1 引言

作为世界上海拔最高的高原, 青藏高原也被称为世界“第三极”, 它同样也是中国面积最大的高原, 约占中国陆地面积的四分之一。夏季的高原日照充足, 对流旺盛; 在地形动力和热力的作用下, 高原的对流会向东移出, 这些移出的对流系统有时会触发西南涡, 从而大大加强四川盆地附近的局地对流活动, 造成较强的暴雨(李超等, 2017; 王毅等, 2017; 陈丹等, 2018; 高文良等, 2018; 郁淑华等, 2018)。而在较强的引导气流作用下, 西南涡或其触发的对流系统会继续向东移动, 这些系统的东移在某些条件下会进一步引发长江中下游大别山地区的中尺度涡旋, 从而大大加强下游的局地对流活动, 造成暴雨灾害。1991—2004年逐小时降水观测统计显示, 高原东移云团引起长江流域降水占该区域总降水量的70%以上(Yu et al, 2007a, 2007b), 其中高原深对流云具有明显的东传特性, 是引发下游暴雨和洪涝灾害最主要的系统(Chen et al, 2010)。尽管从卫星云图上看高原云团东移特征明显, 但东移云团从高原经盆地到长江中游, 因下垫面热力条件改变和诸多因素的影响, 其垂直结构和云微物理如何变化？非东移云团与东移云团对流系统结构上存在哪些差异？高原东移云团引发长江流域暴雨过程的环流背景及其结构是什么？影响高原云团东移的关键动力学因子是什么？等诸多问题仍需以精细化的外场观测结果为基础开展探索和研究, 相关的机理研究与模式参数化方案的改进更需要精细化的外场观测予以支持与推动。

为了深入研究高原云团东移引发长江流域暴雨的大气中尺度系统的环境参数和热动力机制, 云团东移研究项目组以高原现有的业务观测网为基础, 补充设置了云团东移路径上的加强观测区, 以此构建了高原东移云团综合观测网, 并计划在2017—2019年夏季对高原东移云团进行重点加密观测, 以建立水汽、云、降水粒子相态分布、动力等垂直结构变化特征的典型个例库和数据集, 为青藏高原影响下游地区灾害性天气预报业务提供上游关键区的“强信号”因子; 为数值模式有效模拟高原影响长江流域暴雨的微物理过程提供关键动力、热力参数依据; 为整个项目分析云生成、发展到降水发生这一重要阶段的动力、热力及云微物理结构特性等研究提供重要支撑。其中, 加强区布设了毫米波雷达、X波段双线偏振雷达、微波辐射计、风廓线雷达等设备, 实现了温、压、风、湿和水凝物(云和降水)垂直精细化结构的观测。

双线偏振雷达在常规多普勒天气雷达的基础上运用了偏振技术, 不仅能探测到降水系统的回波强度Z_H、径向速度V_r和速度谱宽S_w这些常规参量, 还可以通过发射水平和垂直两种不同方向的偏振波, 并接收两个偏振方向回波信号的方法, 探测云、雨等气象目标物的差分反射率因子Z_DR、差传播相移Φ_DP、差传播相移率K_DP以及零滞后互相关系数ρ_HV(0)等常规天气雷达所不具备的偏振参量。上述这些偏振参量能用于判别水凝物的类型, 即:从云雨粒子的不同反应中获取有关粒子形状、相态、尺寸和介电常数等参数, 以达到对粒子的识别。获得降水前后云微物理结构特征, 如云滴、霰、冰晶、雹等不同相态与粒子谱分布、零度层高度、云底高度、云顶高度等; 反映不同相态粒子的分布、不同云型的降水特性、过冷水粒子与对流发展的密切相关性以及雨滴形成、增长、破碎等微物理过程, 从而可以显著提高雷达估测降水和进行降水粒子相态识别的能力(刘黎平等, 1996, 1997; 王致君等, 2002, 2007; 曹俊武等, 2005, 2007; 魏庆等, 2016)。

