2024, Vol. 50 
2. 辽宁省营口市气象局，营口 115001；
3. 盘锦国家气候观象台，辽宁盘锦 124200；
4. 华云敏视达雷达(北京)有限公司，北京 100089；
5. 辽宁省人工影响天气办公室，沈阳 110166；
6. 中国人民解放军94619部队气象台，安徽六安 237010
2. Yingkou Meteorological Office of Liaoning Province, Yingkou 115001;
3. Panjin National Climate Observatory, Liaoning Panjin 124200;
4. Huayun METSTAR Radar (Beijing) Co. Ltd., Beijing 100089;
5. Weather Modification Office of Liaoning Province, Shenyang 110166;
6. Meteorological Observatory, Unit 94619 of CPLA, Anhui Lu'an 237010
天气雷达的探测效果与多种因素有关，Maddox et al(1999)指出天气雷达不同体扫模式的扫描仰角、雷达波束宽度、回波范围均不相同，体扫模式决定了其可以获得的探测精度。Witt(1997)采用两部WSR-88D雷达分别使用VCP11和VCP21跟踪同一风暴进行观测，雷达产品有明显不同，他认为产生这种不同的因素是2种体扫模式在垂直方向上采样数差异导致分辨率不同。
美国WSR-88D雷达自1990年投入使用以来，其扫描策略表经历了多个版本的更新和改进，以适应不断发展的气象监测需求。最初的WSR-88D体扫策略定义了4个体扫模式(Crum et al, 1993)，包括2个晴空模式和2个降水模式。其中晴空模式VCP32和VCP31具有相同的扫描角度，但使用不同的脉冲长度。降水模式VCP21和VCP11都用于探测、跟踪及分析降水和恶劣天气特征，主要差异是扫描速率和4.5°以上仰角个数的不同，VCP11主要用于强对流探测。
1998年美国国家气象局对WSR-88D雷达的扫描策略表进行了重大更新，1998年版本引入了多个新的扫描模式和参数设置，包括超分辨率体扫和风暴相态识别等，以提高雷达数据的质量和分辨率(Crum et al, 1998)。
针对下击暴流、龙卷等快速演变发展的强对流风暴，WSR-88D雷达操作中心(ROC)和美国国家强风暴实验室(NSSL)设计和测试了几种实验性扫描策略(Brown et al, 2005)，其中VCP12是VCP11的更快版本，在低层仰角有更密集的垂直采样；而VCP121保留了与VCP21相同的仰角，但在最低的5个仰角上使用不同的脉冲重复频率来获取更多的多普勒速度数据以减少距离折叠，并提供更准确的径向速度，VCP121模式主要应用于观测飓风、热带风暴和大范围降水(Zittel and Wiegman, 2005)。VCP12和VCP121于2004年被正式引入WSR-88D的扫描策略中。
在WSR-88D的第9版和第10版扫描策略中(表 1)，共包含了2个晴空模式(VCP32和VCP31)和7个降水模式(其中VCP21/121/221拥有相同的9个扫描仰角；VCP11/211拥有相同的14个扫描仰角，使高空采样更加精细；VCP12/212拥有相同的14个扫描仰角，用于恶劣天气期间更密集的低空大气采样)(Cho et al, 2022)。VCP121在第10版扫描策略中有所更改，在第19版扫描策略(2020年)中被VCP112取代(Zittel, 2019)。VCP112通过在底层增加不同的脉冲重复频率，可以更好地去除距离折叠的影响，保证径向速度数据的连续性。
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表 1 WSR-88D构建并实现的VCP编号 Table 1 VCP numbers implemented in WSR-88D |
