在大气几千米至十几千米的降水云体中，云和降水的形成经历了较为复杂的微物理过程。近年来，气象学家对降水和云物理方面研究的重点之一是对降水云体的垂直探测及其微物理过程的反演研究；对云和降水云体的精细探测主要建立在微波遥感技术基础上，如采用高分辨率的雷达进行垂直探测。已经发展了多种波长的脉冲多普勒体制垂直探测雷达，用于进行云和降水云的垂直结构研究。

垂直探测雷达主要用于降水云的精细结构探测和谱分析研究，早期的研究多是采用925和445 MHz的风廓线雷达研究降水云中的微物理过程(Rajopadhyaya et al，1993)；35和94 GHz云垂直探测雷达主要用于反演云参数和获取云中的动力过程(Gossard et al，1997)。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的高层大气试验室(AL)研制的采用相干积分和脉冲压缩技术的S波段高分辨率垂直探测雷达，更适合探测降水云体的完整垂直结构(Ecklund et al，1999)；NOAA的环境技术实验室(ETL)将可切换的微波耦合器技术应用到S波段垂直探测雷达，提升了对微弱信号的探测能力(White et al，2000)。

大气辐射测量(ARM)和北美季风试验(NAME)观测中采用了多种波长的垂直探测雷达进行联合观测，以获取大气和降水云中的物理过程和垂直演变规律，试验表明垂直指向雷达是获取大气和云垂直分布的有效探测系统(Stokes et al，1994；Lerach et al，2010)；Sekelsky等(1999)利用多波长雷达开展了云和降水云中的微物理参数反演研究。

脉冲多普勒雷达采用窄脉冲发射方式提高探测分辨率，但是宽的接收机带宽降低了灵敏度，采用宽脉冲发射、窄脉冲接收的脉压技术，会抬高系统的噪声电平，直接影响了探测能力，因此脉冲多普勒雷达难以保证在不损失探测能力的情况下获取高的距离分辨率。调频连续波雷达(FMCW)采用连续波体制通过对发射信号频率的调制、对返回信号的解调实现距离测量，FMCW雷达系统测距测速精度高、测距盲区小、峰值功率低、截获概率低，其对目标的精确定位能力在军事、交通等领域得到广泛应用(斯科尔尼克，1978)。

20世纪60年代后期，FMCW技术在气象部门也得到了应用。美国海军电子实验室研制的S波段FMCW体制雷达被用于边界层大气结构的研究，具有高距离分辨率和高探测灵敏度(Richter，1969)，先后开展了开尔文-亥姆霍兹不稳定性(K-H波)、湍流引起的温度变化以及大气垂直速度对大气边界层稳定性影响等的相关研究(Eaton et al，1995)。

进入21世纪以来，窄带滤波器组被模块化快速傅里叶变换(FFT)组件代替，FMCW技术得到进一步发展。采用快速傅里叶变换处理技术不仅能够快速得到高距离分辨率的返回信号回波强度、速度、谱宽等谱参数产品，还可以得到信号的谱分布信息。2002年在美国能源部支持下，马塞诸塞大学研制了S波段FMCW雷达，探测能力达到1 m的空间分辨率和1 s的时间分辨率(I·nce et al，2003)；此雷达先后被用于边界层内的对流触发、水汽混合比、湍流混合比和边界层结构参数等方面的研究(Bennett et al，2010)。近年来发展的便携式连续波体制Ka波段微降水雷达(MRR)，发射频率为24.1 GHz(Peters，et al，2002)，主要用来研究弱降水云中的微物理参数(Melchionna et al，2008)。

雷达探测系统的定标是雷达系统数据处理及应用的基础。仲凌志等(2011)对毫米波测云雷达进行过定标和比较试验，钟刘军等(2010)提出了对L波段探测功率谱密度的定标方案。C-FMCW雷达系统定标是对返回信号功率谱密度分布中的单根谱线进行定标，其单根谱线的噪声功率仅为-170 dBm，远低于多普勒天气雷达和风廓线雷达，对微弱信号的定标是该雷达的技术难点。

