，探測范圍自0～0.125 mm至23～26 mm。本文主要采用了該儀器2019年期間觀測雨滴譜信息反演地面雨滴回波強度，而后用于和云雷達探測回波強度比對分析。

微雨雷達選用K波段探測波，能夠觀測高至6 km范圍內的雷達回波強度、雨滴下落速度等降水結構信息，垂直和時間分辨率為200 m和1 min。本文主要采用了該儀器2019年7月13日觀測的回波強度分析云雷達探測回波強度垂直分布結構和時間演變特征的合理性。

1.1.3 探空資料和FY-4A衛星反演云頂高度

為評估云雷達的基礎產品數據、云頂高度和云底高度的探測準確性，本文同時利用了基于寶山站業務化探空估算的云頂、云底高度和FY-4A衛星反演的云頂高度產品。

寶山站探空資料屬于業務化觀測，每日分別在08：00（北京時，下同）和20：00左右進行2次觀測，汛期與觀測試驗等情況下在02：00和14：00左右分別按需增加1次觀測，能夠給出探空氣球升空期間的溫度、濕度和風向風速的秒級觀測，垂直分辨率可達10 m級（李偉等，2009）。利用該探空資料在2019年期間的數據，選取周毓荃和歐建軍（2010）的方法估算出云頂、云底高度用于和云雷達探測的云頂、云底高度進行比對分析。

FY-4A云頂高度產品給出了水平分辨率為4 km×4 km的像元中的云頂高度，選用的是2019年期間覆蓋寶山站像元的云頂高度產品數據開展與云雷達探測云頂高度初步比對。因FY-4A衛星提供全圓盤和中國區域產品，因此覆蓋寶山站像元的時間分辨率為5～15 min。

此外，本文還利用了寶山站的地面雨量計業務化觀測給出的逐小時降水強度用于分析云雷達在降水時段的衰減情況。

上述各類觀測資料的詳情參見表2。

1.2 評估內容

1.2.1 探測穩定性

觀測儀器的穩定性是業務化觀測和應用的先決條件之一。因此首先基于數據獲取率、大城市觀測試驗期間儀器故障情況分析了CR_1和CR_2兩部云雷達的探測穩定性。需指出的是，此處的數據獲取率是指，在固定時段內云雷達實際生成的觀測基數據文件個數與理論上無故障條件下應生成觀測基數據文件個數的比值，重點考察的是業務化觀測中觀測數據獲取的穩定性。

1.2.2 探測能力

本文從最弱回波探測能力和最強回波探測能力兩方面分析了云雷達的探測能力。最弱回波探測能力采用各高度上逐月和逐日最小可測回波強度（Minima Detectable Reflectivity）作為指標（仲凌志，2009），通過統計CR_1在各探測高度上最小可測回波強度的逐月和逐日變化進行評估分析。最強回波探測能力以云雷達發生強衰減時的降水強度作為指標，通過結合地面小時降水強度、近地面回波強度和回波探測高度銳減特征進行評估分析。

1.2.3 探測合理性

本文基于雨滴譜儀數據評估了云雷達探測回波強度的合理性。首先基于地面雨滴譜觀測雨滴尺度譜和速度譜，利用謝蕾等（2014）的方法，采用公式（1）計算出雨滴體積數濃度后通過公式（2）、（3）計算出降至地面的雨滴的回波強度。

式（1）中：nij為雨滴譜儀激光探測平面上采樣時段內雨滴直徑分檔第i分檔和雨滴下落速度分檔第j分檔中的雨滴個數，也即面積數濃度;vj表示第j速度分檔中的雨滴下落速度平均值；ΔDi為第i直徑分檔的區間寬度;S表示雨滴譜儀采樣面積（0.005 4 m2）；T為采樣時段（1 min）；Nij表示采樣時段內雨滴直徑分檔第i分檔和雨滴下落速度分檔第j分檔中的雨滴個數，也即雨滴體積數濃度。