在恶劣天气情况下，选择最合适的体扫模式对准确预报和预警至关重要，而过多的7种降水模式给探测选择造成了一定困难(ROC, 2015；Kingfield and French, 2022)。在WSR-88D的第18版扫描策略中VCP11、VCP21、VCP211、VCP221被一种新的体扫模式VCP215所取代，VCP215在10°以下与VCP12/212的扫描仰角相同，在10°以上则与VCP11/211的垂直覆盖范围相同，密集的高程采样保留了上述四者最佳的探测属性；其持续时间约为6 min，满足VCP更新间隔要求；且数据质量保持与VCP21/221一致。在WSR-88D的第18版扫描策略中，还增加了1种新的晴空模式VCP35，VCP35更新时间为7 min，主要用于晴空或者冬季降雪天气观测中。
2012年，动态扫描方式开始在业务中应用。动态扫描是根据当前的天气情况来定制数据采集方案，在不牺牲密集的垂直采样和基础数据质量的情况下，提供快速的底层更新，进而获得整个体扫的产品，动态扫描进一步扩大了WSR-88D的观测灵活性。其中自动体扫评估和终止(AVSET)是通过观察体扫过程中各仰角反射率的强度和覆盖范围，当扫描仰角回波反射率没有达到预定标准时，动态地终止该体扫(Chrisman, 2013)。这种自适用扫描方式可以缩短体扫时间，减少产品更新间隔。AVSET自2012年以来默认启用，它可以根据需要手动关闭(Cho et al, 2022)。2014—2015年和2018—2019年分别提供了补充自适应体积内低水平扫描(SAILS; Chrisman, 2014)和低海拔高度的中体积重新扫描(MRLE；Chrisman, 2016)2种升级版动态扫描方式，预报员根据探测需要可以做出具体的选择。
我国天气雷达自布网以来，体扫模式主要使用VCP21降水模式(俞小鼎等，2006；2020)。单一的雷达体扫模式在对不同天气系统探测时存在一定的不足，为此我国气象工作者在改善雷达体扫模式、提升雷达探测质量方面做了定向的分析或试验研究工作。刘应军等(2006)通过对我国新一代天气雷达体扫模式进行比较分析，给出了VCP11和VCP21在一些天气形势中探测的异同点，及2种模式适用的天气类型，同时指出在距雷达较近距离出现强对流天气时，VCP11和VCP21的产品有较大差别，使用VCP11探测效果更好；张深寿等(2006)针对我国高山雷达站因海拔较高造成的识别中远距离风暴结构、探测台风能力差的实际情况，提出了适合高山雷达站运行的新一代天气雷达的体扫模式改进思路和方法，并从探测能力、电磁辐射、产品生成、硬件设备等各方面讨论了体扫模式改进的可行性。张沛源等(2008)根据新一代天气雷达在临近天气预报和灾害性天气警报中的重要作用提出需要增加的观测模式，包括增加PPI/RHI等观测模式，以提升雷达的探测性能。陈大任等(2010)开展了基于体扫模式的组合RHI自动实现算法研究，增强新一代天气雷达业务扫描方式的业务产品功能。杨金红等(2010;2013)通过增加低仰角或负仰角得到新的观测模式VCP12，能够提高高山雷达站底层探测能力；汪章维等(2020)着重从新一代天气雷达的时空分辨率、体扫方式等方面，通过对天气雷达脉冲重复频率、信号处理方法及扫描方式等进行改进，提高新一代双偏振天气雷达对中小尺度气旋和龙卷风等灾害性天气的探测能力，以获取快速变化的天气过程精细化特征，获得更新更快、分辨率更高的观测资料。2020年8月，在南京召开的国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”会议中，南京大学雷达团队在VCP21的基础上进行研究，在强对流天气中4 min内雷达完成探测9个仰角扫描，采用的是高层没有回波时自动体扫终止技术，提升了雷达探测的时间分辨率。
营口市气象局借鉴WSR-88D的体扫模式，根据国内雷达天线方位的性能指标修改天线转速，通过对脉冲重复频率和采样参数设定的方式，建立4种新体扫模式(VCP12D、VCP212D、VCP215D、VCP35D，D表示双偏振)，并在营口天气雷达站进行扫描试验，以期扩大双偏振天气雷达有效探测覆盖面，尤其提升距离雷达100km以外区域的探测效果。在前期的扫描试验中，主要采用手动连续切换体扫模式及不同模式交替观测的方式，重点对比新体扫模式与业务模式VCP21D的差异，并将VCP21D穿插在各模式之间，使用强对流体扫模式时，可以尽量减少时空差异，后续将进一步开展扫描模式自动切换策略研究和智能扫描模式试用。
