調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在安徽降水云探測中的應(yīng)用

1云體垂直結(jié)構(gòu)觀測及數(shù)據(jù)反演在總氣溫度從10公里到10公里不等的降水云中，云和降水的形成經(jīng)歷了一個相對復(fù)雜的微物理過程。近年來,氣象學(xué)家對降水和云物理方面研究的重點之一是對降水云體的垂直探測及其微物理過程的反演研究;對云和降水云體的精細(xì)探測主要建立在微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)上,如采用高分辨率的雷達(dá)進行垂直探測。已經(jīng)發(fā)展了多種波長的脈沖多普勒體制垂直探測雷達(dá),用于進行云和降水云的垂直結(jié)構(gòu)研究。垂直探測雷達(dá)主要用于降水云的精細(xì)結(jié)構(gòu)探測和譜分析研究,早期的研究多是采用925和445MHz的風(fēng)廓線雷達(dá)研究降水云中的微物理過程(Rajopadhyaya,etal,1993);35和94GHz云垂直探測雷達(dá)主要用于反演云參數(shù)和獲取云中的動力過程(Gossard,etal,1997)。美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的高層大氣試驗室(AL)研制的采用相干積分和脈沖壓縮技術(shù)的S波段高分辨率垂直探測雷達(dá),更適合探測降水云體的完整垂直結(jié)構(gòu)(Ecklund,etal,1999);NOAA的環(huán)境技術(shù)實驗室(ETL)將可切換的微波耦合器技術(shù)應(yīng)用到S波段垂直探測雷達(dá),提升了對微弱信號的探測能力(White,etal,2000)。大氣輻射測量(ARM)和北美季風(fēng)試驗(NAME)觀測中采用了多種波長的垂直探測雷達(dá)進行聯(lián)合觀測,以獲取大氣和降水云中的物理過程和垂直演變規(guī)律,試驗表明垂直指向雷達(dá)是獲取大氣和云垂直分布的有效探測系統(tǒng)(Stokes,etal,1994;Lerach,etal,2010);Sekelsky等(1999)利用多波長雷達(dá)開展了云和降水云中的微物理參數(shù)反演研究。脈沖多普勒雷達(dá)采用窄脈沖發(fā)射方式提高探測分辨率,但是寬的接收機帶寬降低了靈敏度,采用寬脈沖發(fā)射、窄脈沖接收的脈壓技術(shù),會抬高系統(tǒng)的噪聲電平,直接影響了探測能力,因此脈沖多普勒雷達(dá)難以保證在不損失探測能力的情況下獲取高的距離分辨率。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(FMCW)采用連續(xù)波體制通過對發(fā)射信號頻率的調(diào)制、對返回信號的解調(diào)實現(xiàn)距離測量,FMCW雷達(dá)系統(tǒng)測距測速精度高、測距盲區(qū)小、峰值功率低、截獲概率低,其對目標(biāo)的精確定位能力在軍事、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用(斯科爾尼克,1978)。20世紀(jì)60年代后期,FMCW技術(shù)在氣象部門也得到了應(yīng)用。美國海軍電子實驗室研制的S波段FMCW體制雷達(dá)被用于邊界層大氣結(jié)構(gòu)的研究,具有高距離分辨率和高探測靈敏度(Richter,1969),先后開展了開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性(K-H波)、湍流引起的溫度變化以及大氣垂直速度對大氣邊界層穩(wěn)定性影響等的相關(guān)研究(Eaton,etal,1995)。進入21世紀(jì)以來,窄帶濾波器組被模塊化快速傅里葉變換(FFT)組件代替,FMCW技術(shù)得到進一步發(fā)展。采用快速傅里葉變換處理技術(shù)不僅能夠快速得到高距離分辨率的返回信號回波強度、速度、譜寬等譜參數(shù)產(chǎn)品,還可以得到信號的譜分布信息。2002年在美國能源部支持下,馬塞諸塞大學(xué)研制了S波段FMCW雷達(dá),探測能力達(dá)到1m的空間分辨率和1s的時間分辨率(雷達(dá)探測系統(tǒng)的定標(biāo)是雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用的基礎(chǔ)。