康晓华　周文杰　陈昶

摘 要：本文以在陕西省榆林榆阳机场试验验证的X波段全固态双偏振多普勒天气雷达为例，论述了工作原理，分析了双偏振探测效果，对比了不同天气条件下的雷达产品，通过典型的天气过程分析该型雷达产品对榆林机场航空气象服务的支持能力，对全国其它支线机场的航空气象服务具有借鉴意义。

关键词：X波段 双偏振 试验验证 航空气象服务

引 语

X波段全固态双偏振多普勒天气雷达，具备多普勒天气雷达的功能，获取回波的强度、相位信息之外，还具备获取了回波的偏振（极化）信息，通常有如下几种双偏振参数：差分反射率因子，差分传播相位常数，线性退偏振比，相关系数。此外，它还具有全固态的优势，故障率低、体积小、轻便、易安装、易维护等特点。

中国民航局于2012年下发的《民用机场多普勒天气雷达系统技术规范》中关于天气雷达频率的种类增加了X波段，旨在满足不同类型的机场的需要。近几年，中国民用航空运输机场中也开始逐步应用X波段天气雷达，例如呼伦贝尔东山国际机场、祁连机场等。因此，研究X波段双偏振多普勒天气雷达在支线机场的应用具有重要意义。

双偏振天气雷达经过多年的研究应用，技术已日趋成熟，国内生产厂家较多，如中电14所、中电38所、航天二院23所、成都锦江784厂等均有不同型号、不同波段的双偏振天气雷达。

1 基本原理

本文所涉及的X波段雙偏振多普勒天气雷达是航天二院23所研制的WR-X100型，属于单发双收偏振天气雷达，发射机采用全固态体制，其系统组成框图如图1所示：

雷达发射机根据系统的工作时序，产生高功率的脉冲信号，经过波导、极化开关、环行器、耦合器和正交模耦合器到达馈源，根据极化开关控制状态以水平或垂直极化方式由天线辐射出去。

天线辐射出去的电磁波遇到云、雨等气象目标，产生后向散射，成为气象目标的回波信号。经天线接收到的回波信号通过正交模耦合器后分为两路，一路经环行器、保护开关、耦合器，送往接收机的水平极化接收通道；另一路经环行器、保护开关、耦合器，进入接收机的垂直极化接收通道。两路回波信号经低噪声放大、两次混频和滤波后，最终形成60MHz的中频信号。数字中频接收机对水平极化中频信号和垂直极化中频信号进行A/D变换、数字下变频、滤波、脉压等处理，得到信号功率、频率和相位信息，形成两路相干的反映信号强度和相位信息的数字正交视频信号I、Q，信号处理器对I、Q正交视频信号进行数字视频积分处理（DVIP）、脉冲对（PPP）或快速傅立叶变换（FFT）等处理后，输出气象目标的信号功率、径向速度、速度谱宽、信噪比、信号质量指数、双程差分传播相移、零延迟相关系数等参数，通过系统软件的进一步处理，并进行一定的质量控制，生成并显示回波强度、径向速度、谱宽、线性退极化比、差分反射率因子、差分传播相位常数等。

终端分系统不仅可以实时向用户提供气象目标的位置、强弱、径向速度、谱宽及极化特征等信息，并且可以通过进一步处理，提供基本数据产品、物理量产品、风场反演产品、识别产品等气象产品。

2 双偏振探测效果分析

我们选取2016年7月5日至2017年9月9日天气雷达的双偏振产品为依据，通过榆林机场的天气过程实例对雷达双偏振产品进行分析。

1、差分反射率

差分反射率是有效的估算粒子的形状参数之一，其表达式为：

其中，式1中Zhh为雷达发射水平偏振波时接收水平偏振波的反射率因子dBZ值；Zvv为雷达发射垂直偏振波时接收垂直偏振波的反射率因子dBZ值。通常，气象回波Zdr典型值在-2～6dB之间。雨滴的形状近似扁平的椭球体，若雨滴越大，粒子形状越接近扁平，水平极化波遇到粒子后向散射的回波功率将比垂直极化波后向散射回波功率大得多，即Zhh>Zvv，因此，Zdr>0；冰雹的形态为球形，水平极化波遇到粒子后向散射的回波功率等于垂直极化波后向散射回波功率，即Zhh=Zvv，因此，Zdr=0。

图2为一次雨夹雪天气过程中的Zdr图像，榆林机场出现雨夹雪天气，以雨为主。图中榆林机场10km范围内Zdr在0.5～1之间；10km～40km范围内稍高云层中存在大量固态降水粒子，Zdr在-1～0之间。