1 天气雷达体扫模式的基本原理 1.1 2种取样模态和3种扫描方式雷达可以探测到目标物的最大不模糊速度和最大不模糊距离都与雷达的脉冲重复频率(PRF)有关，不存在单一的脉冲重复频率能够同时获得较大的最大不模糊速度和最大不模糊距离，这种现象被称为“多普勒两难”。为解决这一问题，在实际探测中，多普勒天气雷达会使用较低的PRF探测反射率因子，使用较高的PRF探测径向速度。
多普勒天气雷达有2种取样模态，一种是连续监测模态CS(contiguous surveillance)，使用较低的PRF来获取较准确的目标位置和强度；另一种是连续多普勒模态CD(contiguous Doppler)，使用较高的PRF来获取较准确的径向速度和谱宽数据。在雷达探测过程中，针对不同扫描仰角高度采用CS和CD 2种取样模态的不同组合方式，一般在低仰角(0.5°~2°)使用的是CS/CD分离扫描方式，在中仰角(2°~7°)使用的是B(batch)交替扫描方式，在高仰角(大于7°)使用的是CDX不考虑距离折叠的连续多普勒方式。
1.2 现有体扫模式目前，CINRAD-SA雷达定义的体扫模式有3种，分别是降水模式VCP11和VCP21、晴空模式VCP31。VCP21为一般降水模式，6 min完成9个仰角、11圈的扫描任务，业务上主要使用该模式；VCP11为强对流模式，5 min完成14个仰角、16圈的扫描任务。VCP11和VCP21 2种探测模式的中低层扫描仰角均为0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°，VCP11的中高层仰角有9个，VCP21的中高层仰角有4个。对于发展较旺盛的风暴，在近雷达处，多个探测仰角均可穿过风暴，VCP11探测仰角更多，具有更高的垂直分辨率，可以探测到更为准确的风暴结构，VCP21在高层存在探测间隙。在距离雷达较远的地方，仅有低层探测仰角可以穿过风暴(例如，4.3°仰角在距离雷达100 km处的探测高度已接近9 km，在距离雷达150 km处的探测高度已接近13 km，超过了大多数风暴顶的高度，4.3°以上的仰角在距离雷达150 km以外基本没有发挥作用)，VCP11和VCP21低层仰角相同且数量较少，距离雷达越远各层仰角波束探测间隙越大，对风暴的探测能力越差。
2 4种新体扫模式 2.1 VCP12D和VCP212DVCP12D和VCP212D为强对流模式，是在VCP11D的基础上进行升级的(模式参数详见表 2、表 3)。与VCP11D相比，VCP12D和VCP212D扫描仰角数仍然是14个，但减少了2个高层仰角、增加2个低层仰角。适当增加低层探测仰角的密度，可以有效改善远雷达处的探测效果，得到距离雷达100 km之外更为详细的探测数据。同时在雷达最大不模糊速度上有所提升，VCP12D和VCP212D高层仰角(12.5°、15.6°、19.5°)提升到33.36 m·s-1，VCP212D低层仰角(0.5°、0.9°、1.3°)提升到28.47 m·s-1(VCP11D和VCP12D低层仰角为26.38 m·s-1)。
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表 2 VCP12D参数表 Table 2 Parameter table of VCP12D |
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表 3 VCP212D参数表 Table 3 Parameter table of VCP212D |
在最低层3个仰角(0.5°、0.9°、1.3°)，VCP12D使用的分离取样方式为CS/CD，VCP212D使用的分离取样方式为CS/SZCD[该方式可有效减小径向速度图上距离折叠(即紫色)区域的面积]。在1.8°仰角上基本不受地物杂波的影响，均使用B交替扫描方式(下同)。VCP12D和VCP212D均是4 min左右完成14个仰角共17圈的扫描，区别是二者的速度脉冲数不同，在最低层3个仰角，VCP12D速度采样为40个，VCP212D采样数为64个，取样数量越多，雷达探测质量越好。
2.2 VCP215DVCP215D为一般降水模式，在VCP21D的基础上进行升级(模式参数详见表 4)，增加了2个低层仰角、2个中层仰角和2个高层仰角，在最低层3个仰角使用的是分离取样方式CS/SZCD，367 s完成15个仰角共18圈的扫描。VCP215D相较VCP21D扫描仰角增加了6个，垂直探测精密程度明显提高。与VCP21D相比，VCP215D高层仰角(10.0°、12.0°、14.0°、16.7°、19.5°)最大不模糊速度提升到33.36 m·s-1(VCP21D在9.9°以上为30.73 m·s-1)，低层仰角(0.5°、0.9°、1.3°)提升到28.47 m·s-1(VCP21D低层仰角为26.38 m· s-1)。