目前, 国内外学者在双偏振雷达数据质量控制和资料分析方面进行了广泛研究, 并取得了较多的成果(Ryzhkov et al, 1998, 2005; Gorgucci et al, 1999; Bringi et al, 2001; Gourley et al, 2003; Zrnic et al, 2006; 何宇翔等, 2009; Liu et al, 2010; 曹俊武等, 2011; 庄薇等, 2012; 杜牧云等, 2012, 2013a, 2013b; 吴欢等, 2014; Hu et al, 2014)。受各种因素限制, 双线偏振雷达的高原观测主要依托于外场试验, 且获取的数据相对较少, 对其数据质量进行分析研究也并不多, 刘黎平等(2015)对2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验数据进行了初步分析。本文以布设在青藏高原甘孜地区的X波段双线偏振雷达2017年9—10月的最新观测资料为例, 分析了该雷达在青藏高原获取的观测资料的质量情况及其探测性能, 为后期进一步开展外场观测试验奠定基础。

2 观测位置及环境说明

有别于城市或平原山区进行雷达选址, 青藏高原地貌广阔, 地形复杂, 且人口密度稀疏不集中, 而雷达属于高功率的精密探测设备, 长时间野外观测需要提供稳定良好的电力及人员保障, 综合多方面的因素考虑, 高原云团东移综合观测网最终在甘孜、理塘、稻城和九龙布设了4部X波段双线偏振雷达。文中重点对甘孜这部X波段双线偏振雷达的观测资料质量进行分析。图 1为甘孜雷达所在位置(31.61°N, 99.99°E)周边100 km范围内的地形高度PPI图(径向线间隔为30°, 距离圈间隔为20 km, 雷达位于图中圆心处)。从卫星地形图(图略)中可以看到, 雷达所在位置周边高山林立, 沟壑纵横。由图 1可知, 雷达周边绝大部分地区与雷达站之间的海拔差都超过了1 km, 这为雷达数据的采集带来了极大的挑战, 尤其是进行低仰角扫描。因此, 为了有效获取气象回波数据, 尽可能减少地物回波的干扰, 观测期间将雷达扫描的最低仰角抬升至5°左右, 而在进行RHI(距离高度显示)扫描时也尽量选择雷达站周边地物遮挡较弱且呈“西北-东南”走向的狭长走廊区域。

3 资料选取及设备介绍

所选资料来自成都锦江电子系统工程公司的X波段双线偏振雷达(型号: 714XDP-S)于2017年9—10月间在青藏高原甘孜地区进行外场试验预观测获得的探测资料。雷达2017年9月6日正式进场, 18日完成系统调试, 19日开始进行观测, 并于10月13日结束观测。该雷达是一部集成了多种偏振模式的固定式多普勒天气雷达, 其主要性能指标如表 1所列, 采用双发双收模式SHV, 工作波长为3.2 cm, 峰值功率为75 kW, 脉冲重复频率300~2000 Hz, 灵敏度为-109 dBm(1 μs)/-106 dBm(0.5 μs), 距离库长分别为75/150 m, 对应的探测距离分别为75/150 km, 可探测反射率因子Z_H、径向速度V_r和速度谱宽S_w这几个常规多普勒参量以及差分反射率因子Z_DR、差传播相移Φ_DP、差传播相移率K_DP和零滞后互相关系数ρ_HV(0)等偏振参量。

据甘孜自动站资料显示, 观测期间共出现降水过程16日次(24 h内地面自动站记录降水量大于0.1 mm即为一个降水日次), 整体降水强度不大, 以小雨为主, 24, 6, 3和1 h最大降水量分别为15, 15, 9.1和4.9 mm。文中所用分析资料即为该雷达外场试验预观测期间获取的几次降水过程观测资料。

4 双线偏振雷达资料质量分析 4.1 地物回波探测

雷达站周边存在较明显的地形阻挡, 为此特意抬高了雷达体扫的最低仰角。但如2017年9月22日18 : 55(北京时, 下同)雷达5.0°仰角的PPI(平面位置显示)图所示(图 2, 其中最大观测距离为50 km, 距离圈间隔为10 km, 径向射线间隔为30°, 雷达位于圆心处, 后同)仍可以看到显著的地物回波。其中, 地物回波主要分布在雷达半径30 km范围内, 强度明显强于周边的降水回波, 若不有效剔除地物回波将会直接影响雷达资料的应用。