本研究针对C-FMCW雷达信号谱分布进行了定量标校，通过与CINRAD/SA雷达数据比对分析确认C-FCMW雷达对降水云垂直结构描述的探测优势，对探测试验中一些新的观测事实进行了初步分析。 2 C-FMCW垂直探测雷达系统

C-FMCW天气雷达采用调频连续波技术通过第1次快速傅里叶变换提取回波信号中的距离信息，第2次快速傅里叶变换获得距离单元上的功率密度谱分布，进而计算出回波强度、平均多普勒速度、速度谱宽等谱参数，可以提供降水云体的精细垂直结构和回波强度谱分布数据，C波段雷达垂直探测时强回波区对电磁波的衰减可以忽略不计。表 1给出C-FMCW雷达系统的主要技术参数。

图 1a为安徽定远2013年7月4日21时25—45分(世界时，下同)探测的降水云强度、速度、谱宽时序图，时间分辨率为3 s、高度分辨率为30 m。图 1b为21时45分35秒探测的回波强度谱密度分布图。

图 1 2013年7月4日LaSW′s C-FMCW雷达回波强度(a1)、径向速度(a2)和速度谱宽(a3)，(b)2013年7月4日21时45分35秒的回波强度谱密度分布Fig. 1 LaSW′s C-B and FMCW radar products(reflectivity(a1)，vertical velocity(a2) and speed width(a3))on 4 July 2013 and (b)the spectral density of reflectivity at 21:45:35 UTC 4 July 2013

图选项

由于C-FMCW接收机带宽为2 kHz，与脉冲多普勒雷达2 MHz的带宽相比，灵敏度提高了30 dB，另外，快速傅里叶变换谱分析(信号相干积累)的信号处理得益约为25—30 dB，因此累积增加55—60 dB，其最小可测灵敏度为-170 dBm。采用数字直接移相技术(DDS)和高稳定度的晶振，雷达频率短稳达到10^-11(1 ms)以上，保证了雷达高接收机灵敏度的稳定运行。 3 C-FMCW雷达信号定标

C-FMCW雷达接收信号的定标对雷达输出回波功率谱密度分布中谱线的功率值进行定标。C-FMCW雷达接收机输出窄带宽信号，谱线上噪声功率在距离分辨率为30 m时最低为-166 dBm、距离分辨率15 m时最低为-169 dBm，雷达最小可检测信号功率亦分别为-166、-169 dBm，C-FMCW雷达的定标难点是对微弱信号的标定。 3.1 谱线噪声功率

C-FMCW雷达返回信号通过快速傅里叶变换解调提取距离信息，距离分辨率为15、30 m时，距离库输出的信号带宽分别为1、2 kHz，输出信号中混有的系统噪声功率P_Nr与带宽有关

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返回信号进行谱分析时，需要再次对信号进行快速傅里叶变换处理，信号中的噪声也再次分解到各个谱线中，单根谱线上的噪声功率为

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目前常规天气雷达和风廓线雷达最小可检测信号功率约为-115和-145 dBm，C-FMCW雷达的最小信号功率接近-170 dBm，常规方法难以对微弱信号进行定标。

对C-FMCW雷达的定标采用将标准信号源信号转换为扫频信号进行，单频信号经过数字直接移相后变为扫频信号输入C-FMCW雷达，经快速傅里叶变换处理后分解为不同距离库上的信号，各距离库上输出的平均信号功率为该调频周期内信号功率的1/K，K是调频带宽和距离库带宽间的频宽比。C-FMCW雷达采用两种调频带宽——6、7 MHz，对应的距离库带宽为2 kHz(30 m)、1 kHz(15 m)，则K为3000、7000。输入信号经数字直接移相扫频和第一次快速傅里叶变换分解使得每个距离库信号功率降低了34.8、38.4 dB。通过确定定量标校曲线的线性动态范围，来获取微弱信号的定量测量。