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表 4 VCP215D参数表 Table 4 Parameter table of VCP215D |
VCP35D是晴空模式，在VCP31D的基础上进行升级(模式参数详见表 5)，增加2个低层仰角和2个中层仰角，在最低层3个仰角使用分离取样方式CS/SZCD，410 s完成9个仰角共12圈的扫描。与VCP31D相比，VCP35D一方面缩短了扫描时间，提高探测时效性；另一方面通过对扫描仰角的调整，对雷达各层结构特征更加精细。同时，相较于VCP31D，最大不模糊速度从11.6 m·s-1提升到26.38 m·s-1。
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表 5 VCP35D参数表 Table 5 Parameter table of VCP35D |
雷达灵敏度是指雷达在探测不同距离时可探测到的最小信号。基数据雷达灵敏度分析是研究和分析雷达系统或模型的输出变化对系统参数或环境条件变化的敏感程度的方法，可以帮助评估雷达系统的性能、稳定性和可靠性，优化雷达系统的设计和参数选择。基数据雷达灵敏度数值越低，代表探测弱回波的能力越强，在业务上通常统计距离雷达50 km处的最小灵敏度数值。SYSCAL是雷达线性通道增益标定目标常数，可以综合反映雷达对反射率因子测量的静态和动态测量偏置(秦建峰等，2017)。下文对2021年9月10—11日冷涡强对流和2021年11月7—9日暴雪2次性质不同的天气过程的探测试验资料进行灵敏度分析。
对2021年9月10—11日过程基数据雷达灵敏度进行分析，选取9月10日23:01—23:22(北京时，下同)基数据进行灵敏度计算，该时段依次使用VCP11D、VCP12D、VCP21D、VCP212D、VCP215D 5种体扫模式进行探测试验(图 1a)。5种体扫模式在距离雷达50 km处的最小灵敏度数值分别为-8.0、-9.0、-7.5、-8.5和-8.0 dBz，数值相差不大，VCP12D灵敏度最高，其次是VCP212D，再次是VCP11D和VCP215D，VCP21D灵敏度最低。该探测时段SYSCAL均为40.2 dB，5种探测模式在切换过程中对反射率的探测非常稳定。
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图 1 2021年(a)9月10日和(b)11月8日过程基数据雷达灵敏度分布 注：SYSCAL为雷达常数，MDS@50 km表示距离雷达50 km处的最小灵敏度。 Fig. 1 Radar sensitivity distribution of the base data on (a) 10 September, and (b) 8 November 2021 |
对2021年11月7—9日过程基数据雷达灵敏度进行分析，选取11月8日07:35—08:28基数据进行灵敏度计算，该时段使用了VCP215D、VCP21D、VCP31D、VCP35D 4种体扫模式进行探测试验(图 1b)。4种体扫模式在距离雷达50 km处的最小灵敏度数值分别为-8.0、-8.0、-17.5和-8.0 dBz，VCP215D、VCP21D、VCP35D灵敏度一致，而VCP31D灵敏度最高。VCP215D、VCP21D、VCP35D的SYSCAL均为39.7 dB，而VCP31D为34.9 dB。该探测时段VCP215D、VCP21D、VCP35D探测模式在切换过程中对反射率的探测非常稳定，而VCP31D灵敏度和SYSCAL与其他模式存在差别的原因在于VCP31D使用的是长脉冲(脉冲宽度为4.5 μs)，其他模式使用的是短脉冲(脉冲宽度为1.57 μs)。
图 1中色块的不同表征了探测数据数量的差异。对比两次过程中的VCP215D和VCP21D，VCP215D探测仰角较多，使其探测到的数量明显多于VCP21D，更多的数据可以更准确地反映出回波的形态和精细结构特征。