常规天气雷达主要利用速度资料识别地物回波, 而对于偏振雷达, 由于地物存在显著的偏振特征, 因此结合偏振参量可有效识别地物回波, 特别是地物和降水的混合回波。目前, 国内外学者对此做了广泛深入的研究, 并获得了较多的成果(刘黎平等, 1996; 庄薇等, 2012; 杜牧云等, 2013b; 吴欢等, 2014)。文中使用了基于模糊逻辑原理的地物识别算法对地物进行剔除, 该算法成熟有效, 相关描述详见杜牧云等(2013b)。从图 2(b)中可以看到, 地物回波得到了有效抑制, 剔除地物后的降水资料可用于后续的应用。

4.2 衰减订正

雷达电磁波在大气中传播时, 会受到云和降水目标物的吸收和散射, 从而造成信号衰减。其中, 除了温度的变化对衰减存在一定的影响以外, 单位距离的衰减量(衰减率)与电磁波频率正相关。相较于气象业务中常用的S、C波段(波长约10 cm、5 cm)雷达而言, X波段雷达频率更高且波长更短(波长约3 cm), 因此, 电磁波的严重衰减直接影响了反射率因子及差分反射率因子的业务应用, 这一问题也是一直影响X波段雷达广泛应用的重要因素(何宇翔等, 2009; 吴欢等, 2014)。为了更好地定量使用这些参量, 必须对回波信号进行有效的衰减订正。由于差分传播相移Φ_DP仅仅依赖于雷达射线上散射体的前向散射特性, 该特性类似于衰减特性, 且它不受衰减、波束充塞程度等因素的影响, 因此可用于衰减订正。文中使用了Φ_DP法进行衰减订正。Φ_DP是一个距离累积量, 随距离的增加而增大。为了尽量减少噪声对Φ_DP资料的影响(δ效应), 以获得高质量的Φ_DP资料进行衰减订正, 选用最新的小波去噪方法(杜牧云等, 2012; Hu et al, 2014)对Φ_DP资料进行滤波处理, 小波去噪在保留Φ_DP随径向距离变化趋势的同时能很好地抑制噪声, 滤波后的Φ_DP更加平滑(效果图略)。

从图 3中可以看出, X波段双线偏振雷达由于波长较短, 信号衰减明显(图中资料已经过地物杂波剔除、孤立回波剔除、噪声订正、系统误差订正等预处理)。图 3(a)中大于40 dBZ的强回波后部及雷达远端的回波强度明显偏小。利用Φ_DP进行衰减订正后, 图 3(b)中衰减明显的区域(图中红色圆框标识)回波强度得到显著增强, 有效减少了信号衰减对资料质量的影响。由图 3(c)仍可以看到, Z_DR同样存在显著衰减, 出现了大量负值, 有些点的Z_DR甚至小于-2 dB。若用这种数据进行降水估测势必会出现明显偏差。而经过衰减订正后, Z_DR的强度得到有效补偿, 负值区域明显减少[图 3(d)], 数据质量得到了提升。

4.3 系统误差订正

差分反射率因子Z_DR定义为水平偏振反射率与垂直偏振反射率之比, 是反映云、雨气象目标物偏振特征的主要参数之一, 主要表征目标粒子的空间取向和长短轴之比(刘黎平等, 1997; 王致君等, 2002, 2007)。由于双偏振雷达天线水平和垂直极化状态下的增益不一致、水平和垂直通道传输耗损的不一致、功分器对发射功率分配的不一致等因素的影响都将为差分反射率因子引入系统误差(Zrnic et al, 2006; 杜牧云等, 2013a; 赵世颖等, 2015)。