2、相关系数

相关系数描述了雷达发射的水平极化波与垂直极化波后向散射回波特性的一致性程度。零值极化相关系数其表达式为：

（式2）

Rhh（0）、Rvv（0）分别是水平极化回波与垂直极化回波的零阶自相关函数，而Rhv（0）为水平极化回波与垂直极化回波的零阶互相关函数。当水平极化波和垂直极化波完全一致时，ρhv（0）为100%，即为1，否则<1。有些雷达的相关系数的分辨率为0.0001，精度为0.01。

在比较基本反射率，差分反射率与相关系数的产品发现，影响识别粒子的因素，也将影响ρhv（0）值的大小。后文中相关系数用ρ来表示。

图3为一次强雷暴天气过程中的ρhv（0）图像，榆林机场东部25km～40km处出现降水伴冰雹。图中黑色椭圆处，其ρhv（0）<0.8，显示出区域内降水粒子的一致性较低，存在大量不同相态的降水粒子。

3、差分传播相移

在双偏振天气雷达中，差分相移用来研究给定距离上水平极化脉冲与垂直极化脉冲沿同一传播介质路径上传播导致的相位差值。降水粒子降落时形状类似椭球体，水平轴距要大于垂直轴距，水平极化脉冲在水平方向上受雨水的影响更大，在雨滴中传播的速度比垂直极化脉冲传播的速度慢。其表达式为：

（式3）

式中，，为水平偏振波通过降水目标后散射回天线的相对变化量，为垂直偏振波通过降水目标后散射回天线的相对变化量。由于降水目标处于运动状态，和的量是不同的。

是降水目标区中距雷达r1和r2两点之间区域的平均差分传播相位常数。降水区中的液态水含量越多，值越大。

过去定量测量降水依据Z-I（反射率-雨强）模式，因为受雨滴谱易变的影响，如降水中出现冰雹，使Z值增大，就会估高降水量。

图4为一次强雷暴天气过程中的图像，榆林机场东部25km～40km处出现降水伴冰雹，较为均匀，并未因出现冰雹而对降水量出现明显高估。

4、线退偏振比

线退偏振比LDR定义为交叉偏振信号功率与同向偏振信号功率的比值。其公式表示为：

dB（式4）

或者

dB（式5）

式中是发射水平偏振波时，接收到垂直偏振波的反射率因子dBZ值。

中科院大气物理研究所漆梁波等2002年的数值研究表明，利用LDR<-35dB这一判断来识别冰雹，无论对X、C、S波段天气雷达均有效。

由于交叉偏振的功率值比同向偏振功率要小两个数量级以上，所以线性退偏振比比差分反射率因子和相关系数更容易受到噪声污染的影响。

当球形水凝物降落，它们的主轴既不平行也不垂直于电场方向时就会产生交叉偏振信号，即意味着如果一个垂直（水平）偏振的入射电场与某个轴平行的话则不会产生水平（垂直）偏振的后向散射，因此，LDR趋向于-∞dB。在降落过程中，扁平球形粒子摇摆不定，因此会产生一个倾斜角的分布，因此LDR值会增大。另外，不规则形状的水凝物也能导致LDR增加。

由降雨引起的退偏振比值非常小，约为-30dB左右。扁平干冰雹或霰的退偏振比约为-20dB，雪花即使颗粒非常扁平，其偏振比也非常小，大约-32dB左右。

图5为一次冰雹天气过程中的图像。在榆林机场东部18km处附近出现冰雹天气。

在实际的天气过程分析中，单一的偏振量不能准确判断天气现象的时候，需要利用其它气象因素（物理量）来综合判断。

3 天气过程分析

雷达系统的使用效果最终体现在航空气象服务上，而复杂天气过程的分析能够较全面地检验雷达产品的性能。选取若干榆林机场保障的典型天气过程，对该型雷达在监测预警和短临预报中的应用进行简要分析。

与X波段全固态双偏振多普勒天气雷达试验验证分析对比的天气雷达是陕西省榆林气象局CINRAD/CB雷达，数据对比前应考虑的因素是相对坐标位置和地物杂波。

（1）相对坐标位置

（2）地物杂波的影响

图7可以看出，0.5°PPI扫描榆林机场东部30°～150°方向50km有明显地物遮挡，1.5°PPI地物对回波仍有影响，2.4°基本无影响，因此，数据对比过程中应考虑地物对回波反射率的影响，选择体扫数据中第三层（2.4°）及以上可以基本剔除地物对于回波反射率的影响。

1、飑线

2016年7月14日傍晚，有飑线自西北向东南逼近榆林机场，由X波段雷达的组合反射率（CR）演变分析，飑线的形态清晰，飑线上的雷暴单体组织结构完整，回波边界清楚，能够观测到飑线系统的移动和单体的形态变化，从而判断系统的移向移速和发展趋势。如下图8所示：