3.2 探测垂直结构差异不同体扫模式雷达产品的差异主要表现在探测仰角疏密导致的垂直探测精度上的差别，同时还与采样数目、脉冲重复频率PRF有关。
雷达对风暴的探测效果与风暴相对雷达的位置直接相关(龚佃利等，2024；姚文等，2022)。以营口天气雷达为例，在近雷达处，雷达静锥区影响明显，在距离雷达25 km处，垂直方向上最大可以获得9 km高度的数据(即19.5°仰角探测高度，下同)，对于发展旺盛的强对流风暴，雷达仅能探测到其中低层结构特征。在距离雷达50 km处垂直方向上可以探测到18 km高度的数据，在该距离上雷达大部分扫描仰角都可以穿过对流风暴，可以较完整地反映出对流风暴的结构特征，高仰角可探测到风暴顶端，中、低仰角可以较好地反映出雷暴中低部的状态，VCP21D在高层有探测间隙，但新模式VCP12D、VCP212D、VCP215D较多的探测仰角可以精确地展现风暴的结构特征，在径向速度产品上利于探测到中气旋或切变、辐合、辐散等信息。随着与雷达距离的增加，有效的探测仰角逐渐减少，在距离雷达200 km处，中、高仰角距地面高度远高于雷暴垂直伸展的高度，一般在该距离上仅有4°以下仰角具有有效探测(200 km处4.3°仰角距离地面约17.7 km)，新模式VCP12D、VCP212D、VCP215D低层仰角增多则展现出其探测优势，传统的VCP11D、VCP21D、VCP31D在该距离上仅有2~3个有效探测仰角(发展极为旺盛的对流单体可有4~5个有效探测仰角)，VCP12D、VCP212D、VCP215D在该距离上可有4~6个有效探测仰角(发展极为旺盛的对流单体可有6~8个有效探测仰角)。图 2为VCP21D和VCP215D示意图，可以看到在垂直探测上近雷达处和远雷达处VCP215D的垂直探测效果均优于VCP21D。
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图 2 (a) VCP21D和(b)VCP215D示意图 注：虚线为距离雷达200 km处和距离地面15 km高度。 Fig. 2 Schematic diagram of (a) VCP21D and (b) VCP215D |
地物杂波分为由山脉、高塔等地物在雷达波束正常传播情况下造成的普通地物杂波和由特殊气象条件下雷达波束的超折射造成的异常地物杂波。营口天气雷达使用的滤波方法为二维多普勒点杂波过滤，即对多普勒数据使用的二维(3×3方位和距离)点杂波过滤。
雷达基数据反射率产品包括滤波前反射率(数据类型为dBT)和滤波后反射率(数据类型为dBz)。可以用该模式dBT和dBz产品的差异做比较，即使用0.5°仰角上dBT产品各反射率量级所占面积与dBz产品各反射率量级所占面积的差值代表滤波的效果，进而分析不同体扫模式的地物抑制能力差异。
地物杂波在不同季节、不同气象条件下均存在差异。图 3为2021年9月10日、2023年6月10日和2021年11月8日3次天气过程中各体扫模式的滤波效果(滤波前反射率与滤波后反射率面积的差值)对比情况。同一体扫模式在3个天气过程中滤波结果差异明显，而在同一过程中，不同体扫模式的滤波差异不大，变化趋势基本一致，不同体扫模式的地物抑制能力差异不大。
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图 3 (a) 2021年9月10日，(b)2023年6月10日，(c)2021年11月8日3次天气过程各体扫模式的滤波情况 Fig. 3 Filtering results of different VCPs for three events on (a) 10 September 2021, (b) 10 June 2023, and (c) 8 November 2021 |
VCP11D、VCP12D、VCP212D为强对流模式，VCP21D、VCP215D为一般降水模式，VCP31D、VCP35D为晴空模式。下文结合典型个例，分析不同体扫模式产品差异，及产生差异的原因，分析新体扫模式的优越性。
4.1 2021年9月10日强对流个例2021年9月10—11日，受东北冷涡影响，辽宁中东部地区出现强对流天气，最大降水量达194.5 mm，最大小时降水量为79.1 mm，本溪、丹东、营口、辽阳地区局部出现8~10级瞬时大风，鞍山、丹东、营口、辽阳地区局部出现直径3~5 cm的大冰雹。
