强对流过程中小尺度系统的相控阵天气雷达观测和分析

相控阵雷达技术是替代现有机械扫描的气象雷达，实现强对流中小尺度三维结构演变资料快速获取的关键技术，我国目前研制的相控阵天气雷达波瓣宽度等参数不能满足分辨中小尺度系统的要求。本项目利用灾害天气国家重点实验室为强对流观测研发的具有多路接收功能的X波段可移式相控阵天气雷达，开展强对流过程的外场试验观测，获取快速扫描的相控阵天气雷达资料；研究多波束接收和一维相扫体制的相控阵天气雷达观测模式和资料分析、质量控制方法，评估多种观测模式的资料质量；利用小于1分钟为周期的相控阵天气雷达三维观测资料研究分析强对流系统中突发现象和中尺度气旋、上升气流、下击暴流等中小尺度系统的精细结构和演变过程；通过与新一代天气雷达对比，评估快速更新三维资料在分析中尺度系统演变中的作用。这一研究将进一步推进我国相控阵天气雷达技术的发展，提高其在中尺度系统探测和分析中的应用水平。

强对流系统的演变过程非常迅速，目前我国新一代天气业务雷达的6分钟观测周期往往不能有效分辨这种快速变化系统的演变过程，而相控阵天气雷达技术具有快速获取数据和高稳定可靠特点，在探测快速变化系统中具有广泛的应用前景。 . 为此，中国气象科学研究院与我国的雷达制造厂家合作，研制了我国首部有源和多波束接收体制的X波段相控阵天气雷达，其相控阵天线技术、脉冲压缩技术、信号处理技术性能指标均达到国际领先水平。本项目利用该雷达于2012、2013年和2014年分别在安徽合肥、广东省鹤山市和四川省甘孜县进行了外场试验观测，获取了大量反映对流过程的高时空分辨率数据，建立了数据集，并应用于研究工作。为了解决相控阵天气雷达定量探测的关键难题，项目针对相控阵天气雷达天线的增益、波瓣宽度随扫描的位置发生变化而引起的探测误差这一关键技术问题，提出了相控阵天气雷达的定量测试和定标方法，提高了雷达探测数据的精度，并验证了该雷达的探测能力；针对相控阵雷达的宽波束发射和多波束接收这一特点，提出了相控阵天气雷达的气象方程，并考虑了天线收发性能的变化和脉冲压缩的影响，从而解决了相控阵天气雷达定量应用的关键问题；根据对流云观测的不同需求，我们提出了三种不同观测模式，从而实现了X波段相控阵天气雷达宽波束发射和多波束接收功能，能在1分钟内完成一次40层的体扫观测，与传统扫描体制的新一代天气雷达相比，新雷达的探测速度提高了5倍，数据的垂直分辨率提高了3倍，这极大地提高了分辨强对流天气精细化特征的能力。 . 该研究工作初步解决了相控阵天气雷达定量探测和快速探测的关键方法和技术问题，为我国下一代天气雷达技术的发展奠定了科学和试验基础。该项目成果的创新点在于：在国内研制了第一部有源多波束接收体制的X波段相控阵天气雷达，与美国的“SPY-1”无源阵列天线及WSR-88D发射机的相控阵天气雷达相比，我们研制的相控阵天气雷达实现了有源发射和多波束的同时接收，扫描速度更加快捷；同时，我们提出了测试定标方法和相控阵天气雷达气象方程，并应用于强对流系统精细化结构的观测。该雷达系统可以揭示我国新一代天气业务雷达观测不到的一些新事实，填补了国内在这一领域的空白，其性能达到国际先进水平，引领着我国天气雷达新技术的发展方向，为我国发展下一代雷达探测业务系统提供了技术储备。