2014年7月4日降水的雙偏振雷達(dá)多參量回波分析

姜紫陽 吳瑾 劉英杰 顏秉芝

摘要 為了研究颮線的降水結(jié)構(gòu)和云物理特征，利用南京信息工程大學(xué)的C波段雙偏振雷達(dá)資料，分析了2014年7月4日颮線的雙偏振雷達(dá)多參量回波。研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)回波圖中降水回波結(jié)構(gòu)較緊密，降水范圍較大，但降水強(qiáng)度并不是很高；相關(guān)系數(shù)回波圖中存在亮度層亮帶，相關(guān)系數(shù)與差分反射率因子成負(fù)相關(guān)。這項(xiàng)研究有助于增進(jìn)對颮線天氣的云物理結(jié)構(gòu)和回波演變機(jī)理的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞 雙偏振雷達(dá)；回波；多參量；降水粒子；颮線；2014年7月4日

中圖分類號 P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0199-05

Abstract In order to study the precipitation structure and cloud physical characteristics of squall line，using the C-band dual-polarization radar data of NUIST，the multi-parameter echo analysis of squall line of dual polarization radar on July 4，2014 was conducted.It was found that the structure of precipitation echo was relatively close in radar echo images，precipitation range was relatively large，but the precipitation intensity was not high.In echo image of correlation coefficient，there had a luminance layer bright band，and the correlation coefficient of the differential reflectivity factor was negatively correlated.This study will contribute to increase knowledge on cloud physical structure and echo evolution mechanism of squall line weather.

Key words dual polarization radar；echo；multi-parameter；precipitation particle；squall line；July 4，2014

雙偏振天氣雷達(dá)是新一代天氣雷達(dá)的發(fā)展趨勢，因其具有測量不同偏振方向上回波功率的功能，所以可以直接探測到與降水粒子微物理特征有關(guān)的物理量。雙偏振天氣雷達(dá)是利用不同類型、尺度的降水粒子對極化回波散射能力不同的特性來估算降水粒子的類型、尺度等自身特征，以此來實(shí)現(xiàn)對降水類型的分辨和識別。對偏振參數(shù)進(jìn)行分析、反演，從雷達(dá)回波圖中可以總結(jié)出降水粒子的類型、尺度、空間分布和降水類型等具體氣象信息。相對于常規(guī)的天氣探測雷達(dá)，雙偏振多普勒天氣雷達(dá)可以提高對降水粒子的探測精度，為數(shù)值預(yù)報(bào)提供高質(zhì)量的初始場，加強(qiáng)對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警和提高對氣象目標(biāo)的識別能力[1]。

1976年，Seliga和Bringi[2]創(chuàng)造性地提出了雙偏振天氣雷達(dá)的2種體制，即交替發(fā)射/接收體制和同時(shí)發(fā)射/接收體制。在此之后，Jemason、Sachidananda、Zrnic等[3]分別提出了利用相干多普勒雷達(dá)時(shí)間序列資料提取差分傳播相移來進(jìn)行氣象探測。上海市氣象局對原有的WSR-88D多普勒雷達(dá)進(jìn)行了雙偏振升級，并投入于2014年汛期前的業(yè)務(wù)使用[4]，為汛期上海及周邊地區(qū)的災(zāi)害性天氣監(jiān)測分析、預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)以及中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式資料同化提供更多樣化、更精準(zhǔn)的信息。

本文選用南京信息工程大學(xué)C波段雙偏振雷達(dá)，利用2014年7月4日南京信息工程大學(xué)的C波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)對颮線天氣進(jìn)行分析，經(jīng)處理得到回波圖像，總結(jié)降水粒子的類型、尺度、空間分布和降水類型等，分析颮線天氣下雷達(dá)回波圖特征、各偏振參數(shù)特征以及颮線回波的形成機(jī)理與降水的云物理特征。

1 研究方法

1.1 方法簡介

本文選取雙偏振雷達(dá)回波的多參數(shù)分析法進(jìn)行分析。首先分析2014年7月3—4日的溫濕壓場以及衛(wèi)星云圖，得到颮線發(fā)生的天氣環(huán)流背景。其次對2014年7月4日南京信息工程大學(xué)的C波段雙線偏振雷達(dá)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到各偏振參數(shù)的雷達(dá)回波圖像，分析各參數(shù)回波圖像與降水強(qiáng)度之間的關(guān)系以及各自的內(nèi)在聯(lián)系。最后觀測總結(jié)出颮線天氣下雙偏振雷達(dá)回波圖的特征以及各參數(shù)的取值范圍，以便為后期更深層次的研究作一參考。