仲凌志等(2011)對毫米波測云雷達(dá)進行過定標(biāo)和比較試驗,鐘劉軍等(2010)提出了對L波段探測功率譜密度的定標(biāo)方案。C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)定標(biāo)是對返回信號功率譜密度分布中的單根譜線進行定標(biāo),其單根譜線的噪聲功率僅為-170dBm,遠(yuǎn)低于多普勒天氣雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá),對微弱信號的定標(biāo)是該雷達(dá)的技術(shù)難點。本研究針對C-FMCW雷達(dá)信號譜分布進行了定量標(biāo)校,通過與CINRAD/SA雷達(dá)數(shù)據(jù)比對分析確認(rèn)C-FCMW雷達(dá)對降水云垂直結(jié)構(gòu)描述的探測優(yōu)勢,對探測試驗中一些新的觀測事實進行了初步分析。2c-fmcw雷達(dá)系統(tǒng)C-FMCW天氣雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)通過第1次快速傅里葉變換提取回波信號中的距離信息,第2次快速傅里葉變換獲得距離單元上的功率密度譜分布,進而計算出回波強度、平均多普勒速度、速度譜寬等譜參數(shù),可以提供降水云體的精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和回波強度譜分布數(shù)據(jù),C波段雷達(dá)垂直探測時強回波區(qū)對電磁波的衰減可以忽略不計。表1給出C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。圖1a為安徽定遠(yuǎn)2013年7月4日21時25—45分(世界時,下同)探測的降水云強度、速度、譜寬時序圖,時間分辨率為3s、高度分辨率為30m。圖1b為21時45分35秒探測的回波強度譜密度分布圖。由于C-FMCW接收機帶寬為2kHz,與脈沖多普勒雷達(dá)2MHz的帶寬相比,靈敏度提高了30dB,另外,快速傅里葉變換譜分析(信號相干積累)的信號處理得益約為25—30dB,因此累積增加55—60dB,其最小可測靈敏度為-170dBm。采用數(shù)字直接移相技術(shù)(DDS)和高穩(wěn)定度的晶振,雷達(dá)頻率短穩(wěn)達(dá)到103譜線噪聲功率C-FMCW雷達(dá)接收信號的定標(biāo)對雷達(dá)輸出回波功率譜密度分布中譜線的功率值進行定標(biāo)。C-FMCW雷達(dá)接收機輸出窄帶寬信號,譜線上噪聲功率在距離分辨率為30m時最低為-166dBm、距離分辨率15m時最低為-169dBm,雷達(dá)最小可檢測信號功率亦分別為-166、-169dBm,C-FMCW雷達(dá)的定標(biāo)難點是對微弱信號的標(biāo)定。3.1譜線噪聲功率C-FMCW雷達(dá)返回信號通過快速傅里葉變換解調(diào)提取距離信息,距離分辨率為15、30m時,距離庫輸出的信號帶寬分別為1、2kHz,輸出信號中混有的系統(tǒng)噪聲功率P式中,N返回信號進行譜分析時,需要再次對信號進行快速傅里葉變換處理,信號中的噪聲也再次分解到各個譜線中,單根譜線上的噪聲功率為式中,N為快速傅里葉變換譜處理的點數(shù),C-FM-CW雷達(dá)選N=512,P3.2譜線定量標(biāo)校目前常規(guī)天氣雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)最小可檢測信號功率約為-115和-145dBm,C-FMCW雷達(dá)的最小信號功率接近-170dBm,常規(guī)方法難以對微弱信號進行定標(biāo)。對C-FMCW雷達(dá)的定標(biāo)采用將標(biāo)準(zhǔn)信號源信號轉(zhuǎn)換為掃頻信號進行,單頻信號經(jīng)過數(shù)字直接移相后變?yōu)閽哳l信號輸入C-FMCW雷達(dá),經(jīng)快速傅里葉變換處理后分解為不同距離庫上的信號,各距離庫上輸出的平均信號功率為該調(diào)頻周期內(nèi)信號功率的1/K,K是調(diào)頻帶寬和距離庫帶寬間的頻寬比。