目前, 差分反射率因子Z_DR系统误差订正主要有测试信号法、太阳辐射法和自然目标物法。Zrnic et al(2006)、杜牧云等(2013a)研究表明, 利用高仰角数据进行系统误差订正简单易行且效果较好。考虑到此次外场观测期间雷达并未进行垂直(仰角为90°)扫描, 但体扫最高仰角已达50°, 由于气象目标物的差分反射率因子与雷达仰角存在负相关关系(Bringi et al, 2001), 即Z_DR随雷达仰角的增大而减小, 并逐渐趋近于零。因此, 文中选用体扫最高仰角下的干雪粒子作为自然目标物进行Z_DR的系统误差订正。

从图 4中可以看出, Z_DR随信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)的分布平稳, 无明显波动, 这些特征也与Ryzhkov et al(2005)的研究结论相一致。通过体扫最高仰角下的干雪数据得到的Z_DR系统误差约为2 dB, 远不能满足Z_DR为0.1~0.2 dB的精度要求(Gourley et al, 2003)。由此可见, 如果不进行Z_DR系统误差订正, 将严重影响偏振雷达降水估测的精度和降水粒子相态识别的水平。在实际应用中可以利用Z_DR系统误差均值[图 4(a)红色虚线]进行整体订正, 也可以根据信噪比的分布利用订正曲线[图 4(a)蓝色曲线]进行分别订正(杜牧云等, 2013a)。而由连续多日的Z_DR系统误差订正曲线分布[图 4(b)]可以看到, 雷达性能整体稳定, Z_DR系统误差波动较小, 这也进一步验证了订正效果的稳定性。

4.4 信噪比分析

Liu et al(2010)、杜牧云等(2013b)在进行偏振雷达资料分析时发现, 信噪比偏低时噪声对差分反射率因子Z_DR和零滞后互相关系数ρ_HV(0)的影响明显。受噪声的影响, 弱信号的差分反射率因子Z_DR往往会出现较大的偏差, 相关系数ρ_HV(0)较理论值(一般大于0.9)也偏小很多。为此, 将数据进行信噪比滤波, 以剔除弱信号的干扰。

由信噪比分析图(图 5)可知, 高仰角下, 经过数据订正(系统误差订正、噪声订正和衰减订正)后, Z_DR数据的整体分布稳定, 取值范围基本在-1~2 dB之间, 其均值也接近理论值; ρ_HV(0)数据质量较好, 除了极少数奇异值以外, 基本都大于0.9, 且绝大部分大于0.95。

4.5 相位稳定度

雷达相位的稳定度直接影响Φ_DP资料的质量, 而利用Φ_DP资料进行衰减订正时也需要获得径向上的初始相位Φ_DP(0)。为此, 对雷达初始相位进行了分析(图 6)。初始相位Φ_DP(0)的计算方法为(杜牧云等, 2013b):径向上零滞后互相关系数ρ_HV(0)大于0.9的连续1 km距离库所有Φ_DP的均值。其中, 由于雷达近距离处的偏振资料质量较差, 观测值不稳定; 为了避免这部分资料的干扰, 从径向距雷达3 km以外开始计算Φ_DP(0)。

图 6为雷达观测的一次降水过程的径向方位角(Az )与初始相位Φ_DP(0)的散点分布, 其中, 红线为5点滑动平均曲线, 蓝线为整体均值线。从图 6中可以看到, 此次降水过程的系统初始相位相对稳定, 波动幅度不大, 其方差和最大偏差分别为1.67°和5.5°。而对其他过程资料的初始相位分析亦可得到相同的结论(图略), 这也说明了雷达系统在外场观测期间相对稳定, 初始相位的波动不明显。

4.6 资料一致性

从反射率因子Z_H与差分反射率因子Z_DR及差传播相移率K_DP的散点分布(图 7)不难发现, 订正后的Z_DR数据随Z_H的分布较为合理, 除少数离散点以外, Z_DR值基本都位于0~2 dB范围内, 且随着Z_H的增大呈现上升变化趋势, 数据拟合直线(红线)与理论直线(蓝线)也基本吻合。而Z_H和K_DP也呈现出了明显的相关性, 即在Z_H < 25 dBZ时, 回波较弱, 气象雷达信号本身的涨落以及降水系统的演变和移动等原因会造成较大的脉动, 从而对偏振参数的测量产生影响, 因此K_DP在0°/km附近振荡; 而当Z_H>25 dBZ后, K_DP随Z_H有明显的上升变化趋势, 这种偏振参数的变化特性同Ryzhkov et al(2005)的研究成果相一致, 这也说明经过订正的Z_DR资料对降水粒子的特性反映是合理有效的。不仅如此, 通过对比还发现, X波段雷达的K_DP值比C波段雷达的明显偏大(图略), 这也与Park et al(2005)的研究结论相吻合, 即:由于波长更短, X波段雷达比C波段雷达拥有更高的分辨率和更强的差传播相移率, 其K_DP值约为C波段的1.5倍。

