引言

近年来布网的多普勒天气雷达在灾害性天气监测、预报和预警方面发挥了重要的作用^[1]。但是，冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气的发生发展突发性和局地性很强^[2]。目前，多普勒天气雷达还不能进行有效的监测，原因是现有体制的雷达为机械扫描，扫描速度慢，完成一个精度不太高的体扫时间需要5~6分钟，不能满足短时强天气监测与预报的需要。相控阵雷达(PAR，Phased array radar)采用电扫描方式，可形成多个波束，能够在不到1分钟之内完成一次数据信息更新^[3]，比现有天气雷达每6分钟更新一次来说无疑是巨大的进步。2003年，美国开始将用于军事目的的退役相控阵雷达天线用于大气探测研究^[4-8]，采用WSD-88D的发射机，新改装的相控阵天气雷达安装在Oklahoma州的Norman市，并进行了观测试验。Travis等^[9]研究了发生微下击暴流的一些前期征兆，指出使用PAR资料很容易识别和确定微下击暴流。Pamela等^[10]研究了冰雹核的快速演变和消亡过程以及产生的三体散射，指出快速扫描的资料能够得到冰雹的增长、衰减和消亡的精细过程，但未对相控阵天气雷达的探测精度和探测能力做过对比研究。使用美国新改装的相控阵天气雷达(PAR)与多普勒天气雷达(KTLX)同步获取的强风暴资料研究相控阵天气雷达的探测精度和探测能力，对我国今后开展相控阵天气雷达的研究工作是有意义的。

1 相控阵天气雷达与多普勒天气雷达的异同

相控阵天气雷达与常规的多普勒天气雷达都包括发射机、接收机、天线。它们对降水目标的探测原理都是雷达朝一定的方向发射电磁波，当电磁波脉冲遇到降水物质(雨滴、雪花和冰雹等)时，其向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收，这是二者的相同之处。不同的是两种雷达的天线结构，相控阵天气雷达的天线采用平面阵列形式(如图 1b)，由大量的辐射单元按一定的规则排列组成，各个辐射单元发射的信号聚集于空间某一方向，形成方向性极强的发射波束，波束指向是依靠发射信号相位差而改变。相控阵雷达可形成多个独立的波束以同时探测多个目标，大大提高数据的采集率^[11]，其天线一般都固定不动，因此也就无惯性，能够对目标精确定位，但是这样一个平面阵列天线限制了它的扫描范围，最大范围为±60°，为了完成方位360°扫描，天线一般采用3~4个阵面或者在方位上采用机械转动。美国的PAR天线是退役的宙斯盾SPA-1天线，由4个阵面组成，目前只有一个阵面用作探测气象目标，依靠机械转动完成方位360°扫描，可在1分钟之内完成一个体扫。常规的多普勒天气雷达天线采用抛物面形(如图 1a)，波束的方位和俯仰扫描都采用机械转动天线来完成且具有惯性，波束的转换速度受到天线机械转动的限制，一般为每秒钟36°，在5~6分钟内完成一个体扫描，且不易形成多波束，采用单波束发射单波束接收。两部雷达的一些参数见表 1。

天线的结构不同，则两部雷达的扫描方式也就不同。相控阵天气雷达的天线扫描采用多波束转换扫描方式^[12](如图 1d所示)，在发射脉冲时，首先在0°的位置发射一对脉冲(发射一对脉冲是为了径向速度估计)，接着转向7°的位置再发射一对脉冲，再转向3 °的位置，依次类推，当这14个方位的脉冲数全部发射完后，再返回到0°的位置发射脉冲，循环往复，直到每个方位上达到所需的脉冲数。这个14°的扇形扫描完成后，再接着进行下一个扇形扫描以达到全方位360°的扫描。而多普勒天气雷达采用连续扫描方式如图 1c所示,即先在0°的位置一次发射完所需的脉冲数后，再转向1°的位置，依次类推直到360个方位全部扫描完成。

2 比较与分析 2.1 波束宽度变化情况比较

美国相控阵天气雷达(PAR)的波束宽度变化范围为1.5~2.1°，多普勒天气雷达(KTL X)的波束宽度变化范围为0.9~1.01°，两者的波束宽度随扫描方向角的变化情况如图 2，相控阵天气雷达的波束宽度随扫描方向角的变化呈抛物线形，当波束指向天线阵面法线方向时波束宽度最小，当波束指向偏离阵面法线方向时随着指向角的增大波束宽度也随之增大，表现在图中也就是在方位355°(图 2a)和20°、100°、200°、280°(图 2b)处波束宽度最小，在方位310°、40°(图 2a)和65°、155°、245°、335°(图 2b)处波束宽度最大，而多普勒天气雷达的波束宽度在整个扫描方位角范围内基本保持不变，维持在1°左右。波束宽度的变化必然影响到在同一距离处有效照射体积的变化，也就影响到雷达的探测精度。