C-FMCW雷達(dá)采用兩種調(diào)頻帶寬———6、7MHz,對應(yīng)的距離庫帶寬為2kHz(30m)、1kHz(15m),則K為3000、7000。輸入信號經(jīng)數(shù)字直接移相掃頻和第一次快速傅里葉變換分解使得每個距離庫信號功率降低了34.8、38.4dB。通過確定定量標(biāo)校曲線的線性動態(tài)范圍,來獲取微弱信號的定量測量。對6MHz調(diào)頻帶寬接收系統(tǒng)進行了57組數(shù)據(jù)的測量,外接信號源采用HP83752B,為了盡可能減小測量過程中引入的誤差,在測試時僅使用了一個50dB的衰減器,理論輸入單個距離庫的功率最小可達(dá)-169.77dBm。圖2a給出了C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)定標(biāo)曲線,最小可檢測信號在-167dBm,最大可檢測信號為-65dBm,擬合線斜率為1.004,均方根誤差為0.19,系統(tǒng)的動態(tài)范圍為98dB,系統(tǒng)回波功率與輸入功率之間線性擬合程度很高。擬合線上端拐點處為接收機最大接收功率,下端小信號區(qū)域內(nèi)拐點是機內(nèi)噪聲干擾導(dǎo)致,由于機內(nèi)噪聲功率很小,當(dāng)信號源輸入功率較大時,噪聲功率對輸入信號功率的影響可忽略不計(大信號區(qū)域);當(dāng)信號源輸入功率降低至接近噪聲功率時,便會出現(xiàn)拐點,實測數(shù)據(jù)值與擬合直線值的標(biāo)準(zhǔn)差等于3dB時,輸入信號功率等于噪聲功率。圖2b是在圖2a中小信號區(qū)域的基礎(chǔ)上,進行了噪聲訂正(米字點包含系統(tǒng)噪聲),圖2b中噪聲訂正后的定標(biāo)曲線線性程度得到了改善。圖2中由噪聲電平計算出雷達(dá)噪聲功率約為-168dBm,表明C-FMCW雷達(dá)具有對微弱氣象回波信號的探測能力,也表明此定標(biāo)方案可行、定標(biāo)曲線合理。3.3粒子譜分布的二階中心矩定標(biāo)后的單根譜線的回波功率P由雷達(dá)氣象方程,譜線的回波功率P式中,大氣信號的回波強度Z由噪聲電平P平均徑向速度(m/s)是返回信號強度譜分布的一階矩,表示為速度譜寬σ(m/s)反映了雷達(dá)取樣空間內(nèi)粒子運動的不均勻性,為信號強度譜分布的二階中心矩4km的合肥sa雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)2013年6月起C-FMCW雷達(dá)在安徽定遠(yuǎn)(32°32′N,117°40′E,69.6m)開展了觀測試驗。與距離定遠(yuǎn)47.7km的蚌埠SA雷達(dá)(32°51′N,117°27′E,149.6m)和83.5km的合肥SA雷達(dá)(31°52′N,117°15′E,165.6m)觀測數(shù)據(jù)進行比較。8月24日定遠(yuǎn)出現(xiàn)了一次較強的降水過程,前期為強對流降水,后期轉(zhuǎn)為層狀云降水,提取了蚌埠SA雷達(dá)、合肥SA雷達(dá)探測定遠(yuǎn)上空的回波數(shù)據(jù)與相同時刻C-FMCW雷達(dá)數(shù)據(jù)進行比對分析。4.1c-fmcw雷達(dá)數(shù)據(jù)3部雷達(dá)在定遠(yuǎn)上空回波強度的取樣空間各不相同,SA雷達(dá)每個仰角波束寬度為1°,距離庫長1km;C-FMCW垂直探測雷達(dá)的波束寬度為2.6°,距離庫長30m。圖3為蚌埠、合肥SA雷達(dá)與C-FMCW雷達(dá)數(shù)據(jù)代表性示意圖,圖3a是高度取樣空間,圖3b為水平面上取樣空間。在C-FMCW雷達(dá)上空,蚌埠SA雷達(dá)與合肥雷達(dá)的數(shù)據(jù)取樣空間的高度范圍分別為0.63、1.45km,分別覆蓋了21和48個C-FMCW雷達(dá)數(shù)據(jù)范圍。C-FMCW雷達(dá)在1、5和10km高度上的水平取樣范圍分別為0.022km×0.022km、0.11km×0.11km和0.218km×0.218km,在C-FMCW雷達(dá)上空5km,蚌埠SA雷達(dá)取樣面積是C-FMCW雷達(dá)的40倍、合肥SA雷達(dá)則為85倍。