1.2 雙線偏振雷達(dá)主要參量

雙偏振雷達(dá)能夠探測到的參量主要為以下幾種（不完全列舉），包括水平和垂直反射率因子、差分反射率因子、相關(guān)系數(shù)、比相差等。

1.2.1 水平和垂直反射率因子。水平反射率因子表達(dá)式如下：

垂直反射率因子表達(dá)式如下：

式中，N（D）為降水粒子的滴譜分布。

1.2.2 差分反射率因子ZDR。差分反射率因子表達(dá)式如下：

式中，ZDR是對以反射率因子為權(quán)重的降水粒子平均軸比的測量。如果出現(xiàn)大量尺度較大的粒子也會嚴(yán)重影響ZDR的信號，因?yàn)檫@些粒子的后向散射能力較強(qiáng)，所以產(chǎn)生的反射率因子較大。ZDR不受粒子總數(shù)的影響，但受粒子空間中不同尺度分布的影響。

ZDR反映的是水平和垂直偏振的反射率因子之比，比值的大小受粒子的形狀影響。粒子的非球形程度用橢率（a/b）表示，a、b分別為旋轉(zhuǎn)橢球的旋轉(zhuǎn)軸和半徑。單個(gè)粒子的ZDR與a/b之間的關(guān)系如圖1所示，其表示等效直徑為0.4 cm的旋轉(zhuǎn)橢球粒子的ZDR與橢率之間的關(guān)系[5]。雖然不同等效直徑的粒子關(guān)系函數(shù)不同，圖像的曲線也有所不同，但總體變化趨勢相同。

由圖1可知，a、b比值越小，即粒子的橢率越大，則ZDR值越大。當(dāng)粒子的形狀無限接近球形時(shí)，也就是a、b比值等于1時(shí)，差分反射率取值幾乎為0。實(shí)際降水區(qū)中，大雨滴比較易變形，形狀接近于扁橢球，相應(yīng)ZDR為較大的正值；小雨滴和翻滾下落中的大冰雹橢率小，形狀接近球形，相應(yīng)的ZDR取值就接近零。在實(shí)際探測中若發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域雨強(qiáng)較大，而差分反射率取值卻很小，則幾乎可以判定有冰雹出現(xiàn)。

1.2.3 相關(guān)系數(shù)。假設(shè)雷達(dá)的雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期為T，對于雙線偏振雷達(dá)只有在相隔2T的重復(fù)周期內(nèi)才能在每個(gè)距離庫上取得相同偏振的樣本，樣本之間的自相關(guān)系數(shù)可以用如下表達(dá)式計(jì)算：

相關(guān)系數(shù)ρHV（T）受取樣體積內(nèi)粒子徑向速度分布、傾斜角及形狀等的變化的影響，其取值也由以上幾項(xiàng)共同作用決定。

通常情況下，將零滯后相關(guān)系數(shù)ρHV（0）定義為水平偏振回波信號與垂直偏振回波信號零滯后相關(guān)系數(shù)的幅值，零滯后相關(guān)系數(shù)用來反映水平與垂直偏振波的后向散射特征的相關(guān)性。對于瑞利散射而言，零滯后相關(guān)系數(shù)可用來說明水凝物水平和垂直大小變化而引起的非相關(guān)程度。零滯后相關(guān)系數(shù)值不受雷達(dá)標(biāo)定、水凝物濃度及傳輸?shù)纫蛩赜绊?，對雷達(dá)信噪比較敏感，易受旁瓣回波和地物雜波的影響[6]。

每個(gè)偏振參數(shù)對區(qū)分粒子形態(tài)起到不同的作用，并表現(xiàn)在不同的方面，但是單獨(dú)使用某一種參數(shù)時(shí)存在許多限制，會大大影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。表1給出了雙偏振雷達(dá)幾個(gè)基本偏振參數(shù)在不同降水類型中的取值范圍，在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中可以參考這些參數(shù)的取值來進(jìn)行預(yù)報(bào)工作，但一定要對各參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

