關于多普勒天氣雷達設立降雪偵測模式的設想

姜繼祥，劉麗薇

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江157000；2.綏化市氣象局，黑龍江綏化152002）

關于多普勒天氣雷達設立降雪偵測模式的設想

姜繼祥1，劉麗薇2

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江157000；2.綏化市氣象局，黑龍江綏化152002）

1　雪的生成

雪花的產生，它必須依托同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做晶核，使水分子在冷空氣作用下圍著它一層又一層地凝結，晶核就從中央向外長大。形成一顆雪晶體大約要用5 min時間，在這段時間里，造雪環境中的氣流始終升降浮沉，動蕩不定，但水蒸氣必須保持等量作用于晶核的周邊。空中云層的厚度、濕度、溫度對雪花的形態有極大的影響，星形雪花的形成要求較大的濕度，而濕度較小的云層易于形成片狀、粉末狀雪花。其實雪花的個體是極其微小的，直徑在0.5-3 mm之間，5000顆雪花放在精密天平上才不過1克。雪花產生于云層中的這些小晶核，如果周圍水汽濃度較大，那么增長過程中不僅體積會增大，形狀也會改變，最常見的就是天空中飄落的六邊形雪花。形成雪花之前的冰晶受周圍環境的影響，位于底面上的正六邊形和側面長方體的晶體生長速度出現差異，形狀也相應發生變化，比如氣溫會給結晶的表面帶來微妙變化，接近0℃時底面水平擴展成六邊形，-5℃時形成針狀，降到-5-（-10）℃時側面上開始生成正六棱柱體及側面鏤空的六棱柱體，-15℃時形成樹枝狀，在降至-10-（-21）℃時，正六邊形又開始擴展，繼而再生成六棱柱體。周圍水蒸氣含量較少時，生成過程也較慢，而且不易出現復雜形狀。相反，水蒸氣含量越大，生成速度越快形狀也越復雜。被人們稱做"雪花"的樹枝狀雪晶往往生成于-15℃左右、含有大量水蒸氣的環境中。盡管晶體的形成速度取決于溫度及水蒸氣濃度，但空氣中的其他氣體也會影響它的形成。實驗表明，在只有水蒸氣的真空空間里形成的冰晶幾乎都有單三棱柱體，而在天空中形成的晶體則呈現針狀和六棱柱形狀。經過計算機計算可以再現冰晶向六個方向延伸的形狀，而中途分解，呈現樹枝狀的原因卻始終無法解釋。

2　雪的定性分析

雪的定性就是通過天氣雷達在對天氣過程的掃描過程中確定空中要降落的是雨還是雪，以及偵測出是大雪、中雪或者是小雪。通過上面對雪的生成過程可以看出對雪的定性分析是十分困難的，特別是生成初期兩種物體都是以顆粒狀存在，無法正確區分出來。現在所有的雷達偵測理論都是建立在被探測體是圓形或者橢圓形物體的基礎上，而對于被偵測物體是片狀物體到底如何表述還沒有一個通用的理論。

回波極化信息的收集可以作為日后鑒別雨、雪、冰雹的方法，氣象雷達向空間輻射的電磁波信號，除有一定的波長、波形、強度特征外，還具有一定的極化形式，球型粒子和非球粒子后向散射的極化方式與入射波極化方式的區別是不同的，所以能夠通過極化方式的提取，來識別降雨，降雪的特征。只是目前回波極化信息的獲取常采用雙偏振體制的天氣雷達，所以對這方面的研究還有待進一步深入。

3　雪的定量分析

因為雪整個生命周期的演化過程受著周圍氣壓、濕度、大氣壓力等影響，增加了雪形狀的厚度性。形狀的復雜性決定著回波面積的大小也就決定著回波強度的大小。單個雨滴體積不會變得很大，當它大到一定程度就會分裂，而雪從小顆粒形狀開始如果有合適的溫度、濕度等其他因素會變成"鵝毛大雪"，回波面積的增大不是一個數量級的。另外就是雪中的含水量大小，北方的雪因為形成雪時當地上空濕度較小等原因，所以往往含水量較小，對于雷達的偵測都是有難度的。如果空氣中的濕度較大，特別是在南方濕度很大的狀況下形成的雪它含有的水份就很大。這兩種雪既使單位體積里的個數是一樣的那么對于雷達回波顯示的強度dBz也應該是不一樣的，綜上所述可以看出對雪定量的難度。

現在CINRAD/CC天氣雷達降水掃描模式中降雨量使用的公式是：

Z=200R1.6

R是每小時降雨量。

如果使用降雪模式應該將此公式進行修改，可能的公式為：

R是雪融后的降雨量。

國家關于降雪量的定義：對于降雪量，在氣象上是有嚴格的規定的，用一定標準的容器，將收集到的雪融化后測量出的量度。氣象上對于雪量有嚴格的規范。如同降雨量一樣，是指一定時間內所降的雪量，有24 h和12 h的不同標準。在天氣預報中通常是預報白天或夜間的天氣，這主要是指12 h的降水量，各種基本降雪量的標準：

零星小雪＜0.1 mm；0.1 mm≤小雪＜0.25 mm；

0.25mm≤中雪＜3 mm；3 mm≤大雪＜5 mm；

暴雪：≥5 mm。

降雪量是指將雪轉化成等量的水的深度，與積雪厚度可按照1：15的比例換算。如此計算，97.7 mm降雪量約為1.5 m厚的積雪。

那么在終端中色標的顏色就應該進行重新的規定，因為按照這個公式算出的dBz值和降雨模式下算出的dBz值是不一樣的。

R=0.01 mm/h dBz=-7

R=0.1 mm/h dBz=13

R=0.25 mm/h dBz=21

R=3 mm/h dBz=43

R=5 mm/h dBz=47

在實際雷達運行中還要注意的一個雷達常數中的參數就是復折射指數，這個值在現代多普勒天氣雷達被設置為0.93（液態降水），按照復折射的概念，如果將其用在偵測雪的過程中時這個值應該比0.93小許多，但是至于小多少現在還沒有看見任何文章關于這方面的定論。現在看這個值雖然比0.93小但是從雷達常數這個值來看應該不會有太大的變化（指數量級的差別），所以建議用測雨的這個復折射指數來作為測雪過程中的系數。

降雪和降雨這兩種天氣過程有很大的不同。降雨在全國各地的形式是差不多的，雨的體積太小C波段或者S波段就測不出來，大了就自行一分為二了。但是雪的生成初期與“鵝毛大雪”相差很大，所對應的回波強度也會有很大不同。使用上面這個降雪量公式的應該按照各地的實際情況對參數進行修正。

在雨加雪的天氣過程中，雪的個體體積及和雨的比例不算大，天氣過程會向純雨或者純雪過度。在雨和雪的混合天氣過程中，根據現有的知識可以知道雨的回波強度應該比雪的回波強很多，因此這種天氣過程應該還是按正常降水模式1或降水模式2去偵測。

上面給出的關于降雪偵測模式的設計僅僅是一個比較粗略的設想，因為需要考慮的還應該有雪對雷達信號的衰減處理、雷達對雪的專門的信號處理設置等等。只是現在對降雪還不是很清楚的這種情況下單獨重新指定有別與降雨模式1或者降雨模式2那樣的體掃也不太可能，所以在這些方面可以先套用降雨模式去做，那么在硬件上現在也就不需要進行什么改動，只需對終端軟件進行相應修改即可。

1002-252X（2016）03-0025-02

2016-6-1

姜繼祥（1962-），男，黑龍江省牡丹江市人，成都氣象學院，專科生，工程師.