4.2探測回波強度分布根據(jù)地面降水強度和降水云垂直結(jié)構(gòu)特征,2013年8月24日降水過程劃分為兩個時段,時段1為06時30分—08時的對流云降水階段,時段2為09—11時的層狀云降水階段。圖4分別給出兩個時段定遠(yuǎn)上空降水云體垂直廓線反射率(VPR)隨時間的變化,圖4a、b的C-FMCW雷達(dá)在06時30分—08時共進行了1800次探測,09—11時共探測了2343次,垂直廓線反射率是由SA雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取定遠(yuǎn)上空7個仰角數(shù)據(jù)插值獲得,時段1共有15次探測,時段2共有20次探測。從圖4b、d、f可以看出,C-FMCW雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)描述的降水云體精細(xì)結(jié)構(gòu)特征明顯,對流性降水云體結(jié)構(gòu)凸出,SA雷達(dá)無法描述對流降水的精細(xì)結(jié)構(gòu)和快速變化。層狀云降水回波強度水平分布均勻、垂直變化緩慢,C-FMCW雷達(dá)在5km高度上探測到清晰、穩(wěn)定維持的0℃層亮帶結(jié)構(gòu)(圖4a),厚度約為500m,而蚌埠SA雷達(dá)0℃亮帶結(jié)構(gòu)并不清晰(圖4c),合肥SA雷達(dá)基本無法看到0℃層亮帶(圖4e)。比較兩部SA雷達(dá),合肥雷達(dá)比蚌埠雷達(dá)在定遠(yuǎn)上空的取樣空間更大,兩者的垂直廓線反射率特征也存在差異,合肥SA雷達(dá)對弱降水云探測的回波強度偏強,而探測強降水云的回波強度偏弱。顯然,相對于掃描雷達(dá),C-FMCW雷達(dá)描述降水云體垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)更為真實。4.3c-fmcw數(shù)據(jù)的高度提取SA雷達(dá)每個掃描仰角在C-FMCW雷達(dá)上空的數(shù)據(jù)進行時空匹配,根據(jù)SA雷達(dá)數(shù)據(jù)覆蓋的高度范圍確定C-FMCW數(shù)據(jù)高度和數(shù)據(jù)樣本,兩者在水平空間代表性的差異依然存在。考慮到低仰角地物遮擋和高仰角探測云充塞程度的不確定性影響,比較時分別給出蚌埠和合肥SA雷達(dá)2.4°、3.3°、4.2°、5.9°四個仰角與C-FMCW雷達(dá)在相應(yīng)高度區(qū)間的數(shù)據(jù)輸出。4.3.1fmcw最大回波強度圖5、圖6給出時段1蚌埠SA與C-FMCW、合肥SA與C-FMCW雷達(dá)回波強度比對結(jié)果,圖中黑點為周期6min的SA雷達(dá)數(shù)據(jù),C-FMCW雷達(dá)數(shù)據(jù)隨時間的連續(xù)變化由連線給出,紅色表示掃描波束范圍內(nèi)C-FMCW的最大回波強度Z4.3.2c-fmcw雷達(dá)回波強度層狀降水云水平分布均勻,可以評估3部雷達(dá)探測回波強度的一致性。圖7、8中穩(wěn)定降水云的回波強度變化平緩,圖7a、b、c和圖8a、b中C-FMCW雷達(dá)探測Z利用C-FMCW雷達(dá)與SA雷達(dá)探測水平分布均勻的層狀降水云數(shù)據(jù),對圖7、圖8中SA雷達(dá)4個仰角高度范圍內(nèi)C-FMCW雷達(dá)所有距離單元數(shù)據(jù)計算了平均回波強度Z圖7中C-FMCW雷達(dá)在4個仰角高度范圍Z圖8中合肥SA雷達(dá)回波強度出現(xiàn)在15.5—39.0dBz、C-FMCW雷達(dá)Z5云體探測結(jié)果C-FMCW雷達(dá)于2013年6—8月在安徽定遠(yuǎn)開展了探測試驗,期間共出現(xiàn)6次降水過程,獲得了層狀云、對流云、混合不同性質(zhì)的降水云體共55620次探測數(shù)據(jù),高時空分辨率的回波強度、垂直速度和速度譜寬等譜參數(shù)垂直廓線為研究降水云體垂直結(jié)構(gòu)及演變提供了基礎(chǔ),回波強度譜密度的垂直分布可用于研究降水云中的微物理過程和機理。5.1譜分布特征與回波強度固態(tài)粒子與液體粒子共存時譜分布特性與單一相態(tài)譜分布特性差異較為明顯,可以用來確認(rèn)亮帶區(qū)即混合相態(tài)區(qū),對圖1a中譜參數(shù)進行了亮帶結(jié)構(gòu)識別,將亮帶頂部、底部高度繪制在圖1b中,亮帶區(qū)是層狀降水云中的冰水混合區(qū),其上為固態(tài)粒子區(qū),其下為液態(tài)粒子區(qū)(黃鈺等,2011)。