式（2）和（3）中：Zj為采樣時段內第j速度分檔中的雷達反射率因子（回波強度）；Di為第i直徑分檔中粒子直徑的平均值；Nij和ΔDi意義同式（1），Z為采樣時段內所有直徑分檔和速度分檔中雨滴的雷達反射率因子（回波強度）。

本文同時還通過對比微雨雷達探測回波強度的時間高度分布與云雷達做個例的直接對比，分析云雷達探測回波強度垂直方向的分布結構及其隨時間演變的合理性。

本文采用周毓荃和歐建軍（2010）中的方法，評估了云雷達反演云頂高度和云底高度的合理性。首先基于業務化探空資料，利用相對濕度閾值法，同時考慮冰相相對濕度的重新計算，估算出云頂、云底高度，開展與云雷達云頂、云底高度比對分析，同時采用個例和統計分析初步比對了FY-4A反演云頂高度與云雷達探測的云頂高度。

2 結果分析

2.1 探測穩定性

2.1.1 數據獲取率

CR_1和CR_2的基數據獲取率由表3給出。結果表明CR_1各月基數據的獲取率均在90％以上，最高可達99％，全年數據獲取率為96％。CR_2各月的數據獲取率也都超過95％，有3 mon的數據獲取率達到了100％，整體數據獲取率為98.7％。

2.1.2 儀器故障情況

CR_1在2019年觀測期間，僅在2019年7月26日發生一次軟件無故退出，重啟后恢復正常;CR_2在2019年4—8月觀測期間未出現故障。總體而言，兩臺云雷達的探測穩定性較高，具有較強的業務化觀測潛力。

2.2 探測能力

2.2.1 最小可測回波強度

圖1給出的是CR_1最小可測回波強度隨高度的分布廓線，其中圖1a為2019年各月變化情況，圖1b、1c和1d分別給出大城市觀測試驗期間在2019年4月2日、2019年9月7日和2019年11月1日開展的3次定標前后各約1 mon的比較，可以看出CR_1的探測能力隨高度的分布呈現出與理論一致的指數分布，且各月變化較小。定量而言，3.6 km以下各月最小可測回波強度的最大差距小于1.5 dB，3.6～9 km范圍內最大差距小于2 dB，12 km以上最大差距可達3 dB。

從最小可測回波強度值的分布范圍來看，各高度最小可測回波強度值都在-20 dBZ以下，近地層最小可測回波接近-40 dBZ。特別值得注意的是，3次定標前后的變化也非常小，最小可測回波強度探測能力的穩定性較高。最小可測回波強度在垂直方向上的3組分段曲線也清楚地反映出CR_1各高度上的探測模態的差異。3.6～15 km、1.2～3.6 km和30 m～1.2 km范圍內最小可測回波強度主要決定于卷云模態、中云模態和邊界層模態的探測能力。

圖2a給出的是CR_1各高度最小可測回波在2019年一整年的逐日變化，可以看出各高度最小回波探測能力在整年呈現出微弱增強（既同一高度最小可測回波強度值變更小，探測能力增強）而后在10月下旬出現小幅降低的變化特征，各高度變化趨勢基本一致，且同一高度的整年變化在2 dB以內，變化幅度較小。圖2b給出的是2019年整年實測回波強度在各高度上的概率分布與相干積累設置為4時計算出的理論各高度最小可測回波強度參考線，可以看出實測數據達到了理論測值。

2.2.2 衰減影響

大城市觀測試驗期間，云雷達體現出對降水云雨也具有一定的觀測能力，但在降水強度較強時，強衰減作用會導致云雷達出現強衰減現象，表現為近地層回波強度大，但探測回波高度銳減，形成回波強度、垂直速度和速度譜寬的“空窗區”。因此，為充分認識降水強度對云雷達回波的衰減影響，強化對降水期云雷達探測回波強度分布的理解，避免業務應用人員對無云區產生錯誤認識，本文結合地面小時降水和云雷達探測回波強度的時間高度演變特征對降水的衰減影響進行了定性分析。

