引言

新一代天气雷达体扫模式表提供两种：晴空模式和降水模式，降水模式包括VCP11和VCP21;其中VCP11在5分钟内完成14个不同仰角的扫描，而VCP21是在6分钟内完成9个不同仰角的扫描; 由于VCP11在垂直方向上有较多的采样层次，因而具有较高的辩别能力; 而VCP21由于天线转速较慢，雷达采集的反射率因子和速度数据相对而言更为准确，并且其数据量较小，处理速度更快，资料保存更方便; 由于具有这些优点，在实际观测中，一般较多使用VCP21模式，而VCP11使用很少，甚至没有使用。但VCP11由于速度快，只需5分钟，显然更有利于探测快速演变的强对流单体，并且就其生成的产品来看，VCP11也更加准确。Witt^[1]曾根据两部雷达分别采用VCP11和VCP21模式对同一风暴进行探测，其产品具有明显不同，他认为产生这种差别的主要原因是因为VCP21在垂直方向上采样较少，分辨率低，导致其产品较为粗糙。国外正在试验适合各种天气类型的新体扫模式，如探测强对流的VCP Gamma模式，其特点就是増加在垂直方向上中低层的采样层次；我国目前在这方面的试验还比较少，只总结了一些灾害性天气如冰雹和暴雨的多普勒雷达资料概念模型^{[2, 3]}，但这些模型最适合哪样的体扫模式还没有进一步的对比研究。

用两部不同的CINRAD SA分别使用VCP11和VCP21去探测同一风暴由于距离的影响，较难区分两种模式的差异；因此，本文试着对VCP11模式的基数据进行处理，去掉其中的5个仰角，使之成为与VCP21相类似的模式，称之为VCP22^[4]，通过对VCP11和VCP22产品的比较，得到两种产品的特点及差别，分析其产生差别的原因，从而说明VCP11和VCP21模式的不同特点，以及两种模式分别适应的天气类型；为今后试验适合我国天气特点的新的体扫模式提供有益的探索。

1 VCP11模式基数据处理方法

表 1所示，VCP11和VCP21最低的5个仰角是相同的，在VCP11中去掉5.25°、7.5°、8.7°、12.0°、16.7°这5个仰角的数据而保留剩下的9个仰角的数据，成为VCP22模式; 对比VCP21与VCP22均为9个仰角，只有3个仰角不一样，差别分别为0.2°、0.1°、0.6°故可以认为VCP22近似等于VCP21。

实际中，当雷达进行体扫的时候，由于前两个仰角均扫描了两次，故VCP11和VCP21的基数据实际上分别包括16个和11个仰角的数据，其中第一和第二个(0.5°)，第三和第四个仰角(1.45°)是相同的。基数据VCP11到VCP22的转换可以通过编程实现。

经过转换后的VCP22模式基数据需要在CINRAD SA系统中进行回放(方法同正常的基数据回放)，请求的产品有回波顶高(产品号41)，VAD风廊线(产品号48)，垂直液态水含量VIL(产品号57), 剖面(产品号50)，组合反射率(产品号37)，弱回波区(产品号53)等。

2 VCP11、VCP21与VCP22三种模式在垂直方向上采样层次的比较

国外在试验新的体扫模式(如VCP Gamma和Beta)时证实，雷达在垂直方向上采样层次较密集时，能探测到更多的风暴并且对同一风暴的连续跟踪时间较长，跟踪的连续性又使得气象算法能较好地识别目标物的特征^[5]。图 1为两种模式在垂直方向上采样的比较(假定雷达天线高度为零，福建长乐雷达天线海拔实际为648m), 在70km距离处，13km高度以下，VCP11米集的数据有10个，而VCP21仅7个，且8km以上只有1个; 在140km处，高度约16km以下，两种模式采集的数据分别为7个和6个。

3 天气过程雷达资料说明

2004年5月1日，受西南气流的影响，福建省中北部部分县市出现了一次强对流天气过程。刚开始时(15:30)，在三明、龙岩的部分县市有对流性回波生成，随后，回波向偏东方向移动; 至18:30，回波移至永泰、闽清并发展为强雷暴，强度达65dBz高度14km, 给当地带来了冰雹大风等灾害性天气。长乐新一代天气雷达对整个天气演变的过程进行了跟踪观测。同月12日，受锋面的影响，福建南平、三明、福州等地区出现了一次强对流天气过程，19:00回波在尤溪、闽清等地发展为强雷暴天气，强度60dBz高13km, 给当地带来了雷雨大风，局部产生了暴雨。

本文主要使用了这两次强对流天气过程VCP11模式的基数据资料，另外还有一些对流性不强的降水回波资料和层状云降水回波资料。VCP11模式的基数据总共为40个。

4 产品对比分析

本文比较的两种模式下的产品有组合反射率(CR)、回波顶高(ET)、垂直累积液态水含量(VIL)、VAD风廓线(VWP)等，均在WSR-88D系统中自动生成。在对流性不强的降水回波和层状云降水回波中，两种模式下产品几乎没有差别，这主要是因为回波的高度不高(回波高度一般小于8km)，此高度下两种模式下在垂直方向对降水的采样层次基本一样所致。故本文中比较的均是较强的对流性回波的产品。