10日20:00开始，对流回波在营口北部沿海生成并迅速加强成多单体风暴，部分多单体风暴向东北方向移动并加强为超级单体风暴，其先后影响营口、鞍山、辽阳地区，造成三地强风雹天气。23:01—23:22连续使用VCP11D、VCP12D、VCP21D、VCP212D、VCP215D 5种体扫模式进行探测试验，选取上述超级单体风暴进行体扫模式探测产品适用性分析，图 4为该单体5个体扫的雷达产品探测情况，其中第1行是单体在0.5°仰角上的分布变化情况，第2~5行是沿0.5°平面图上黄实线所示位置的剖面结构。
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图 4 2021年9月10日23:01—23:22连续5个不同体扫模式雷达产品 注：图I为0.5°仰角产品，图Ⅱ~Ⅵ为沿图Ⅰ中黄色实线位置所作剖面，图Ⅶ为平面产品。 Fig. 4 Continuous radar products from five different volume coverage patterns between 23:01 BT and 23:22 BT 10 September 2021 |
23:01使用VCP11D体扫模式，回波主体距离雷达35~55 km，模式14个探测仰角均探测到雷暴回波，其中30 dBz垂直伸展高度为11 km(14.0°探测仰角)，最高2个仰角(16.7°和19.5°)均为弱回波，回波强度-5~5 dBz，是由旁瓣回波引起的“假尖顶”特征。
23:07使用VCP12D体扫模式，回波主体距离雷达35~55 km，模式14个探测仰角均探测到雷暴回波，其中30 dBz垂直伸展高度为11 km(14.0°探测仰角)，最高2个仰角(15.6°和19.5°)回波强度-5~10 dBz。
23:11使用VCP21D体扫模式，回波距离雷达35~65 km，模式9个探测仰角均探测到雷暴回波，其中30 dBz垂直伸展高度为11 km(9.9°探测仰角)，最高2个仰角(14.6°和19.5°)仅有少量弱回波，回波强度-5~5 dBz。在垂直剖面图上可以看到在远离雷达一侧有明显的回波缺口，是由雷达高层仰角波束间存在探测间隙而无法进行插值造成的，回波的垂直结构无法完全表现出来。同时由于该体扫模式仰角较少，在做垂直剖面插值时在5~10 km处出现了类似于“穹窿”的结构特征，与前后4个体扫模式比较判断可知该结构特征存在偏差。
23:17使用VCP212D体扫模式，回波距离雷达40~75 km，模式14个探测仰角均探测到雷暴回波，其中30 dBz垂直伸展高度为12 km(10.0°探测仰角)，最高3个仰角(12.5°、15.6°和19.5°)回波强度-5~20 dBz。本时次VCP212D与上一时次VCP21D相比，虽然单体距离雷达更远，但因为探测仰角增加了12.5°这一层，垂直探测的连续性更好，因此探测到的风暴垂直结构更加完整。
23:22使用VCP215D体扫模式，回波距离雷达45~77 km，模式15个探测仰角中除最顶层(19.5°)外均探测到雷暴回波，其中30 dBz垂直伸展高度为12 km(10.0°探测仰角)，次高2个仰角(14.0°和16.7°)回波强度-5~5 dBz。该时次雷达探测到的风暴垂直结构依然比较完整。
对比5个体扫模式的反射率因子R平均径向速度V、差分反射率因子ZDR、相关系数CC、差分传播相移率KDP产品的垂直剖面，同样是扫描仰角多的体扫模式，产品连续性更好，尤其VCP212D、VCP12D、VCP215D在低层仰角更多，所展现的回波低层结构更加精细。
同样，较多的扫描仰角可以更好地反映出风暴顶高度，风暴顶高度是雷暴单体发展强度的特征指标之一。回波顶高htop是反射率因子大于等于18 dBz所在的最高仰角的高度，由图 4中5个时次的htop可以看出，VCP21D由于扫描仰角较少，呈现明显的“阶梯式”回波形态，探测到的htop明显不连续且低于其他4种扫描模式，VCP215D探测效果最佳。