圖3給出了大城市觀測試驗期間幾個典型的強降水情況，彩色陰影部分給出的是云雷達的回波強度時間高度剖面，下方藍色柱狀圖給出逐小時降水率。結果表明，5月26日07：00—08：00和11：00—13：00（圖3a），8月18日（圖3b）17：00—18：00都出現回波探測高度從前一時段的10 km以上銳減至5 km左右，在時間高度剖面上形成顯著的“回波縫隙”現象。結合相應時段近地面回波強度超過40 dBZ，且地面小時降水率都在4 mm／h以上，可以判斷發生了強降水導致云雷達探測信號的強烈衰減，“回波縫隙”是衰減出現的假無云雨區。圖3c、3d給出的是CR_2對應的觀測，可以看出雖然CR_2的回波強度明顯弱于CR_1，但是也在對應時段發生了因衰減導致的“回波縫隙”現象，且因探測高度范圍為12 km，12 km以上的云信息無法獲取。通過對2019年觀測期間所有CR_1回波分布特征的分析，主觀選出云雷達回波發生“回波縫隙”現象共23 d，對“回波縫隙”現象時段的降水率分析表明，云雷達信號出現此類現象的降水率閾值約為4～5 mm／h。后續我們將進一步通過分鐘級降水數據開展云雷達探測信號強衰減的降雨強度閾值和衰減時段識別算法，進一步改善云雷達的可用性。

2.3 探測合理性

2.3.1 回波強度探測合理性

大城市觀測試驗期間發現，同址部署的CR_1和CR_2在同時間和同高度探測的回波強度存在較大差異，這對于基于回波強度進行云系統強度結構分析和后續基于回波強度開展液態水含量等云參數的反演都會產生較大影響。因此本文以月為單位比較了兩臺云雷達回波強度、垂直速度和速度譜寬三種基數據的系統性差異。結果表明，2019年4—8月，CR_1和CR_2之間的系統性差異相類似，由圖4給出比較樣本較多的2019年6月整月CR_1和CR_2回波強度、垂直速度和速度譜寬的差值（CR_1-CR_2）隨高度的統計分布特征。

結果表明，回波強度方面，CR_1所測回波強度在各月各高度上都存在系統性偏大，且差值的最大值可超過20 dB，各高度差值的平均值也在10 dB這一量級;垂直速度方面，CR_1系統性略微偏小于CR_2，3～9 km高度范圍偏差較大，平均差異在0.5 m／s左右;速度譜寬方面，CR_1系統性略微偏大于CR_2，也在3～9 km高度范圍內出現較大偏差，平均差異在0.5 m／s左右。經與云雷達生產廠家和臺站維護人員的詳細溝通，我們認為兩部云雷達產生較大系統性誤差的最大可能是來自定標。生產廠家技術人員表示因兩部云雷達的定標方法和硬件指標上存在一定差異，尚無較好的技術手段能夠實現兩部云雷達的聯合定標，而兩部云雷達的各自定標就會產生較大偏差，技術人員在北京等其他參與超大城市試驗的地區也發現了類似的問題。因此，在云雷達進一步推進業務化的過程中，如何實現多生產廠家多型號雷達的聯合定標，保證探測一致，也是未來業務化的關鍵問題之一。

本文用雨滴譜計算回波強度，并通過云雷達低層回波與雨滴譜反演回波的比對分析，評估云雷達探測回波強度的合理性。圖5a以2019年5月26日為例，給出CR_1在60～90 m、120～150 m、180～210 m、240～270 m和300～330 m雷達庫觀測回波強度以及地面雨滴譜計算回波強度的比對。結果發現，CR_1除60～90 m雷達庫外，各高度探測回波強度與雨滴譜計算回波強度變化趨勢相一致，說明云雷達能夠很好反映出云雨強度的相對變化。但60～90 m雷達庫回波強度數據變化情況難以解釋，并且實際有測值的高度起始于60～90 m，晚于雷達理論設計（30～60 m）一個高度庫。圖5b給出同時段CR_2與雨滴譜回波的比對情況，結果發現，CR_2實際有測值的高度起始于270～300 m，

