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李毅聪;胡沁;黄祖辉;骆世娟
【摘 要】为探究、验证X波段移动雷达系统及其回波数据实用性,利用X移动雷达在台风外围云系降水天气过程(2016.7.9)进行探测作业并收集观测数据,对移动雷达观测范围100 km内的回波信息进行研究分析,同时将其与S波段天气雷达同一时间段内探测到的速度场、强度场及对应测站雨量数据等资料进行数据分析,比对两部雷达观测结果的差异及原因.结果表明:X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达相比,X波段雷达对气象目标物有灵敏的探测能力,X波段雷达比S波段雷达能探测到较好的空间分辨率和较低的地杂波.但是X波段雷达因探测降水时衰减严重,因此在60 km的探测范围内,X波段雷达回波强度略强,之后随之减弱.在探测降水的移动过程及强度变化趋势,与S波段雷达的探测结果基本一致.X波段移动雷达在S波段雷达故障或探测不到的地方,具有替代S波段雷达的应急作用,能够作为填补S波段雷达探测盲区的一种方法. 【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2018(036)003
【总页数】6页(P511-516)
【关键词】X波段雷达;S波段雷达;对比分析
【作 者】李毅聪;胡沁;黄祖辉;骆世娟
【作者单位】江西省大气探测技术中心,300096,南昌;江西省大气探测技术中心,300096,南昌;南昌市气象局,330003,南昌;江西省大气探测技术中心,300096,南昌
【正文语种】中 文
【中图分类】电线固定座P413
0 引言
江西省是洪涝灾害重灾区，每年由于强降水导致的灾害损失多达数亿元。724XD车载移动多普勒天气雷达是江西省首部车载多普勒天气雷达，该系统在应对灾害性天气预报、防灾减灾、农业增产、人工增雨等小范围作业等能起到重要作用[1]，车载X波段移动天气雷达相较于新一代S波段天气雷达机动性能更强、可靠性、稳定性及可维护性更好，X波段雷达
发射功率低和天线直径小，且短波段雷达对弱气象目标物有灵敏的探测能力，大多数X波段雷达比S波段雷达能探测到较好的空间分辨率和较低的地杂波。短波段雷达系统受降雨对雷达波衰减严重，一般不做业务使用，所以相关的研究比较少。虽然长波段雷达仍然是今后对大尺度天气系统监测的主要选择, 但研究X波段雷达系统对科学提升防灾减灾能力有重要意义[2]，在局地灾害性天气预报、预测时可提供有效帮忙。为了验证X波段移动雷达在强降水中的作用，在台风外围云系降水天气过程(2016.7.9)进行同步对比观测。
1 雷达主要参数对比
影响雷达的参数有：波长、天线增益、 波束宽度等。天线增益是表示雷达天线聚焦波束的能力，增益越大，雷达探测距离越长。天线的孔径大小和增益都会受到波长的制约。
G表示天线增益，Ae表示天线有效孔径。
在天线有效孔径大小相同的情况下，波长短可以获得较大的天线增益，成平方的反比关系；如果想要获得同样的天气增益，波长较长的只能增加天线有效孔径来实现目的。X波段雷达只需要很小的天线尺寸，就能获得与S波段雷达一样的天线增益。波长的长短会影
响雷达的最大探测距离，波长越长，探测距离越远，波长越短，探测距离越近。在雷达气象中，波束宽度定义为：波束2个半功率点之间的夹角。与天线增益有关，一般天线增益越大，波束就越窄，探测角分辨率就越高。由此可看出在对于探测过程中，X波段雷达有其独特的优势[3-4]。
表1 X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达参数对比
工作参数X-bandCINRAD/SA工作频率9．29～9．41(9360)2．7～2．9(2880)雷达体制磁控管速调管峰值功率>50kW750kW极化方向水平水平天线大小1．58．5波速宽度<1．5<1探测距离>50km>230kmPRF/Hz2000 1500318～1304脉冲宽度0．56/1．031．57/4．71体扫模式及用时体扫降水/6minVCP21/6min
钛雷2 天气背景及对比观测方法
2.1 对比观测的天气背景
2016年7月3日08:00，台风“尼伯特”在西北太平洋洋面上生成，7月5日02:00加强为强热带风暴，当日08:00加强为台风，20:00继而加强为超强台风，7月6日下午加强到顶峰强度72
m/s，895 hPa。7月6日傍晚，江西省气象台对外发布最新预测信息称，受今年第1号台风“尼伯特”影响，8日晚至11日江西省有一次大风和降雨过程，其中9日是主要降雨时段，该省东部恐有大暴雨。根据此次江西省气象台的预报信息，将移动雷达车开赴距离台风登陆较近的抚州市，对受台风外围云系影响的降水过程进行作业探测[5]。