对6 MHz调频带宽接收系统进行了57组数据的测量，外接信号源采用HP 83752B，为了尽可能减小测量过程中引入的误差，在测试时仅使用了一个50 dB的衰减器，理论输入单个距离库的功率最小可达-169.77 dBm。图 2a给出了C-FMCW雷达系统定标曲线，最小可检测信号在-167 dBm，最大可检测信号为-65 dBm，拟合线斜率为1.004，均方根误差为0.19，系统的动态范围为98 dB，系统回波功率与输入功率之间线性拟合程度很高。拟合线上端拐点处为接收机最大接收功率，下端小信号区域内拐点是机内噪声干扰导致，由于机内噪声功率很小，当信号源输入功率较大时，噪声功率对输入信号功率的影响可忽略不计(大信号区域)；当信号源输入功率降低至接近噪声功率时，便会出现拐点，实测数据值与拟合直线值的标准差等于3 dB时，输入信号功率等于噪声功率。图 2b是在图 2a中小信号区域的基础上，进行了噪声订正(米字点包含系统噪声)，图 2b中噪声订正后的定标曲线线性程度得到了改善。

图 2 C-FMCW垂直探测雷达定标曲线Fig. 2 Calibration curve of the C-FMCW radar system

图选项

图 2中由噪声电平计算出雷达噪声功率约为-168 dBm，表明C-FMCW雷达具有对微弱气象回波信号的探测能力，也表明此定标方案可行、定标曲线合理。 3.3 谱参数计算

定标后的单根谱线的回波功率P_ri实质上是单根回波功率谱密度谱线S(v_i)(单位:dBm/(m·s^-1))与多普勒速度间隔Δv(单位:m/s)的乘积

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由雷达气象方程，谱线的回波功率P_ri可以转化为谱线的回波强度Z_i(单位:dBz)。

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大气信号的回波强度Z由噪声电平P_Ni(远端无返回信号距离库确定)之上的信号强度谱密度G(v)(如图 1b)的零阶矩计算得到，N_FFT为谱变换点数

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平均径向速度(m/s)是返回信号强度谱分布的一阶矩，表示为

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速度谱宽σ(m/s)反映了雷达取样空间内粒子运动的不均匀性，为信号强度谱分布的二阶中心矩

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2013年6月起C-FMCW雷达在安徽定远(32°32′N，117°40′E，69.6 m)开展了观测试验。与距离定远47.7 km的蚌埠SA雷达(32°51′N，117°27′E，149.6 m)和83.5 km的合肥SA雷达(31°52′N，117°15′E，165.6 m)观测数据进行比较。8月24日定远出现了一次较强的降水过程，前期为强对流降水，后期转为层状云降水，提取了蚌埠SA雷达、合肥SA雷达探测定远上空的回波数据与相同时刻C-FMCW雷达数据进行比对分析。 4.1 取样空间

3部雷达在定远上空回波强度的取样空间各不相同，SA雷达 每个仰角波束宽度为1°，距离库长1 km；C-FMCW垂直探测雷达的波束宽度为2.6°，距离库长30 m。图 3为蚌埠、合肥SA雷达与C-FMCW雷达数据代表性示意图，图 3a是高度取样空间，图 3b为水平面上取样空间。在C-FMCW雷达上空，蚌埠SA雷达与合肥雷达的数据取样空间的高度范围分别为0.63、1.45 km，分别覆盖了21和48个C-FMCW雷达数据范围。C-FMCW雷达在1、5和10 km高度上的水平取样范围分别为0.022 km×0.022 km、0.11 km×0.11 km和0.218 km×0.218 km，在C-FMCW雷达上空5 km，蚌埠SA雷达取样面积是C-FMCW雷达的40倍、合肥SA雷达则为85倍。

图 3 蚌埠、合肥SA雷达与定远C-FMCW雷达探测取样空间示意(a. 高度空间代表性，b. 水平空间代表性)Fig. 3 Schematical map for the position and data spacial representation for the Dingyuan C-FMCW and ，Bengbu，and Hefei SA radar(a. vertical，b. horizontal)

图选项

根据地面降水强度和降水云垂直结构特征，2013年8月24日降水过程划分为两个时段，时段1为06时30分—08时的对流云降水阶段，时段2为09—11时的层状云降水阶段。图 4分别给出两个时段定远上空降水云体垂直廓线反射率(VPR)随时间的变化，图 4a、b的C-FMCW雷达在06时30分—08时共进行了1800次探测，09—11时共探测了2343次，垂直廓线反射率是由SA雷达数据中提取定远上空7个仰角数据插值获得，时段1共有15次探测，时段2共有20次探测。