2.2 径向探测精度比较

众所周知，雷达显示器上每个亮点都是一个有效照射体积(也就是采样体积)中降水粒子共同作用的结果。显示器上观测到的某一位置上的Z值，实际上也是这个体积内的平均值，当这个体积增大时，雷达探测到的Z值是这个更大体积内综合平均的结果，则在显示器上观测到的被平均化了的Z值将比该高度上真正的Z值更偏小^[13]。因此分析这个体积的变化情况可以反映雷达径向探测精度的高低。两部雷达采样体积在不同距离处的变化情况见图 3(见彩页)。从图中可以看出，PAR雷达的采样体积在某一距离处随波束扫描方向角的变化情况同波束宽度的变化情况一样呈抛物线形，当波束指向垂直于阵面时(表现在图 3中也就是在方位20°、100°、200°、280°处)，采样体积最小，也就是探测精度最高，而在偏离阵面法线两侧，随着偏向角的增大，采样体积也增大，也就是探测精度降低。KTLX雷达的采样体积在某一距离处不随方位的改变化而变化，也就是说它的探测精度在某一距离处是基本不变的，它的采样体积只随距离的增大而降低。从图 3(见彩页)整体来看，在相同距离处，PAR雷达的采样体积比KTLX雷达要小，只是在波束宽度较大的几个方位处要稍大些，可见，PAR雷达的径向探测精度要比KTLX雷达高。

2.3 切向探测精度比较

雷达发射的波束都具有一定宽度，正是这个宽度的存在，使得雷达波束在作水平扫描时造成真实目标物在切向的探测误差。PAR雷达的波束宽度又会随着扫描方向角的变化而变化，那么它的切向探测误差又会如何呢？对于强雷暴这个切向探测误差的表达式^[13]为：

$ \frac{\theta }{2} \times \frac{{{2\pi }}}{{360}} \times R $

R为雷达与目标物之间的径向距离。

两部雷达产生的切向探测误差变化情况如图 4(见彩页)。从图可以看出，PAR雷达的切向探测误差变化曲线也是呈抛物线形，在波束指向阵面法线方向时，切向探测误差最小，而随着扫描方向角的变化切向探测误差也随之增大；KTLX雷达的切向探测误差在某一距离处随着扫描指向角的变化基本保持不变；在同一距离处，PAR雷达的切向探测误差都要比KTLX雷达的大，在近距离(100km以内)处，PAR雷达的切向探测误差大约是KTLX雷达的1~2倍，而在远距离(100k m以外)处，PAR雷达的切向探测误差远远大于KTLX雷达。

相控阵天气雷达带来的这些误差都是由于波束加宽后而产生的，且相控阵天气雷达的波束宽度还会随着扫描指向角的变化而发生改变。为了尽可能减小探测误差，提高雷达的探测精度，就必须减小波束的宽度，但是波束宽度越窄，所要求的天线辐射单元越多，天线的体积越庞大，难于实现。为了缩短探测周期，利用相控阵雷达可形成多波束的优势，在方位上采用窄波束、俯仰上采用宽波束发射，同时在接收时采用多个窄波束覆盖发射波束的接收技术。

2.4 扫描时间对比

相控阵天气雷达与多普勒天气雷达对两次强风暴的观测时间如表 2。由于相控阵天气雷达的电子波束采用扇形扫描和多波束扫描，比起KTLX雷达的圆锥扫描来说，扫描完特定的区域所需时间相对短些。如表 2中5月30日的龙卷过程，扫描的扇形区域是从方位310°~40°共55个方位、9个仰角大约25秒就可完成；而同样的天气过程，KTLX雷达却需要用4分13秒才能完成360个方位、14个仰角的体扫。6月2日的飑线过程，两部雷达的扫描区域都是从0~36 0°，相控阵天气雷达用了96秒就完成了这样一个体扫，KTLX雷达却用了4分14秒。可见，相控阵天气雷达的扫描周期比多普勒天气雷达的扫描时间短得多。

2.5 灵敏度比较

虽然弱信号对降水测量的贡献可以忽略，但也是真实信息的反应^[14]。这里分别选取了2004年5月30日和6月2日两个个例在1km等高面上的反射率因子分布图(如图 5)。从图中可看出两条分布曲线基本吻合，但是在图 5a中小于50dBz的区域中，KTLX雷达探测到的像素点数量要比PAR雷达多；同样在图 5b中小于30dBz的区域中，KTLX雷达探测到的像素点数量比PAR雷达多；在两幅图中大于50dBz的区域中，两部雷达探测到的像素点数基本一样。可见快速扫描的PAR雷达对探测大于50dBz的反射率因子与KTLX雷达有较好的一致性，而对于强度较低的反射率因子KTLX雷达所观测的值占的比重要比PAR雷达大。

