陈 强 柯 杭 赖绍钧 陈 彦

(福建省福州市气象局，福建 福州 350008)

1 概述

随着社会经济的快速发展，对突发性强灾害天气的预报预警愈发重要，特别是大型活动对精细化的天气预报预警提出了更高的要求。时代的发展要求气象部门不仅要能提供精准的天气预报，还要能提供全程化、零误差的定时、定点、定量的精细化气象灾害预警。近年来，尽管天气预报技术进步较快，但对强对流天气的预报预警仍然是短板。

为加强对强对流天气过程的探测，提升对灾害性天气的预警预报能力，能更好地为福州市城市经济发展和人民群众生命财产安全保驾护航。当前，福州市气象局已经在晋安、长乐、永泰等地区布设比较先进的、具有超高时空分辨率的X波段相控阵天气雷达系统。X波段相控阵雷达具有体积小、质量轻、可靠性高、探测精度高等特点，能有效、客观地判别强对流天气降水相态，并通过数据处理和终端显示，为气象专业人员第一时间掌握降水相态和强度提供智能数据分析处理，为各单位更加果断、及时、有力地应对自然灾害提供支持[1-6]。就目前X波段相控阵雷达在福州市的预报实践来看，短临天气预报水平得到了显著提升，能够有效弥补S波段机械雷达在这方面的不足，将两者相互结合应用有利于进一步提升气象服务能力。因此，将X波段相控阵雷达与S波段机械雷达进行对比研究显得尤为重要。

本文以2022 年4月27日福州地区强降水天气过程为例，对X波段相控阵雷达和S波段机械雷达回波特征进行对比分析，比较两种雷达的回波特征，分析X波段相控阵雷达性能和数据可靠性，为福州地区短临天气预报提供参考依据。

2 研究背景

2.1 X波段相控阵雷达技术特点

相控阵雷达(Phased Array Radar，PAR)即相位控制电子扫描阵列雷达，配备大量个别控制的小型天线单元，它们排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，在指定方向实现同相叠加合成波束。双偏振相控阵天气雷达既具有相控阵雷达快速扫描的特点，又拥有双偏振雷达获取天气系统丰富探测信息的优势，从而使其具备了快速获取中小尺度、快变天气系统详细信息的能力，在探测天气系统内部完整、精细的结构上具有极大的优势，同时也使其对降水粒子的形状、相态、频谱分布等微物理特征的细致分析成为可能。双偏振相控阵天气雷达不但提高了气象部门降水估计的准确性和杂波抑制能力，而且可以清晰识别空气中大雨、冰雹、雪、雨夹雪等粒子的相态，如体积、形状、类别，以及确认融化层(如亮带)，从而获得更有效的大气探测功能。

相控阵天气雷达利用先进的相控阵技术实现了快速电子扫描功能，不仅减少了天线快速转动时波束形状发生变化及指向不准确问题，而且还提升了体扫的时间分辨率。相控阵体系中的数字波束形成技术具有扫描灵活等特点，可控制波束进行任意精确指向，完成对特定方位天气系统的集中重点扫描[7]。

2.2 福州X波段雷达建设与布局

为有效应对日趋复杂的天气系统状况，2019年7月，福州市气象局正式启动福州大城市立体气象综合监测网及预警服务能力提升工程项目建设。2020年开始，在福州市委市政府和福建省气象局的大力支持下，开展了大量X波段相控阵雷达上线的准备工作。经过数月时间实地考察、多处选址，并在充分考虑探测环境、配套设施等条件，最终选定了长乐董奉山、闽侯前山村、晋安七星坪3个雷达阵地，搭建了X波段相控阵雷达网。该雷达网充分考虑了福州市地形地貌，基本实现了多部相控阵雷达对共同覆盖区域的联合观测，观测范围覆盖了福州中心城区，实现更大的覆盖区域，更高的时空分辨率及矢量化的观测结果，如图1所示。同时，按照一定拓扑规则搭建网络化相控阵天气雷达相互补充，有效避免强回波衰减的影响。网络化相控阵雷达天气观测系统的分布为四边形或者三角形，相距约30 km，可以保证最大限度地穿透协同观测中心处的任何强降雨云层，很好地保证对低海拔区域的有效覆盖，并且能提供全面的三维风场信息和提高观测预警范围。

图1 福州X波段相控阵雷达布局图

3 研究方法

X波段相控阵雷达要在业务中投入运行,探测数据的准确性是十分必要的。为了验证其准确性,还要通过与其他雷达配合观测来进行对比。但是由于观测条件、扫描方式及观测位置的不同，找到合适的对比方法十分重要。为衡量X波段相控阵雷达的衰减订正后数据可靠性，以常规福州长乐S波段机械雷达采集到的数据为基准进行对比，S波段机械雷达的优势在于其基本不受降雨衰减的影响，数据可作为相控阵雷达进行衰减订正效果的对比验证标准。对比方法有直接对比法、格点对比法和对应点对比法[8]。直接对比法是将采集到的两部雷达的平面位置显示器(Plan Position Indicator,PPI)数据进行直接对比，但要求两部雷达位置基本一致，采用相同的扫描方式，时间上基本同步。在本研究中，雷达的位置、扫描方式基本一致，因此本文采用直接对比法，其基本思想是通过对比两部雷达在相控阵覆盖范围上的等高层面的等高平面位置显示器(Constant Altitude Plan Position Indicator,CAPPI)数据，即从福州长乐S波段机械雷达探测范围内，截取出相控阵雷达探测范围内的数据。本文选取图中共同覆盖的边长50km的正方形为对比区域，然后采用等高层面 CAPPI 进行数据对比分析[8]，如图2所示。

