X波段高時空解析度全極化天氣雷達——QX系列

QX系列天氣雷達是由荷蘭Metasensing公司研發，安徽威德薩科技有限公司引進的一款採用X波段技術，具有全極化功能的都卜勒天氣雷達。

X波段技術與全極化功能相結合，使得我公司天氣雷達擁有高精度監測和小範圍應用等特點；在雷達網絡中不僅可以監測到小雨、中雨、暴雨，甚至可以監測到細雨和局部陣雨，還可監測二維風向；雷達監測範圍覆蓋率高，複雜區域亦可監測。X波段高時空解析度全極化天氣雷達可應用於氣象監測、山洪災害防治、水資源管理、智慧城市、智慧海洋等多個領域。

圖一：QX系列天氣雷達可抑制雜波和噪音；降水監測精度高達亞毫米級，可對降水速率進行實時反演和演示。

一、為何選擇X波段？

X-波段可以提供高時空解析度的雷達數據，更適用於重點區域（如機場、港口、智慧城市）的高精度天氣監測。

 

 

圖二：X波段雷達與C波段雷達反射率對比，X波段雷達反射率更高。

 

l 波長越短，所能探測到的降雨粒子越小，空間解析度越高，但是受雲雨的衰減幹擾越大。波長越長，所能探測到的降雨粒子越大，空間解析度越低，但是受雲雨的衰減幹擾越小。

l X-波段可以提供更高的時空解析度。

l 低空覆蓋範圍相對較大。

l 複雜地形中作為間隙補充雷達使用。

l 在暴風雨期間可監測到更好的降雨特徵信息。

l 大幅改善對小雨的監測能力。

l 靠近地面，近地降水監測對實際應用更有意義。

l 發射功率小，可以安置在人群密集地區。

 

X波段全極化都卜勒天氣雷達技術優勢分析，如下圖所示：

 

圖三：X波段提供超高時空解析度/降雨量估算的參數化；全極化都卜勒技術能夠達到光譜極化雷達數據/抑制雜波；相位式可以估算特定差分相位/單向特定衰減。

 

 

二、為何使用全極化？

全極化（4偏振）在傳統雙極化（雙偏振）的基礎上，添加了兩種額外的極化（偏振）方式，可以獲取VV HH VH HV四種回波反饋，從而大幅提高雷達整體性能。

l 在單極化探測中，Z-R的關係來自於經驗積累，預報精度在25%-40%之間。 雙極化探測中，Z-R的獲取是基於雷達波的物理屬性，雲雨的衰減幹擾很小。通過差分反射率因子和差分相移，Z-R的數據更準確和精確，預報精度在30%-60%之間。全極化探測優於雙極化探測，雙極化探測優於單極化探測。全極化探測中，預報精度優於60%

l 大幅增強對雲層混合相態層的觀測精度，從而大幅提高對天氣事件和水文分類的認知。

l 大幅改善雜波、噪聲過濾效果。

l 通過創新的都卜勒計劃處理，在雜亂環境下保持高質量像素。

 

 

全極化技術優勢分析——反射率與差分反射率技術分析，如下圖所示：

 

 

圖四：全極化都卜勒天氣雷達監測降雨/降雪/冰晶以及融化層的反射率與差分反射率。

 

 

全極化技術優勢分析——雜波處理技術分析，如下圖展示：

 

圖五：與單極化、雙極化天氣雷達相比，全極化都卜勒天氣雷達能夠達到全濾噪效果。

 

 

 

三、為何選擇拋物面天線？

 

圖六：QX系列天氣雷達採用拋物面天線，使得雷達交叉極化能力強，抑噪效果好。

 

 

四、天氣雷達發展的必然趨勢

 

我國天氣雷達發展歷程大體分三個階段：

第1階段為20世紀60年代末到80年代的常規模擬天氣雷達階段，我國形成了由51部各種型號雷達組成的天氣觀測網，在局地災害性天氣警報天氣作業等方面發揮了積極作用，但總體技術水平和應用能力與發達國家相差20~30年。

第2階段為20世紀70年代到80年代的數位化天氣雷達階段，數字天氣雷達利用計算機技術對雷達回波強度信息進行數位化處理，生成各種準定量的監測、分析、預警產品，提高了信息加工、分析的處理速度，增強了雷達監測預警能力。到20世紀90年代初，我國形成了由58部S波段和C波段數位化天氣雷達組成的基本探測站網，開展了區域聯防和數字拼圖，在災害性天氣預警，短時預報水平和雷達定量估測降水等方面取得了長足進展，此階段在天氣雷達研製生產和應用等方面與發達國家的差距仍有10~20年。

第3階段是20世紀90年代開始的都卜勒天氣雷達階段，隨著國際天氣雷達技術發展的新趨勢和國家需求的增長，我國確定了發展新一代都卜勒天氣雷達的思路，並相應制定了新一代都卜勒天氣雷達功能規格需求。都卜勒天氣雷達採用全相參技術體制，在測定雲和降水回波強度的同時，應用都卜勒技術獲取大氣風場和湍流信息。都卜勒天氣雷達是研究雲和降水物理學，雲動力學，監測分析和預警災害性天氣最有效的工具之一。

 

QX天氣雷達和雨量計相比，降雨測量結果較為一致；但是雷達監測的採樣率及測雨連續性更好。

 

 

五、QX系列天氣雷達應用案例

 

QX60天氣雷達在國家中小型流域山洪防治重點專項「全國山洪災害防治實驗示範基地測雨雷達項目」中的應用：

 

全國山洪災害防治實驗示範基地測雨雷達項目監測結果，如下展示：

 

 

 

全國山洪災害防治實驗示範基地測雨雷達項目中X波段天氣雷達監測數據與站點數據對比，如下展示：

 

 

全國山洪災害防治實驗示範基地測雨雷達項目中X波段天氣雷達監測效果與C波段雷達監測效果對比，如下展示：

 

 

我公司QX系列天氣雷達產品可能擁有目前市場上存在的最高空間解析度，使用調頻連續波技術和脈衝技術並具有全極化功能的天氣雷達。它硬體小巧，配套設施簡單；擁有獨特的地面濾波技術；擁有小於30米的高空間解析度和小於40秒的超高時間解析度，提供精準降雨量估算的獨特的高精度系統；可以組網監測，從而大幅提高監測精度；特別適用於城市、河谷、水庫等地區的山洪災害防治和氣象監測、水資源管理、智慧城市、智慧海洋等多個領域。

 

X波段高時空解析度全極化天氣雷達應用領域：

 

「氣象監測」——監測日常降水，天氣、氣候預報。

「山洪災害防治」——對山體地形進行實時監測，對山體滑坡、泥石流等自然災害做出科學預警監測。

「水資源管理」——改善水文模型和預警系統、水資源系統管理、雨水儲存管理、水處理廠溢水處理等。

「智慧化城市管理」——對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種生活需求做出智能響應。

「智慧海洋工程」——海洋信息系統是海洋管理能力的基礎。完善海洋信息採集與傳輸體系，幫助構建自主安全可控的海洋雲環境，達到智慧經略海洋的目的。