对比X波段雷达与C波段雷达相近时次的组合反射率（CR）产品（图9中左图为X波段雷达，右图为C波段雷达），二者探测到的飑线系统的形态、结构和回波强度基本一致，对流单体的数量和位置一致；X波段雷达在飑线后部的较强回波处探测到的回波反射率因子较弱（右图紫圈处），主要是由于X波段雷达相比于C波段雷达的电磁波穿透能力较弱，有一定程度的衰减。

X波段雷达产品终端中的二次产品“风暴信息追踪”，准确识别出7个强对流单体，如下图10中白圈所示。

2、雨夹雪

2017年3月23日，榆林机场出现雨夹雪天气。雷达双偏振产品图选取了体扫中的第三层，距中心点约60公里处观测到零度层亮带，且零度层亮带回波清晰、形态完整，结合仰角和水平距离信息，可以估算零度层所在高度，对榆林机场及附近降水的相态判断有指示意义：中心点附近差分反射率约1～3dB，中心点附近在-10～-15dB，回波中心区域相关系数ρ在0.8～0.9之间，结合上述信息，可以判断其降水相态为湿雪或雨夹雪。如下图11所示：

3、层状云降水

图12左图为C波段雷达，右图为X波段雷达，对比相近时次两部雷达的组合反射率（CR）产品，二者回波范围、回波形态基本一致。

4、冰雹

2017年06月14日16时30分～2017年06月14日17时20分，榆林機场榆林机场出现雷雨天气并伴有冰雹。由两部雷达（图13中左图为C波段雷达，右图为X波段雷达）1.5°仰角下的PPI图像可以看出，在机场西北方向有一西北-东南向线状回波逼近榆林机场，最强处回波反射率强度约65dBz；榆林机场东部孤立对流回波的缺失主要是由于东部地形的遮挡和此X波段雷达探测距离只有100公里导致。

16时34分X波段雷达在该时次2.4°仰角下的Z、、ρ、产品经放大后如下图14所示：

经分析，中心点及附近回波反射率强度大于50dBz，极大值约65dBz，约1～2dB，为较小的正值，ρ在0.9～0.95之间，结合上述信息，可以判断出上述区域有冰雹出现，且为小雹或雹雨混合降水。

16时48分，榆林机场出现冰雹，观测发布SPECI报，报文内容如下图15所示，与雷达信息分析出的结论相吻合。

5.雷暴

2017年7月25日下午，榆林机场出现一次雷雨天气过程。预报员通过对天气形势的判断和雷达信息（如下图16）的分析，认为榆林机场西部的对流回波将东移影响榆林机场，得出榆林机场将出现雷雨的天气结论，并在13时（世界时）的机场例行天气报告（METAR报）中附加榆林机场将出现中等强度雷雨的趋势预报，在随后的机场例行天气报告（METAR报）及机场特殊天气报告（SPEIC报）（如下图）中得到了验证。

4 结语

本文在试验验证过程中获取资料的天气现象种类有限，只是初步定性分析了各偏振因子与降水强度、冰雹等的对应关系。通过此次试验验证的观测资料分析，得出如下结论：

（1）X波段全固态双偏振多普勒天气雷达功能、性能能够满足支线机场航空气象业务的需求。

（2）X波段全固态双偏振多普勒天气雷达整体性能稳定，移动和架设快捷方便，可在重大活动和突发性事件的天气监测预警预报工作中发挥作用。

（3）雷达观测所取得的双偏振产品资料基本可靠。反射率因子Z的值能较好地反映降水的强度，差分传播相移和相关系数ρ的值能较好地反映云内粒子相态。总体而言，强度信息与偏振量有较好的对应。

（4）雷达存在速度模糊，在降低探测距离的情况下，不能较好的消除速度模糊，采用双发双收的系统架构对消除速度模糊有较好的作用。

应用结果表明，X波段全固态双偏振多普勒天气雷达工作稳定，功能齐全，探测数据时空分辨率高，准确可靠，实际应用中弥补了支线机场无降水、降雪、雷暴等天气现象自动探测设备的空白，实用性强，对提升支线机场短时临近预报的提前量和准确性有重大意义，对提高支线机场的监测预警能力具有积极作用，符合民航支线机场气象观测和预报业务的发展需求。

参考文献：

[1] X波段天气雷达技术说明书[Z]. 北京：航天二院23所，2017.

[2] 史朝，X波段天气雷达地物回波的双偏振参量特征分析及应用[J]，高原气象，2013，05

[3] 尹春光，X波段双偏振雷达探测数据分析与校验[J]，气象科技，2011，05