圖1b中回波強度譜密度垂直分布清楚地表現(xiàn)出混合區(qū)的譜分布特征,固態(tài)降水粒子區(qū)速度譜分布范圍較窄,粒子下降速度小;進入冰水混合區(qū)后冰相與液相粒子共存造成譜分布迅速變寬,粒子融化過程中的碰撞沖并、吸附以及破碎等過程造成的粒徑分布廣泛,粒子融化吸熱引起環(huán)境溫度變化造成的微尺度環(huán)流也加大了譜展寬。亮帶區(qū)之下為液體降水質(zhì)點區(qū),此高度區(qū)基本無固態(tài)粒子,主要反映雨滴的譜分布特征,譜分布寬度比混合區(qū)小、比冰晶雪花譜分布大,隨著高度下降,受大氣環(huán)境密度影響雨滴下降速度略有降低。圖9b為2013年7月4日降水過程20時25分至22時的C-FMCW探測回波強度隨時間的變化,圖9c為地面分鐘雨量,圖9b中層狀云0℃層高度在5km上下,在20時35分至21時15分時段有對流泡體出現(xiàn),對流強盛時期40dBz回波強度發(fā)展高度達(dá)到10km,弱對流階段40dBz回波高度達(dá)到6km。圖9a給出幾個典型的回波強度譜密度垂直分布和混合區(qū)的高度范圍。穩(wěn)定的層狀降水云,粒子融化過程在厚度約為1km的高度內(nèi)完成(圖9a混合區(qū)中水汽、冰晶、水滴三態(tài)共存,固態(tài)質(zhì)點飽和水汽壓低,液態(tài)飽和水汽壓高,有利于水汽的凝結(jié)增長;固態(tài)質(zhì)點下降速度慢,液態(tài)粒子下降速度快,大氣對流運動造成混合層厚度增大,加強了粒子碰并、吸附增長過程,大粒徑降水粒子數(shù)濃度增多使得地面降水強度加強。圖9b、c中,地面降水強度在層狀云降水階段小于0.1mm/min、弱對流階段約為0.6mm/min、對流階段約為1.0mm/min,表明混合層的厚度與地面降水呈正相關(guān)。5.2廣闊的邊境和邊緣的回歸利用大氣擾動的后向散射功率計算大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C邊界層內(nèi)C5.3c-fmcw雷達(dá)探測云體的回波強度C-FMCW可以描述降水云的精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和快速演變特征,譜參數(shù)和譜分布的協(xié)同分析,有助于深入認(rèn)識云中的水汽與動力過程。圖11b為C-FMCW雷達(dá)2013年8月24日06時40分—08時譜參數(shù)隨時間的變化,07—08時77.4mm/h的降水強度為定遠(yuǎn)當(dāng)年最強降水。圖11a中蚌埠SA雷達(dá)07時06分、12分的組合反射率因子,圖中定遠(yuǎn)位于雷達(dá)回波前端。圖11b中C-FMCW雷達(dá)探測的云體高度發(fā)展到15km,但是強回波主要出現(xiàn)在5km高度之下;圖11b的徑向速度時序圖上,在5—7km高度附近出現(xiàn)明顯的上升速度,最大為10.6m/s,在其下方較強的下沉速度與回波強度的分布趨勢一致;上升速度區(qū)之上出現(xiàn)強的下沉運動,最大為20.6m/s,而回波強度圖上則表現(xiàn)為弱回波區(qū)。這種強的下降速度在此稱為高空“下?lián)舯┝鳌薄Ｉ仙拖鲁吝\動的強烈變化在回波強度譜分布中的表現(xiàn)更加清晰。圖11c兩個時次回波強度譜的垂直變化過程在7km高度附近均出現(xiàn)了從10m/s到-10m/s的轉(zhuǎn)折(圖中紅線),這兩種向上連續(xù)延展和向下連續(xù)延展的譜分布分別代表了不同物理屬性的粒子群運動;垂直徑向速度受降水粒子下降運動與大氣垂直運動共同影響,強回波強度主要出現(xiàn)在5km以下,上部強下降速度譜分布反映了來自高空的強烈下沉,這種下沉運動在雷達(dá)回波主體前緣表現(xiàn)更為劇烈,可能是回波主體高空向前伸展的卷積云中冰晶雪花下降時的升華強烈吸熱造成周圍空氣急劇變冷和下沉運動加強,類似于雪幡形成的物理過程。這種現(xiàn)象在2014年廣東陽江的季風(fēng)爆發(fā)前觀測試驗中也有發(fā)現(xiàn)。6降水云體回波強度觀測結(jié)果與分析(1)C-FMCW雷達(dá)是對返回