早于雷達理論設計（300～330 m）一個高度庫;CR_2各高度回波強度隨高度呈現出減小的情況，且540 m以下各高度的回波強度都小于雨滴譜計算回波強度。圖5c給出CR_1和CR_2自地面起，同時存在數據的前4個雷達庫探測回波強度與雨滴譜計算回波強度的直接比較，可以看出兩部云雷達之間回波強度確實如圖4a所示，CR_1顯著大于CR_2，同時值得注意的是，300～540 m高度范圍內，所有CR_1的回波強度都超過了地面雨滴譜計算回波強度，存在偏高的可能性，未來可考慮進一步定標修正;同時也發現兩部云雷達回波強度的變化趨勢與地面雨滴譜計算回波強度高度一致，說明雖然云雷達回波強度的絕對值可能需要再調整，但能夠較好反映出云雨強度的時間變化趨勢。

為進一步驗證上述發現是否僅為個例情況。本文以雨滴譜儀觀測反演回波強度大于5 dBZ，且持續時間超過1 h為標準，選出降雨時段而后統計分析了這些時段，CR_1和CR_2在600 m高度以下各高度回波強度的平均值（圖5d）。需要說明的是，雖然大雨會導致云雷達探測回波強度出現衰減，但是由于兩部云雷達相距不超過10 m，衰減作用應為同方向和同強度，同時選取的是較低探測高度的幾個雷達庫，衰減作用相對較小，因此并未區分降雨強度。分析結果與個例相似，CR_1實測雷達數據始于60～90 m雷達庫，在120 m以下的幾個雷達庫的回波強度在-10 dBZ以下，且分布無規律，可能是數據處理存在問題;而在120～150 m以上雷達庫的回波強度在20 dBZ左右，且隨高度變化較小。CR_2數據始于270～300 m雷達庫，探測回波強度系統性小于CR_1，且呈現出隨高度增加而逐漸減弱的趨勢。需要特別說明的是，CR_1的數據盲區比脈沖寬度導致的盲區要大30 m，可能是由于30～60 m距離探測波仍處于尚未形成平行波速的菲涅爾區，而CR_2的數據盲區反而比脈沖寬度導致的盲區要小30 m，可能是數據存儲處理存在問題。

寶山站同址部署了微雨雷達，為驗證垂直方向上云雷達回波的相對合理性提供了可能，此處給出云雷達探測回波強度和微雨雷達探測回波強度的個例比對，驗證CR_1和CR_2探測回波強度的垂直分布和時間演變特征的合理性（圖6）?？梢钥闯?，在微雨雷達（圖6c）可探測的6 km范圍內，雖然存在細微差別，但兩類觀測儀器的回波強度高度分布與時間演變特征表現出很高的一致性。因此雖然回波強度絕對值的大小是否準確仍需進一步定標分析，但CR_1（圖6a）和CR_2（圖6b）都能夠較好地反映出云雨過程中回波強度的相對大小和時間演變特征。

2.3.2 云頂云底高度

此處給出探空資料估算云頂、云底高度和CR_1反演云頂、云底高度的個例比對分析。圖7給出的是2019年3月24日典型云日的比較結果，圖7a給出CR_1探測回波強度（填色部分）和云頂高度與云底高度（紅點）;圖7b給出的是當日20：00（橙色）左右探空資料觀測的相對濕度，基于探空反演出的云頂高度和云底高度分別由橫向點線和橫向虛點線給出，在圖7a也標注出了探空資料各分鐘內的平均高度。