4.2 2020年5月18日江淮气旋大范围风雨个例2020年5月17—18日，受东北冷涡和江淮气旋共同影响，辽宁出现强风雨天气，东南部地区降大雨到暴雨，局地降大暴雨，并伴有强对流天气。最大降水量达167.5 mm，最大小时降水量为43.4 mm，最大瞬时风力13级。在本次过程中使用VCP215D进行体扫试验，其中18日13:47使用VCP21D，14:00使用VCP215D，图 5所示为2个体扫模式的组合反射率CR(半径230 km)和0.5°仰角平均径向速度(半径150 km)，以及沿0.5°仰角平均径向速度上红线所示位置所做的R、V、ZDR、CC的剖面图，该时段以稳定性降水为主，2个时次回波形态相差不大。以下对13:47 VCP21D模式产品和14:00 VCP215D模式产品进行对比分析。
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图 5 2020年5月18日(a)13:47，(b)14:00使用2个不同体扫模式雷达产品 注: 图Ⅰ为平面产品，图Ⅱ为0.5°仰角产品，图Ⅲ~Ⅵ为沿图Ⅱ中红色实线位置所作剖面；黄线和黄框为钜齿状结构。 Fig. 5 Radar products from two different VCPs at (a) 13:47 BT and (b) 14:00 BT 18 May 2020 |
组合反射率产品反映了整个体扫的所有仰角中的最大反射率因子值。在VCP21D的组合反射率产品上，围绕雷达原点可以明显看到由0℃层亮带所产生的圆环，圆环上数值明显高于周边，而VCP215D的组合反射率产品上圆环情况有所改善，回波色斑更为均匀，原因在于VCP215D探测仰角多(15个)，对0℃层亮带的探测更为准确。在反射率的剖面图上同样可以看出，VCP215D探测到的回波垂直梯度变化沿半径上分布较均匀，而VCP21D存在锯齿结构(图中黄实线所示为同一高度)，即因仰角较少(9个)造成的插值误差。
VCP21D在0.5°仰角上使用的速度脉冲重复频率PRF为1014 s-1，可以探测到的最大不模糊速度为26.38 m·s-1；VCP215D在0.5°仰角上使用的PRF为1094 s-1，可以探测到的最大不模糊速度为28.47 m·s-1(二者可以在色斑上看到差别，VCP215D使用了最两端的色标)。在2个时次0.5°仰角的平均径向速度图上可以看到在雷达的西南象限上均存在大风速核(垂直高度上大于20 m·s-1的速度区位于3 km以下)，并出现明显的速度模糊，在对应的平均径向速度的垂直剖面图上雷达对速度模糊区域的边缘都进行了错误的插值(即在正负速度之间赋值了零速度的过渡带)，但VCP215D因为低层仰角较多(0.5°、0.9°、1.3°、1.8°)，整体形态较均匀，插值错误区域不明显，整体上能够较好地反映出径向速度的垂直分布状态；而VCP21D在低层仰角较少(0.5°、1.5°)，速度插值出现明显的错误，且在距离雷达50~150 km处(如图中黄框所示)出现锯齿状，表现失真。在差分反射率因子和相关系数的剖面图上也存在因探测仰角少导致的插值失真情况。
4.3 2021年11月8日暴雪个例2021年11月7—9日，受东北冷涡及地面气旋强烈发展影响，辽宁省出现历史罕见的特大暴雪、雨雪冰冻、寒潮、大风天气。全省62个国家级气象观测站平均降水量41.1mm，有39个气象站出现特大暴雪，雨雪过程伴有11级瞬时大风、16℃以上的强降温、冰冻和弱雷电。本次过程中使用了VCP215D、VCP21D、VCP31D、VCP35D 4种体扫模式进行探测试验，下文对8日07:35 VCP215D、07:50 VCP35D、08:05 VCP21D、08:17 VCP31D雷达产品进行分析。
该时段系统发展比较稳定，回波形态变化不大，可对比性比较强。4种体扫模式中，VCP215D、VCP21D、VCP35D使用的是短脉冲，VCP31D使用的是长脉冲，图 6是4种体扫模式0.5°仰角各等级反射率因子面积对比。统计强度大于-5 dBz的探测数据，从图中可以看出，VCP215D、VCP21D、VCP35D数据分布趋势基本一致，VCP31D在弱回波区域(-5~5 dBz)探测到的数据量明显偏多，原因在于VCP31D脉冲波束驻留时间长，采样数据多。同时VCP31D探测到的强回波(35~65 dBz)数据量也高于其他模式，地物杂波在VCP31D产品上更明显。
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图 6 2021年11月8日07:35—08:17使用4个不同体扫模式0.5°仰角各等级反射率因子面积对比 Fig. 6 Area comparison of reflectivity factors at 0.5° elevation for four different VCPs between 07:35 BT and 08:17 BT 8 November 2021 |