图 4 降水云结构回波强度随时间的变化(a. C-FMCW 层状云，b. C-FMCW对流云，c. 蚌埠SA 层状云，d. 蚌埠SA 对流云，e. 合肥SA 层状云，f. 合肥SA 对流云)Fig. 4 Reflectivity time-height section for the stratiform and convective cloud from the C-FMCW and SA radar(a. C-FMCW stratiform，b. C-FMCW convective cloud，c. Bengbu SA stratiform，d. Bengbu SA convective cloud，e. Hefei SA stratiform，f. Hefei SA convective cloud)

图选项

从图 4b、d、f可以看出，C-FMCW雷达观测数据描述的降水云体精细结构特征明显，对流性降水云体结构凸出，SA雷达无法描述对流降水的精细结构和快速变化。层状云降水回波强度水平分布均匀、垂直变化缓慢，C-FMCW雷达在5 km高度上探测到清晰、稳定维持的0℃层亮带结构(图 4a)，厚度约为500 m，而蚌埠SA雷达0℃亮带结构并不清晰(图 4c)，合肥SA雷达基本无法看到0℃层亮带(图 4e)。

比较两部SA雷达，合肥雷达比蚌埠雷达在定远上空的取样空间更大，两者的垂直廓线反射率特征也存在差异，合肥SA雷达对弱降水云探测的回波强度偏强，而探测强降水云的回波强度偏弱。显然，相对于扫描雷达，C-FMCW雷达描述降水云体垂直精细结构更为真实。 4.3 数据比较

提取SA雷达每个扫描仰角在C-FMCW雷达上空的数据进行时空匹配，根据SA雷达数据覆盖的高度范围确定C-FMCW数据高度和数据样本，两者在水平空间代表性的差异依然存在。考虑到低仰角地物遮挡和高仰角探测云充塞程度的不确定性影响，比较时分别给出蚌埠和合肥SA雷达2.4°、3.3°、4.2°、5.9°四个仰角与C-FMCW雷达在相应高度区间的数据输出。4.3.1 对流降水云

图 5、图 6给出时段1蚌埠SA与C-FMCW、合肥SA与C-FMCW雷达回波强度比对结果，图中黑点为周期6 min的SA雷达数据，C-FMCW雷达数据随时间的连续变化由连线给出，红色表示扫描波束范围内C-FMCW的最大回波强度Z_max、绿色表示最小回波强度Z_min，Z_max和Z_min的距离单元数与蚌埠SA雷达比较时为21个、与合肥SA雷达比较时为48个。图 5中C-FMCW的Z_max为61 dBz、蚌埠SA雷达Z_max为57 dBz，图 6中C-FMCW的Z_max为67 dBz、合肥SA雷达的Z_max为52 dBz。对流云垂直结构的不均匀分布，由于取样空间的数据平滑作用，SA雷达探测强回波时，回波强度偏低，探测弱回波时，回波强度偏大。

图 5 蚌埠SA雷达与C-FMCW雷达对流云探测的比对 (C-FMCW: Zmax 红线，Zmin绿线; SA雷达: 黑色实心圆)Fig. 5 Comparison between C-FMCW and SA at Bengbu for the convective cloud (C-FMCW: Zmax，red line， Zmin，green line; SA: black solid circle)

图选项

图 6 合肥SA雷达与C-FMCW雷达对流云探测的比对(C-FMCW: Zmax 红线，Zmin绿线; SA雷达: 黑色实心圆)Fig. 6 As in Fig. 5 but for Hefei

图选项

层状降水云水平分布均匀，可以评估3部雷达探测回波强度的一致性。图 7、8中稳定降水云的回波强度变化平缓，图 7a、b、c和图 8a、b中C-FMCW雷达探测Z_max与Z_min强度相当，表明层状降水云中在这些高度内呈均匀分布，5 km高度附近图 7d、图 8c中Z_max与Z_min出现明显的不一致，是0℃层亮带导致(图 4a所示)，粒子融化加大了回波强度垂直变化。图 8d中SA雷达与C-FMCW雷达间差异加大可能是由于探测空间内云的充塞程度不同所致。