1.3 觀測取樣

本次對流性降水開始于2014年7月3日23：52，從次日2：00開始加強(qiáng)并繼續(xù)發(fā)展，降水區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，強(qiáng)度加大，出現(xiàn)局部中到大雨天氣。而后對流性云團(tuán)處于不同發(fā)展階段，出現(xiàn)減弱消散又再次聚合加強(qiáng)的情形，多次反復(fù)，并一直維持向東北方向移動的趨勢。大部分地區(qū)依舊處于對流云團(tuán)的影響控制之下，有持續(xù)降水的趨勢，直至2014年7月5日7：00，大部分對流云團(tuán)發(fā)展到消亡階段，趨近消亡并且離開探測區(qū)域，除東南方向上部分區(qū)域有小雨外，大部分區(qū)域已停止降雨。

取部分觀測資料，對雷達(dá)的反射率因子與探測云、雨目標(biāo)的差分反射率因子ZDR、差分傳播相移KDP、相關(guān)系數(shù)ρHV進(jìn)行分析，以2014年7月4日15：04的大范圍降水為代表。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣背景分析

圖2為2014年7月4日500 hPa的高空圖與地面氣壓圖，由圖2（a）高空圖可以看出，亞洲中高緯地區(qū)為兩槽兩脊的環(huán)流形勢，南京上空風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，為降雨提供了充足的水汽，黃河“幾”字型流域上空有形成閉合低壓的趨勢，下一時(shí)刻形成閉合低壓并延伸出一條小槽，南京則位于槽前，處于較不穩(wěn)定的區(qū)域，加上水汽供應(yīng)，為降雨創(chuàng)造了有利條件。20：00閉合低壓形成，高空的水汽輸送更加旺盛。

地面圖中2014年7月4日8：00—11：00在湖南以及云南上空形成了1個(gè)較大范圍的低壓中心，與500 hPa高空配合，形成了1個(gè)深厚系統(tǒng)。17：00后低壓強(qiáng)度加大但范圍縮小，南京東部洋面出現(xiàn)1個(gè)小高壓中心，與低壓系統(tǒng)配合，為南京降水提供了充足的條件。結(jié)合高空與地面圖的分析，此次颮線過程是在1個(gè)深厚系統(tǒng)的影響控制之下，因而可能持續(xù)的時(shí)間較長，對流發(fā)展也會比較強(qiáng)烈。同時(shí)，又由于地面高空的風(fēng)向影響，來自印度洋和南太平洋的水汽持續(xù)供應(yīng)，為降水提供了極為有利的條件。

圖3為2014年7月3—4日500 hPa溫度場，南京上空的等溫線較稀疏，溫度梯度變化較小，結(jié)合相同時(shí)刻500 hPa等高線可以看出，南京上空溫度平流變化不明顯，但溫度明顯降低，可能會造成一定程度的降溫。高空的低溫會促進(jìn)地面低壓中心的發(fā)展，使系統(tǒng)發(fā)展更為深厚，加劇颮線天氣，也延長了颮線的持續(xù)時(shí)間。

2.2 衛(wèi)星云圖分析

由衛(wèi)星云圖紅外圖像（圖4）可知，強(qiáng)對流云團(tuán)呈線狀排列，形成了颮線，云團(tuán)的對流發(fā)展旺盛，颮線的強(qiáng)度也較大。由可見光云圖與水汽圖可知，颮線體系中的云團(tuán)對流發(fā)展旺盛，水汽含量也非常充沛。本次颮線產(chǎn)生于2014年7月3日，于7月5日減弱消失。2014年7月3—4日颮線一直在發(fā)展擴(kuò)大，影響范圍擴(kuò)大并且一直向東擴(kuò)展，長江中下游地區(qū)一直處于颮線的控制之下，颮線強(qiáng)中心也在向東發(fā)展。至2014年7月4日15：00左右，颮線的云系中有1個(gè)較強(qiáng)的降水云團(tuán)移動到了南京上空，對南京影響最大，導(dǎo)致南京大部分地區(qū)產(chǎn)生降雨。隨后，南京一直處于降水云團(tuán)的影響之下，有持續(xù)性降水，19：00云團(tuán)的對流發(fā)展有所減弱，對南京的影響減小，降水范圍也縮小，但后續(xù)云團(tuán)處于不斷發(fā)展之中，南京上空又出現(xiàn)另一個(gè)云團(tuán)，直至2014年7月5日9：00，南京幾乎脫離云團(tuán)的控制，此次颮線過程趨于結(jié)束，但西南方向有另一個(gè)颮線形成的趨勢。