图2 S波段机械雷达(白圈)和X波段相控阵雷达(紫圈)探测范围与对比区域(蓝色方框)示意图

4 对比结果分析

4.1 雷达原始反射率分析

选取2022年4月27日4时25分强降水天气过程中X波段相控阵雷达反射率融合产品和S波段机械雷达反射率产品的数据。由图3可见，X波段相控阵雷达反射率融合产品强度分布和S波段机械雷达基本一致，二者回波轮廓一致性较高，但X波段相控阵雷达分辨率更高，且回波细节丰富度更好，更有利于突发强对流致灾天气系统的预警预报。

(a)X波段相控阵雷达反射率因子

选取2022年4月27日5时54分至6时54分两部雷达的回波强度进行统计分析，由于这个时间段降雨天气系统正好处于多部雷达的共同覆盖区域内，有利于雷达回波强度的对比分析，图4为该次过程的最大反射率强度对比图。经过分析,S波段机械雷达该次时间过程的最大反射率因子的该时段平均值为55.65 dBZ，标准差为1.26，X波段相控阵雷达平均值为59.0 dBZ，标准差为2.61，可见X波段相控阵雷达在该次过程同时间点上通过衰减订正后其反射率因子高过S波段机械雷达约5 dBZ，同时X波段相控阵高分辨率反射率因子对强回波的细节特征灵敏度高于S波段机械雷达。

图4 2022年4月27日5时54分至6时54分福州X波段相控阵雷达与S波段机械雷达体扫数据最大反射率因子对比

4.2 数据空间分辨率分析

X波段相控阵雷达的距离分辨率为30 m，福州S波段机械雷达距离分辨率最高为250 m，因此在空间分辨率上X波段相控阵雷达具有明显优势，更有利于对中小尺度天气系统，如尺度仅有几千米的下击暴流、局地强降水及龙卷等的预警识别。为了更好地说明X波段相控阵雷达与S波段机械雷达空间分辨率的区别，选取了2022年4月27日4时14分福州长乐X波段相控阵雷达反射图和S波段机械雷达反射图进行分辨率对比分析，如图5所示。从图中可以看出X波段相控阵雷达回波反射图清晰细腻，雷达回波的结构分布较为均匀，可以观测更加细微的回波特征，空间分辨率明显高于S波段机械雷达。但S波段机械雷达探测距离较远，可以观测到远距离的回波，有助于强对流天气的提前预报预警，争取到预报的提前量。另外，从图中可以看出，由于X波段相控阵雷达波长较短，对于强降雨的回波衰减较为明显，因此在强天气的预报中需要用两种雷达进行综合分析。

(a)X波段双偏振相控阵雷达反射率产品

4.3 小时累计降雨量分析

受锋面系统的影响，2022年4月26日午后至27日上午，福州出现大范围强降雨过程，全市普降中到大雨，部分乡镇暴雨到大暴雨，1小时降雨极值65.1mm，3小时降雨极值为116.7mm。以此次强降水过程为例，对比福州市小时降雨实况数据与X波段相控阵雷达和S波段机械雷达小时累计降雨量(图6)。从图中可以看出，S波段机械雷达可以清楚地反映闽侯中部的暴雨、闽侯和福州市区交界的小值区，但对小值区上方的雨量计算结果比实况大；X波段相控阵雷达预测值则明显偏小，特别是闽侯中部的暴雨，偏小了40mm。但分析定量降水估计，从图中可以看出X波段相控阵雷达能准确反映出在闽侯中部60～70mm/h的雨强，与实况接近[图6(c)]。因此，在强降水天气过程中，小时累计降雨量预测S波段机械雷达算法更占优势，定量降水估计预测X波段相控阵雷达占优势，在强降雨过程中需进行综合分析，以便更好地做好强降水天气过程的预报预警。

(a)S波段机械雷达小时累计降雨量

5 结论

①X波段相控阵雷达反射率融合产品强度分布和S波段机械雷达基本一致，但X波段相控阵雷达分辨率更高，回波细节丰富度更好，更有利于突发强对流致灾天气系统的预警预报。

②X波段相控阵雷达回波反射率清晰细腻，雷达回波的结构分布较为均匀，可以观测更加细微的回波特征，空间分辨率明显高于S波段机械雷达。但S波段机械雷达探测距离较远，可以观测到远距离的回波，有助于强对流天气的提前预报预警，争取到预报的提前量。另外，由于X波段相控阵雷达波长短，对于强降雨的回波，其衰减较为明显，因此在强对流天气的预报中，需进行综合分析。

③强降水天气过程中，S波段机械雷达小时累计降雨量预测更占优势，X波段相控阵雷达定量降水估计占优势。因此，如遇到强降水天气，需对二者进行综合分析，以便能更好地做好强降水天气过程的预报预警。