图 7 蚌埠雷达与C-FMCW雷达层状云探测比对 (C-FMCW: Zmax 红线; Zmin绿线; SA雷达: 黑色实心圆)Fig. 7 As in Fig. 5 but for the stratiform cloud

图选项

利用C-FMCW雷达与SA雷达探测水平分布均匀的层状降水云数据，对图 7、图 8中SA雷达4个仰角高度范围内C-FMCW雷达所有距离单元数据计算了平均回波强度Z_mean，C-FMCW雷达与蚌埠雷达匹配数据为21个、合肥雷达为48个；由SA雷达扫描波束在定远上空探测的时间节点提取C-FMCW雷达参与计算的数据进行时间匹配。

图 7中C-FMCW雷达在4个仰角高度范围Z_mean为16.5—45.5 dBz、蚌埠SA雷达回波强度分布在18.0—41.5 dBz，两部雷达探测的Z_max相差4 dB。融化过程导致5.9°仰角高度处的均方根误差偏大，为2.7 dB，C-FMCW雷达与蚌埠SA雷达在其他3个高度上最大均方根误差为1.53 dB、平均为1.43 dB，最大绝对差为0.80 dB、平均为0.43 dB。对4个仰角80组数据的比对分析，C-FMCW雷达与蚌埠SA雷达数据的平均均方根误差为1.75 dB，探测回波强度比蚌埠SA雷达偏高0.43 dB。

图 8中合肥SA雷达回波强度出现在15.5—39.0 dBz、C-FMCW雷达Z_mean出现在15.1—46.1 dBz，两部雷达探测的Z_max相差约6 dB。SA雷达高仰角探测波束空间内回波充塞不完全导致回波强度偏低，5.9°仰角高度处C-FMCW与SA回波强度的均方根误差为2.07 dB，同样融化过程使得4.2°仰角高度处C-FMCW与SA回波强度的均方根误差最大，为2.48 dB，其他两个仰角的均方根误差分别为1.61、1.90 dB。对4个仰角80组数据的比对分析，C-FMCW雷达与合肥SA雷达数据的平均均方根误差为2.02 dB，探测回波强度比合肥SA雷达偏高不到1 dB。

图 8 合肥SA雷达与C-FMCW雷达层状云探测比对图 (C-FMCW: Zmax 红线; Zmin绿线; SA雷达: 黑色实心圆)Fig. 8 As in Fig. 7 but for Hefei

图选项

C-FMCW雷达于2013年6—8月在安徽定远开展了探测试验，期间共出现6次降水过程，获得了层状云、对流云、混合不同性质的降水云体共55620次探测数据，高时空分辨率的回波强度、垂直速度和速度谱宽等谱参数垂直廓线为研究降水云体垂直结构及演变提供了基础，回波强度谱密度的垂直分布可用于研究降水云中的微物理过程和机理。 5.1 谱分布特征识别冰水混合区

固态粒子与液体粒子共存时谱分布特性与单一相态谱分布特性差异较为明显，可以用来确认亮带区即混合相态区，对图 1a中谱参数进行了亮带结构识别，将亮带顶部、底部高度绘制在图 1b中，亮带区是层状降水云中的冰水混合区，其上为固态粒子区，其下为液态粒子区(黄钰等，2011)。图 1b中回波强度谱密度垂直分布清楚地表现出混合区的谱分布特征，固态降水粒子区速度谱分布范围较窄，粒子下降速度小；进入冰水混合区后冰相与液相粒子共存造成谱分布迅速变宽，粒子融化过程中的碰撞冲并、吸附以及破碎等过程造成的粒径分布广泛，粒子融化吸热引起环境温度变化造成的微尺度环流也加大了谱展宽。亮带区之下为液体降水质点区，此高度区基本无固态粒子，主要反映雨滴的谱分布特征，谱分布宽度比混合区小、比冰晶雪花谱分布大，随着高度下降，受大气环境密度影响雨滴下降速度略有降低。