進行探空資料與云雷達探測云頂、云底高度的統計分析之前需要對兩者的觀測進行配對，本文用01：15—02：00，7：15—08：00，13：15—14：00以及19：15—20：00時段的云雷達觀測與02：00、08：00、14：00和20：00左右獲得的探空資料進行配對。共得到2019年期間的735次配對樣本。然后根據CR_1和探空資料是否有觀測到云，將樣本分為4類（1）兩者都未觀測到云（82個樣本）;（2）探空資料觀測到云但云雷達未觀測到云（296個樣本）;（3）云雷達觀測到但探空資料未觀測到云（19個樣本）;（4）兩者都觀測到云（338個樣本），共4類情況，這里主要對后三類情況進行分析。經對后三類情況的一一人工主觀檢測發現，第二類情況多為探空在近地層觀測到高相對濕度區，而云雷達探測到的回波雜亂無規律而未反演得到云層，此類情況云頂高度在2 km和5 km以下的樣本分別占到59.1％和80.1％，云底高度為0的樣本也占到26.4％。而第三類情況多為零星回波組成的薄云區，云雷達將其判別為云，而探空資料未探測出足夠厚的相對濕度區。對于第四類樣本，本文基于探空資料的判斷篩選出僅有單層云的樣本（共60次探空觀測）開展統計比對分析（圖8）。結果表明，云頂高度和云底高度的相關系數分別達到了0.78和0.6（相應T檢驗顯著性水平分別達到0.01和0.05信度），具有較高的一致性。

對2019年FY-4A衛星反演云頂高度和CR_1反演云頂高度的個例分析和統計比較（圖9）。圖9a給出的是2019年6月13日典型云個例的比較結果，其中FY-4A反演的云頂高度和CR_1反演云頂高度分別由紅色三角和黑色三角給出。結果表明：FY-4A和CR_1反演的云頂高度隨時間演變的變化趨勢十分一致，反映出在云雨系統較為顯著時，兩者都能夠探測出云的演變特征。圖9b給出的是2019年整年，共15 689個時次的比較結果，結果表明兩者的相關系數為0.46（相應T檢驗顯著性水平達到0.01）。

2.4 拼接縫和距離旁瓣虛假回波

試驗中發現目前國產云雷達因為多脈沖拼接體制和數據處理技術導致的“拼接縫”和距離旁瓣虛假回波兩類對云雷達定量化業務應用有較大干擾的問題，距離旁瓣虛假回波是指在脈沖寬度大于30 m的探測區間，需要采用距離壓縮技術，實現對30 m分辨率雷達庫基數據的獲取，而由于壓縮技術的不完善，會導致在原本沒有實測回波的雷達庫中產生由于壓縮技術給出的虛假回波。這里僅以2019年4月22日和2019年7月4日的兩日回波情況舉例（圖10）?？梢钥闯觯?月22日00：00至12：00期間，在3.6～5 km左右高度連續出現了多段與3.6 km以下部分頂部形態類似的回波，經與廠家技術人員溝通，這是由于距離脈沖壓縮方面的數據處理技術還有待改進所導致。7月4日16：00—19：00在3.6 km左右出現了明顯的回波斷裂現象，這是由于3.6 km之上和之下的脈沖寬度和探測信號強度存在顯著差異，在多段脈沖融合生成單個回波強度廓線的時候，就會出現上下回波強度不連續，產生整個云系的回波看似由多段拼接而成的“拼接縫”問題，這會對于理解和分析云的垂直結構帶來較為嚴重的干擾，從CR_1和CR2的兩者比較也可以看出CR_1的距離旁瓣虛假回波問題比CR_2更為嚴重。

3 討論和結論

本文基于實測數據，評估分析了國產云雷達的探測穩定性、探測能力和探測合理性，形成以下幾點結論：

1）CR_1和CR_2數據獲取率分別為96.0％和98.7％，且僅出現一次軟件故障，兩部云雷達探測穩定性高，具有較高的業務化觀測應用潛力。

2）CR_1最小可測回波強度在垂直方向呈現與理論相符的指數分布且在各月份差異較小，此外定標對其影響也較小，表明CR_1弱信號探測能力穩定性較高。降水率達到4～5 mm／h及以上時，云雷達探測回波強度會出現近地面仍有很強回波，但探測高度銳減，在較高位置形成探測信號“空窗區”現象。