对比0.5°仰角反射率(图 7)，同样可以看出VCP31D回波面积明显大于其他模式，可以更好地描绘出云系的轮廓。在反射率的垂直剖面上(图 7)，VCP31D模式最高仰角为4.5°，其回波静锥区范围最大；其次是VCP35D模式，其最高仰角为6.4°；VCP215D和VCP21D模式最高仰角均为19.5°，静锥区范围最小。从回波连续上看，VCP215D模式效果最好。
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图 7 2021年11月8日07:35—08:17使用4个不同体扫模式雷达产品 注：图Ⅰ，图Ⅲ为0.5°仰角产品；图Ⅱ为沿图Ⅰ中红色实线位置所作剖面。 Fig. 7 Radar products from four different VCPs between 07:35 BT and 08:17 BT 8 November 2021 |
在平均径向速度图上，各模式在不同仰角上使用的脉冲重复频率不同，其最大不模糊速度也不相同。以0.5°仰角为例，VCP21D和VCP35D的最大不模糊速度为26.38 m·s-1，有效探测距离为148 km；VCP215D的最大不模糊速度为28.47 m·s-1，有效探测距离为137 km；VCP31D使用的速度脉冲重复频率PRF为446 s-1，可以探测到得最大不模糊速度仅为11.6 m·s-1，有效探测距离为333km。从0.5°仰角径向速度图(图 7Ⅲ)可以看到，VCP31D平均径向速度范围明显较其他模式大很多，但也出现了明显得速度模糊，甚至出现二次模糊。
VCP35D是在VCP31D的基础上进行升级，对二者进行比较，VCP35D探测到的数据范围略小，弱回波探测能力略差，但扫描时间短(较VCP31D缩短3 min)，扫描仰角多，最大不模糊速度大，在晴空回波中使用优势明显。
5 结论针对体扫模式VCP21D在5°仰角以下垂直方向上采样较少及附近有探测空隙的问题，营口市气象局借鉴WSR-88D的体扫模式，建立了VCP12D、VCP212D、VCP215D、VCP35D 4种区别于现在业务模式的新体扫模式，并利用营口双偏振天气雷达进行业务试验，对试验产品进行对比分析，得到如下结论：
(1) 4种新体扫模式在50 km处最小灵敏度和数据质量与VCP21D基本一致，地物抑制能力相当，满足业务运行指标，可以在业务种应用。
(2) VCP12D和VCP212D较VCP11D增加了低层的垂直分辨率，可以获得距离雷达100 km之外更为详细的探测数据，同时扫描时间从5 min缩短到4 min，对于发展较快的强对流风暴探测效果更好。VCP12D和VCP212D探测周期短、仰角多，可以应用在强对流天气过程中。
(3) VCP215D较VCP21D增加6层探测仰角，可以获得更为连续的垂直探测产品，在剖面图上可以展示更为完整和精细的回波结构特征，可以更精确地计算风暴顶高度，同时探测时间与VCP21D相当，优越性明显。VCP215D可以代替VCP21D应用在强对流天气及大范围雨雪天气过程中。
(4) VCP35D较VCP31D探测到的数据范围略小，但扫描时间短、扫描仰角多，产品的时空分辨率更高，探测优越性明显。
(5) VCP12D、VCP212D、VCP215D、VCP35D较原有模式相比，最大不模糊速度均有所提升，其中VCP12D、VCP212D、VCP215D高层(10°以上)最大可以达到33.36 m·s-1，VCP212D、VCP215D低层(0.5°~1.3°)提升到28.47 m·s-1，VCP35D整层提升到26.38 m·s-1。
需要指出的是，为保证正常业务探测质量，同时强化不同产品的对比性，新体扫模式运行试验采用连续切换新旧体扫模式的方式，即在同一天气过程中选取某一时段进行体扫模式连续切换探测，获取比较连续的对比资料。对新体扫模式做更全面的评估，还应使用同一体扫模式对某一天气过程进行连续完整的探测，同时对新体扫模式与现有雷达算法的匹配上也应进一步开展研究。
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