5 降水过程个例分析

2017年9月27日, 布设在四川甘孜气象观测站的X波段双线偏振雷达观测到了一次层状云降水过程, 该过程持续时间约4 h。图 8为雷达当天18 : 54观测的降水PPI及零度层亮带识别结果图, 雷达观测仰角为12.5°。图中资料已经过地物杂波剔除、孤立杂波剔除、噪声订正、衰减订正等预处理。

从图 8中可以看出, 此次降水过程从强度和偏振参量的PPI图中都可以清晰地分辨出“零度层亮带”(Melting-layer Bright Band, MBB)特征, 且亮带高度与当天19 : 00探空测得的零度层高度(约为1.8 km)也基本吻合。其中, 各偏振参量的变化趋势也与理论相一致, 即: Z_H明显看到一个环状强回波, 中心位于径向距离6.5 km左右, 中心最大回波强度Z_H>25 dBZ, 环的厚度约为0.2 km, 环状回波带的高度约在1.5 km; 而在Z_DR图中相应位置也出现了清晰的环状回波, 其Z_DR值明显高于周围地区, 最大值大于2 dB, 大值区高度约在1.4 km, 略低于Z_H大值区的高度; 且在ρ_HV(0)图上也出现了一个低值区, 其值大多在0.92以下, 呈现出一条明显的“蓝色环状带”, 高度同样略低于Z_H大值区高度。利用基于模糊逻辑原理的零度层亮带识别算法(曹俊武等, 2006)也成功识别出了该亮带特征[图 8(d)中红色区域], 这也说明了经过处理后的偏振资料质量较好, 能客观反映出零度层亮带的偏振特性。

6 结论

以高原云团东移项目组2017年9-10月在青藏高原开展外场试验预观测期间的X波段双线偏振雷达观测资料为例, 从地物污染、信号衰减、信噪比、系统误差、相位稳定和资料一致性等多个方面对观测资料质量进行了综合分析, 并利用外场实测的一次层状云降水过程, 重点讨论了该雷达对零度层亮带的探测效果, 并得到如下结论:

(1) 受周边地形环境影响, 在抬高雷达最低仰角的情况下仍可以探测到显著的地物回波, 为了更好地开展雷达资料的后续应用, 需要先对地物回波进行有效剔除。

(2) 当信噪比较小时, 偏振资料受噪声影响太大存在明显偏差, 资料也变得不可信, 需要进行信噪比滤波以剔除弱信号的干扰。X波段雷达衰减明显, 经过衰减订正后数据质量得到提高。利用体扫最高仰角下的干雪作为自然目标物能有效订正Z_DR的系统误差, 且比较连续多日的订正结果可以看出雷达系统性能稳定, Z_DR的系统误差波动较小。而对雷达初始相位进行分析后同样发现, 雷达系统在外场观测期间相对稳定, 初始相位的波动不明显。

(3) 此次外场观测期间, X波段双线偏振雷达系统性能稳定, 获取的观测资料经过订正处理后能客观合理地反映出降水粒子的偏振特性, 并能有效分辨出零度层亮带特征; 资料质量整体较好, 可为后续分析使用。

(4) 在资料分析期间也发现存在资料归档不规范、数据信息存储异常、雷达空转等问题, 这就需要参与外场试验的观测人员及雷达厂家的技术人员在后续的外场观测期间通力配合, 多加留心, 保证雷达工作在最佳性能状态, 以求获得质量更好的观测资料。