3）兩部云雷達探測回波強度存在較大差異，且差值隨高度變化無明顯規律，不同生產廠家和型號的云雷達尚無法實現聯合定標可能是導致這一差別的主要原因。與地面雨滴譜和微雨雷達的對比分析表明，云雷達回波強度垂直結構和時間演變特征較為合理。云雷達和探空資料反演云頂、云底高度的相關系數分別為0.78和0.6，云雷達反演云頂高度與和FY-4A反演云頂高度的相關系數為0.46，具有一定的一致性。

4）兩臺云雷達都存在由于體制和數據處理技術導致的“拼接縫”和距離旁瓣虛假回波問題，兩類問題能夠對于業務化觀測和理解分析云的垂直結構帶來直觀的干擾和影響，需進一步處理改善。

上述分析表明毫米波云雷達探測穩定性較好，基本能夠滿足業務運行需求，探測能力也可實現最弱-40 dBZ以上云及弱降水云的觀測。但仍需提升其探測合理性以滿足業務化應用需求，首先需要進一步改進多探測模態信號融合方式和優化數據處理算法，去除拼接縫和距離旁瓣虛假回波;其次需要實現多雷達聯合定標，提高多雷達之間的觀測可比性和聯合應用能力;最后仍需結合其他多元觀測手段，充分驗證云雷達觀測數據的準確性，明確其不確定性范圍，為未來在全國各省份推廣和定量化業務應用夯實基礎。

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·ARTICLE·

Operational usage-oriented evaluation of millimeter radar observations in Shanghai

PENG Jie1，WANG Xiaofeng1，FU Xinshu1，LUO Shuang1，ZHANG Yanyan2，TAO Fa3，XUE Hao4，OU Jianjun5

1Shanghai Ecological Forecasting and Remote Sensing Center，Shanghai 200030，China;

2Baoshan Meteorological Service，Shanghai 200030，China;

3Meteorological Observation Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China;

4Shanghai Meteorological Information and Technology Support Centre，Shanghai 200030，China;

5Shanghai by Weather Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China

Abstract The observational stability，observational ability，and rationality of both the base data and products of the millimeter cloud radar （MCR） installed at Shanghai Meteorological Service during “The study and experiment of vertically integrated meteorological observation technology in mega-cities” （MCME） are evaluated using observations from a ground-based lidar distrometer，a micro-rain radar，a radiosonde，FY-4A’s products，and a surface rain gage.The results show that the observational stability of the MCR is considerably high，with only one software failure during the MCME and a data acquisition rate greater than 95％.The minimal detectable reflectivity of the MCR is generally distributed within -40 to -20 dBZ and has an exponential distribution in the vertical direction，which fits well with the theory.The minimal detectable reflectivity of the MCR changes little （less than 2 dB for heights lower than 9 km） during the MCME.A 1 “No Cloud” region is seen in the MCR’s observation when the rain rate is larger than 4—5 mm／h.Although the raw data of the two MCRs have certain differences，the pattern of reflectivity in the time-height cross-section is highly reasonable，as indicated by comparisons between the reflectivity from the MCR’s observation，the reflectivity calculated with the lidar distrometer’s observation，and the reflectivity from the micro-rain radar’s observation.The cloud top height and cloud base height retrieved by the MCR are also evaluated by the cloud top and base height calculated by the radiosonde and the cloud top height retrieved by the FY-4A satellite，and the results show a certain degree of consistency among the three observations.The inconsistency of reflectivity caused by the merging of multiple pulses with different pulse widths used in the MCR’s base data processing and the 1 “clear sky area” caused by strong attenuation are two evident issues that may have significant impacts on the operational usage of the MCR.The paper concludes with recommendations on how to improve the current MCR in light of the requirements for the development of the Shanghai Meteorological Service.

Keywords millimeter cloud radar;observation evaluation;operational usage-oriented

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20220623001

（責任編輯：袁東敏）