图 9b为2013年7月4日降水过程20时25分至22时的C-FMCW探测回波强度随时间的变化，图 9c为地面分钟雨量，图 9b中层状云0℃层高度在5 km上下，在20时35分至21时15分时段有对流泡体出 现，对流强盛时期40 dBz回波强度发展高度达到10 km，弱对流阶段40 dBz回波高度达到6 km。图 9a给出几个典型的回波强度谱密度垂直分布和混合区的高度范围。稳定的层状降水云，粒子融化过程在厚度约为1 km的高度内完成(图 9a₁、a₃、a₅)；当有对流出现时，大气环境扰动增加了混合相态粒子区厚度，谱分布宽度也随高度变化明显，图 9a₂混合相态区范围延伸到3.5—10 km、厚度接近6.5 km，图 9a₄混合区范围延伸到4.5—7 km、厚度约为2.5 km。值得注意的是固态粒子进入混合区后谱分布向两侧伸展，表明混合区中较强的空气上升运动将液态粒子抬升到较高高度；粒子从混合区进入液态降水区的高度则低于0℃层所在高度，这是空气下沉运动的贡献；因此混合层厚度可以反映环境大气运动的对流程度。

图 9 2013年7月4日降水过程C-FMCW数据产品及地面雨量 (a. 回波强度谱密度分布，b. 回波强度时间变化，c. 地面分钟雨量)Fig. 9 Products of C-FMCW and the rainfall in the precipitation event of 4 July 2013 (a. spectral density of reflectivity，b. time-height section of reflectivity，c. rain 1 min accumulative rainfall)

图选项

混合区中水汽、冰晶、水滴三态共存，固态质点饱和水汽压低，液态饱和水汽压高，有利于水汽的凝结增长；固态质点下降速度慢，液态粒子下降速度快，大气对流运动造成混合层厚度增大，加强了粒子碰并、吸附增长过程，大粒径降水粒子数浓度增多使得地面降水强度加强。图 9b、c中，地面降水强度在层状云降水阶段小于0.1 mm/min、弱对流阶段约为0.6 mm/min、对流阶段约为1.0 mm/min，表明混合层的厚度与地面降水呈正相关。 5.2 晴空边界层回波

利用大气扰动的后向散射功率计算大气折射率结构常数C²_n，联合大气垂直运动和速度谱宽，可以研究边界层大气晴空对流泡(何平等，2012)和水汽累计(孙康远等，2013)。C-FMCW雷达接收机最小可测功率达到-170 dBm，雷达在3 km高度上可以探测到约为-30 dBz的回波，对C²_n的强度探测能力为5×10^-15(m^-2/3)；与脉冲雷达相比，灵敏度提高了30—40 dB，C-FMCW具有对晴空和云的探测能力，可用来研究晴空大气边界层。

边界层内C²_n对大气湿度变化更为敏感。图 10为2013年8月24日强对流降水发生前后C-FMCW雷达谱参数随时间的变化，根据地面降水时间划分晴空回波和降水回波谱参数输出时段，图 10a中05时—06时15分的晴空回波用C²_n(m^-2/3)表示，06时15—40分为降水回波强度时段，降水阶段垂直速度和速度谱宽分布范围均大于晴空时期(图 10b、c)。图 10b中在强对流降水前期低层大气垂直上升与下沉运动交替出现，时间周期约为10 min，表明垂直活动存在明显不均匀，随着对流降水云体临近，上升、下沉速度加强，上升速度增大到2 m/s，上升运动将近地层的水汽向上输送，C²_n(m^-2/3)在1、2 km高度上出现了极值区(图 10a)，降水发生前的低层水汽辐合有利于其后强降水的发展与加强。

图 10 2013年8月24日05时—06时40分 C-FMCW晴空及降水谱参数的时间变化 (a1. lg C2n，a2. 回波强度，b. 径向速度，c. 速度谱宽)Fig. 10 Time-height section of C-FMCW radar products during 05:00-06:40 BT on 24 August 2013 (a1. lg C2n，a2. echo intensity，b. radial velocity，c. speed width)