4.1 组合反射率(CR)的比较

组合反射率产品显示的是所有仰角扫描中每一个格点在垂直方向上的最大反射率因子。

图 2列出了在两种模式中的组合反射率因子的强度值；图 2a说明了强度大于30dBz的回波单体在VCP11与VCP22模式下对应的值(每一个点均为同一单体下同)，图 2b列出了两种模式中CR值的差异在不同距离处的情况，共比较了180个风暴单体(包括同一单体不同时刻的产品，下同)图 2a中，两种模式下VCP11与VCP22的强度大多数相同，没有发现VCP22大于VCP11的情况，只有15个较近距离(80km以内)单体的VCP22值小于VCP11值，其差别在10dBz以内(图 2b)，究其原因，主要是因为这些风暴单体在垂直方向上的最大反射率因子值正好位于VCP22中所缺少的仰角5.25°、7.5°、8.7°、12.0°及16.7°中的一个所对应的高度。

4.2 回波顶(回波大于30dBz)高度的比较

在两次强对流风暴过程中，分别比较了强度大于30dBz的回波单体180个; 在VCP11模式下，回波顶平均高度为11.2km, 而在VCP22中，平均高度为10.3 km。

图 3显示了回波顶高(H)在VCP11与VCP22模式下对应的值及其差别。图 3a中，有96个单体高度相同，84个单体VCP22值小于VCP11值，没有发现VCP22值大于VCP11值的情况，VCP22值小于VCP11的情况同样可由VCP22中缺少的仰角来说明，当回波顶部位于VCP22中缺少的仰角所对应的高度上时，VCP22值小于VCP11;图 3b为两种模式下回波顶高差(H₁₁-H₂₂)在不同距离处的分布，差值较密集区在30~150km的范围内，当距离大于150km时，差值为零，由图 1可知150 km以上距离处的回波高度均在5°仰角范围之下，此时两种模式扫描仰角完全一样。

图 3还可看出两种模式下大部分高度不相同的样本点分布在一个近似的直线段上，究其原因，这也是由于VCP22模式所缺少的仰角造成的; 表 1可看出VCP22所缺的仰角对应VCP11中最近的仰角之差有:0.95/1.3°, 2.0°, 2.5/2.7/2.8°, 图 3b中H的差值好象是一个随距离而变化的函数，由雷达测高公式分析，这跟前两个仰角差0.95/1.3°及2.0°有关。

4.3 垂直累积液态水含量VIL的比较

关于垂直液态水含量VIL的应用，国内外均进行了很多的研究：潘江等^[6]研究了利用VIL在降水估测方面的应用；王炜等^[7]利用VIL预测冰雹; 杨引明^[8]提出的冰雹概率指数预报中也用到了VIL; 在短时预报中VIL是一个很重要的参数，其值越高，出现灾害性天气的可能性越大。

在两种模式下所比较的160个风暴单体的VIL产品中，有86个的值相同，31个VCP11的VIL值大于VCP22, 43个VCP11的VIL值小于VCP22 (图 4)，之所以出现VCP22的VIL值大于VCP11, 其算法及计算公式^[9]可以说明，VIL是由液态含水量在垂直方向上进行积分得到的，而液态含水量仅取决于回波强度，实际的计算与体扫模式的层数有关; 当风暴在垂直方向上的最强回波反射率因子刚好位于VCP22模式所对应的仰角上时(仰角大于5°)，此时VCP22的VIL值大于VCP11的VIL值。

图 4a中可以看出，VCP22值大于VCP11基本都是在VIL较大(大于40kg·m^-2)时出现，VCP22值小于VCP11却是在VIL值较小(小于20kg·m^-2)时出现，而在20~40kg·m^-2的范围内两种模式的值基本相等，可见，VCP22的VIL脉动大于VCP11的VIL脉动；两种模式中的VIL值差别多在10kg·m^-2以下, 在距离大于150km时VIL值都相等(图 4b)

4.4 VAD风廓线的比较

对一个给定仰角的PPI扫描得到的全方位多普勒速度图，用VAD反演方法，可以获得雷达上空水平风的垂直分布^[10]。对于一个给定的VCP体扫模式，应用VAD算法，可以得到垂直方向上风速风向的风廓线图。CINRAD SA算法对需要的每个高度，选择适当的仰角，使得该仰角与给定高度相交点对应的斜距最接近30km (16.2nm)即一个VAD距离。

由VAD算法可知，VCP11与VCP22中相同的仰角对应的高度的风速风向全部相同。只有VCP22中相比VCP11所缺少的仰角对应的高度才有可能不一样。

在所比较的230个VAD产品中，风向(DIR)差别较小，基本在10°以内(图 5a), 在对流性不强的天气过程中(回波且分布在7、9、11km三个高度(图 5b)此即VCP22模式中所缺少的三个仰角5.25°、7.5°、8.7°所对应的高度，但12.0°和16.7°对应的高度的风向差别不明显。风速跟风向一样，也出现在上述三个仰角对应的高度，其中大小差别在4m·s^-1以内(图略)。

5 小结

通过比较组合反射率、回波顶高、垂直液态水含量VIL、VAD风廓线，可以得到以下结果：

(1) 在较远的距离(150km以上)，两种模式VCP11与VCP21/VCP22的产品实际上是一样的。

(2) 在对流性不强的天气过程中(回波高度小于8km)，两种模式的产品也基本一样。

(3) 在较近距离(150km以内)的强对流天气中，两种模式的产品差别较大，特别是回波顶高和VIL等重要参数，在VCP21模式下容易引起漏报或空报，此时应当使用VCP11模式。

(4) 体扫模式VCP11与VCP21是否完全符合当地的实际天气情况，还有待在观测中作进一步的对比验证; 就福建省长乐新一代天气雷达而言，在对台风进行探测时，这些模式都有一些不足的地方，故提出新的VCP模式使之更好地符合当地的天气特点也很有必要，需要更深入的研究。