2.2 对比观测的方法
对于此次过程，7月9号在抚州市一空旷地带架设X波段移动雷达从20:30-23:30进行连续4 h的外场探测，根据X波段移动雷达经纬度(经度E116°22′12″，纬度N27°55′47″)和S波段新一代天气雷达经纬度(Long:116/15/43E，Lat：27/53/38N)可计算出2部雷达之间距离为11.4 km(小于雷达库长)探测中心可视为同一观测点。根据X波段移动雷达探测范围内的降水强中心，选取抚州市宜黄县为探测对比观测点，从回波图形、速度场、强度场及对应测站的降水量信息进行分析。X波段雷达的观测仰角没有规定固定的仰角，参照VCP21模式。S波段新一代天气雷达采用VCP21模式[6]。
3 对比结果分析
3.1 强度场及测站降水量分析
从图1可以看出，在20:47，S波段雷达抚州地区回波强度较大，最大强度达45 dBZ，回波形态为典型的积层混合云，崇仁、宜黄及南城上空存在若干小的对流单体；对应时段X波段探测结果上可以看出，积层混合云回波形状明显，内嵌对流单体位置与大雷达相对应，强度偏强，对流单体范围偏大。
表2 2种不同波段雷达的体扫仰角仰角序号X波段(参照VCP21)S波段(VCP21)10．50．521．51．4532．42．443．43．3554．34．365．36．076．79．987．514．691019．5
(1)20:47-20:45；(2)21:45-21:43；(3)22:46-22:46图1 S波段雷达(a)和X波段雷达(b)组合反射率强度场回波图
随着对流的发展，积层混合云持续发展，内嵌的对流单体开始加强，对应X波段雷达观测结果，对流单体强度增强至50 dBZ，覆盖范围加大，与S波段雷达对比发现，X波段雷达回波形态与其相似，强度偏强。对于宜黄地区而言，23:00后雷达回波移出该地区，降水过程基本开始减弱，强度减弱至20 dBZ以下，探测结束。
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从图2中 S波段雷达强度变化曲线上来看，宜黄上空雷达强度呈先增大后减小的变化规律。在20:00雷达强度为23 dBZ，随着时间推移，雷达强度增大，直至21:42，雷达强度达最强；随后雷达强度开始下降，至23:30强度降至8 dBZ。
对应的X波段雷达强度，20:42雷达体扫显示宜黄上空雷达强度为35 dBZ，强度较S波段雷达偏强；随时间变化，雷达强度存在小幅度的变动，维持在35～37 dBZ之间；至21:30，雷达强度开始增强，至21:42强度最强，达43 dBZ；随后强度下降，22:06降为30 dBZ；后强度存在小幅度增强波动，22:48开始下降，至23:18探测的强度为20 dBZ，随后雷达停止工作，探测过程结束[7]。
自动检票机图2 2016年7月9日宜黄县S波段(深)、X波段(浅)雷达强度变化曲线
图3 2016年7月9日宜黄站1 h降水变化曲线
结合图3上可以看出，21:00-23:00降水强度较大，而此时对应的2部雷达在该时段回波强度较强，X波段探测强度较S波段雷达弱。在22:00-23:00，X波段雷达强度存在一小高峰，而S波段雷达强度一直在减小。对比2部雷达可以看出，2部雷达对于宜黄地区探测得到的回
波强度变化规律较为一致，均呈先增大后减小的变化规律。从降水量累积变化上来看，其变化规律与雷达强度变化规律能较好的对应。强度场探测方面，X波段与S波段雷达探测的趋势和结果基本一致。
3.2 速度场分析
上文可以看出，2部雷达在回波强度场的探测结果相近，X波段能很好的模拟出降水过程中云系的移动演变过程。而在实际预报工作中，雷达速度场分布也是判断天气过程的重要依据之一。下面，针对本次降水过程，将2部雷达探测的速度产品进行对比分析。高硅氧布
(1)20:47；(2)21:45图4 S波段雷达(a)和X波段雷达(b)1.5°仰角下的速度场分布图
选取20:47与21:45的2个时次对应速度场分布(图4)，从S波段雷达探测结果上可以看出，速度负区范围较大，零速度线存在在明显的折角。而对于X波段雷达1.5°仰角的探测结果上，雷达北部地区存在明显遮挡的情况，导致对于速度正负区范围情况无法预判准确，影响天气预报工作。考虑到此次探测过程时X波段雷达架设高度较低，遂选取X波段雷达4.3°仰角速度场分布情况(图6)与S波段进行对比。
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