3 高时空分辨率资料的应用

美国相控阵天气雷达(PAR)位于35.24°N、97.46°W，多普勒天气雷达(KTLX)位于35.33°N、97.28°W，它们的天线架设高度分别为13m和384m，根据雷达的测高计算公式，PAR雷达的0.75°仰角和KTLX雷达的0.5°仰角在140km范围内的探测高度最大误差3 67m，因此对PAR雷达0.75°仰角和KTLX雷达0.5°仰角探测的反射率因子和径向速度图可近似对比。

3.1 探测强反射率因子和多普勒速度特征

由前面的分析中可知，PAR雷达的径向探测精度比KTLX雷达高，两部雷达不同扫描体制所探测到的反射率因子如图 6(见彩页)所示。可以看出两者在探测龙卷的钩状回波特征时基本一致。只是由于PAR雷达的采样体积比KTLX雷达的小分辨率高，所探测得到的反射率因子图比K TLX雷达更加清晰。图 7(见彩页)是两种不同扫描体制雷达2004年6月2日探测的一次强风暴的径向速度图。两部雷达探测到风场结构基本一致，在低层风向都为东北—西北走向，在雷达的西北处都存在风向的辐合。只是由于PAR雷达的库长为240m，KTLX雷达的库长为250m，从径向上，两者的库长基本相当，但是PAR雷达的方位分辨率不如KTLX雷达，从图 7a和b中可看出，KTLX雷达观测到的径向速度在方位上要比PAR雷达精细些，图 7b中还可看出，PAR雷达由于采用了完全不同于KTLX雷达的扫描方式，其观测到的径向速度出现的模糊现象比KTLX雷达观测到的要严重，图中以白色的圆圈表示，图 7c是采用了一种简易的速度模糊纠正技术^[15]后得到的径向速度图，即首先将存在模糊的速度场恢复为连续的速度场，然后对其速度数值是否存在整体偏移做出判断和调整。可以看出，这种简易的退速度模糊法也可去除波束多路转换扫描方式下出现的速度模糊现象。

3.2 探测风暴演变特征

从两部雷达的扫描时间对比中可知，PAR雷达能够在不到1分钟时间内完成一次数据的更新，而KTLX雷达却需要4分多钟的时间。在图 8(见彩页)中，列出了21:31:34—21:40:02两部雷达同时探测风暴的时间序列，在这段时间内，KTXL雷达完成了两个体扫，PAR雷达完成了五个体扫，飑线上的单体经历了分裂、合并，并逐渐向南运动。在靠近雷达的两个单体，两部雷达都观测到了分裂过程，首先在两部雷达的起始阶段，两个单体有分裂的趋势，到了PAR雷达下一次体扫时间21:34:42，已观测到这两个单体完全分裂开了，而KTLX雷达在下一次体扫时间21:35:48才观测到；到了PAR雷达的第五个体扫时间21:39:36，观测到了左边第二、第三个单体上已分裂成一个个小的单体，且第二、第三个单体有合并的趋势，而KTLX雷达在每三个体扫时间21:40:02才观测到。可见，快速扫描的PAR雷达能够探测到超级单体的精细演变过程，能够提高灾害性天气的预警时间。

4 结论

本文通过对PAR雷达与KTLX雷达同时探测到的两个个例资料的分析与比较，得出以下初步结论：

(1) 相控阵雷达在扫描过程中，波束宽度会发生改变呈抛物线形，且变化的幅度比KTLX雷达大，在波束指向阵面法线方向时，波束宽度最小，随着偏离阵面法线角度的增大波束宽度也随之增大。

(2) 相控阵天气雷达的径向探测精度、切向探测精度也会随着方向角的变化而变化，当波束指向阵面法线方向时精度最高，在偏离阵面法线时，精度逐渐降低，而多普勒雷达在整个探测周期内，其探测精度不随扫描方向角的改变而改变。

(3) 相控阵天气雷达的切向分辨率比多普勒雷达低，提出了在方位上采用窄波束、俯仰方向上采用宽波束扫描，同时在接收时采用多个窄波束覆盖发射波束的接收方法。

(4) 相控阵天气雷达对探测大于50dBz的反射率因子与KTLX雷达有较好的一致性，而对于强度较低的反射率因子KTLX雷达所观测的值占的比重要比PAR雷达大。

(5) 高时空分辨率资料能够提高强反射率因子特征以及风暴发生发展的精细演变过程。在探测径向速度方面，波束多路转换扫描方式下得到的速度图像模糊现象较连续扫描严重。将存在模糊的速度场恢复为连续的速度场然后再对速度数值进行调整的退模糊方法也能剔除波束多路转换扫描方式下的速度模糊现象。

相控阵天气雷达的快速扫描能够使我们对中小尺度天气过程发生、发展以及三维立体结构和动力结构有更好的了解，但是多波束的同时扫描和多波束转换扫描方式的使用，使得数据处理更加困难以及会带来一些负面影响，如多波束扫描会使主波束受到相邻波束的污染等等。因此在今后我国研制相控阵天气雷达中要重点考虑多波束体制下的探测方法、多通道信号处理以及数据处理等。