图选项

C-FMCW可以描述降水云的精细垂直结构和快速演变特征，谱参数和谱分布的协同分析，有助于深入认识云中的水汽与动力过程。

图 11b为C-FMCW雷达2013年8月24日06时40分—08时谱参数随时间的变化，07—08时77.4 mm/h的降水强度为定远当年最强降水。图 11a中蚌埠SA雷达07时06分、12分的组合反射率因子，图中定远位于雷达回波前端。

图 11 2013年8月24日降水过程蚌埠SA雷达和C-FMCW探测产品 (a. SA回波强度，b. C-FMCW雷达时序，c. 回波强度谱密度分布)Fig. 11 Products of Bengbu SA radar and C-FMCW radar on August 24，2013 (a. reflectivity of Bengbu SA Radar，b. time-height section of C-FMCW radar，c. spectral density of reflectivity)

图选项

图 11b中C-FMCW雷达探测的云体高度发展到15 km，但是强回波主要出现在5 km高度之下；图 11b的径向速度时序图上，在5—7 km高度附近出现明显的上升速度，最大为10.6 m/s，在其下方较强的下沉速度与回波强度的分布趋势一致；上升速度区之上出现强的下沉运动，最大为20.6 m/s，而回波强度图上则表现为弱回波区。这种强的下降速度在此称为高空“下击暴流”。

上升和下沉运动的强烈变化在回波强度谱分布中的表现更加清晰。图 11c两个时次回波强度谱的垂直变化过程在7 km高度附近均出现了从10 m/s到-10 m/s的转折(图中红线)，这两种向上连续延展和向下连续延展的谱分布分别代表了不同物理属性的粒子群运动；垂直径向速度受降水粒子下降运动与大气垂直运动共同影响，强回波强度主要出现在5 km以下，上部强下降速度谱分布反映了来自高空的强烈下沉，这种下沉运动在雷达回波主体前缘表现更为剧烈，可能是回波主体高空向前伸展的卷积云中冰晶雪花下降时的升华强烈吸热造成周围空气急剧变冷和下沉运动加强，类似于雪幡形成的物理过程。这种现象在2014年广东阳江的季风爆发前观测试验中也有发现。6 结 语

(1)C-FMCW雷达是对返回信号功率谱密度分布中的单根谱线进行定标，其单根谱线的噪声功率仅为-170 dBm，对微弱信号定标是技术难点。采用数字直接移相技术，将测试信号源输出信号扩张为扫频信号，再由快速傅里叶变换对扫频信号解调，变化信号输入功率带宽，降低输入信号功率约30 dB，实现了对大气返回微弱信号的定量标校。

(2)对2013年8月24日的降水过程的C-FMCW与蚌埠、合肥CINRAD/SA雷达进行了数据比对。3部雷达对层状降水云的探测结果基本接近，剔除低层地物干扰和0℃层的影响，与蚌埠SA雷达一个扫描仰角0.63 km探测空间内回波强度均方根误差平均为1.75 dB，与合肥1.45 km一个波束探测空间的回波强度均方根误差平均为2.02 dB；C-FMCW雷达探测与蚌埠、合肥SA雷达探测回波强度平均差小于1 dB，表明C-FMCW雷达对降水云回波强度的探测结果合理。

(3)C-FMCW雷达与SA雷达探测对流降水云回波强度变化趋势接近，C-FMCW雷达可以给出对流降水云的快速演变和精细结构；与SA雷达相比，C-FMCW雷达可以给出层状云0℃层亮带中回波强度垂直变化和精准垂直结构。SA扫描雷达远距离探测的波束展宽影响会低估强降水云体的回波强度，利用扫描雷达研究降水云体垂直结构需要考虑空间代表性对数据准确性的影响。

(4)2013年6—8月安徽定远的观测试验对C-FMCW雷达探测优势有了初步认识，回波强度谱密度分布为研究降水云中的微物理参数、分析降水云中的微物理过程提供了很好的手段；C-FMCW对微弱信号和降水云的探测能力，可以追踪晴空大气、云和降水云发展演变过程；对降水云体中多参数与谱分布的联合分析，可以发现和解释降水形成过程中的一些现象和物理过程。

今后尚需要联合其他遥感设备以及地面雨滴谱观测数据，对C-FMCW雷达数据进行深入分析研究。