2.3 雷達(dá)圖像分析

2.3.1 反射率因子的分析。圖5為2014年7月4日15：04的強(qiáng)度回波圖，從0.5°仰角的強(qiáng)度回波圖分析，回波結(jié)構(gòu)緊密且連續(xù)，降水范圍較大且局部有大雨，因而屬于積云層云的混合性降水。最大回波強(qiáng)度達(dá)到了45 dBZ，RHI圖像中，強(qiáng)回波高度可達(dá)到6～8 km，降水范圍較廣泛，雷達(dá)站中心以及四周均有小雨到中雨，局部地區(qū)有大雨，中雨主要集中在南部以及東北部地區(qū)。相對0.5°仰角，1.5°仰角的強(qiáng)回波圖中強(qiáng)回波區(qū)域明顯偏向東北方向，即低層入流方向，颮線在不斷向東發(fā)展之中。從3.4°仰角的回波圖中可看出，回波最大值依舊可以到達(dá)45 dBZ，說明對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，達(dá)到較高的高度，降水的影響范圍均較大，颮線在發(fā)展擴(kuò)大當(dāng)中，短時(shí)間內(nèi)不會消失。

2.3.2 差分反射率因子ZDR的分析。圖6為2014年7月4日15：04的差分反射率因子回波圖，將同一時(shí)刻的雙偏振產(chǎn)品資料與雷達(dá)回波強(qiáng)度圖進(jìn)行對比可知，通常情況下，回波強(qiáng)度越大，ZDR值越大，探測區(qū)域降水的ZDR值普遍在1.0以上，所以探測區(qū)域的降水粒子不是冰雹，而是雨滴，并且雨滴越大，ZDR值越大。中雨區(qū)域ZDR值較大，在1.0～2.0之間，局部大雨ZDR值可達(dá)2.5及以上。這是因?yàn)橛甑卧酱?，越難以維持球形，雨滴接近扁橢球體的形狀，ZDR值就越大。而小雨區(qū)域，比較輻合瑞利散射分布，由于雨滴較小不易發(fā)生形變，依然維持近似球形，ZDR值在0～1之間。較高仰角時(shí)，回波圖中出現(xiàn)了較大的ZDR值組成的圓環(huán)，在3.4°仰角中尤為明顯，并且偏振值靠近雷達(dá)站部分較小而四周值較大，由于積云層云的混合性降水，高度增加達(dá)到冰雪轉(zhuǎn)換區(qū)，ZDR值明顯增大。

分析過程中也可以看出，ZDR在探測時(shí)易出現(xiàn)錯(cuò)誤，其值并不是一直與回波強(qiáng)度成正相關(guān)，在部分雨強(qiáng)較大的地區(qū)，ZDR值也比較小，這可能是由于衰減造成的；且ZDR對粒子分布情況較敏感，可能是探測出現(xiàn)誤差的另一個(gè)原因。

2.3.3 相關(guān)系數(shù)ρHV的分析。圖7為2014年7月4日15：04的相關(guān)系數(shù)回波圖，在0.5°仰角的圖中，ρHV值通常在0.97以上，因而可以判定降水粒子為雨滴。結(jié)合回波強(qiáng)度圖，降雨部分的相關(guān)系數(shù)數(shù)值明顯大于未降雨部分，在0.98～1.00之間，為小到中雨；而中間部分地區(qū)的數(shù)值明顯低于四周，結(jié)合組合反射率的圖像可以看出，是受地物雜波的影響而造成的。

1.5°仰角圖中，相關(guān)系數(shù)從外圍向內(nèi)遞增，2.4°與3.4°仰角的回波圖出現(xiàn)較明顯的低值組成的圓環(huán)，故可能存在一個(gè)冰水混合區(qū)。ρHV對冰相粒子十分敏感，而且混合區(qū)中，由于冰相粒子開始融化外面附著了一層水膜，不同尺寸的冰相粒子以及水滴混合在一起，導(dǎo)致ρHV的取值有一定幅度的降低，越向下，冰相粒子全部融化為水滴，在下落過程中產(chǎn)生變形，ρHV值反而增大，所以在ρHV圖像中就出現(xiàn)了一個(gè)較低值的圓環(huán)，同時(shí)在ZDR圖像的同一時(shí)刻同一高度上出現(xiàn)了一個(gè)較大ZDR值組成的圓環(huán)，故認(rèn)為有零度層亮帶出現(xiàn)。相關(guān)系數(shù)ρHV能反映降水粒子前后形狀、尺寸、液化等變化情況，其大小由取樣體積內(nèi)粒子徑向速度分布、傾斜角及形狀等變化的情況而定，這一時(shí)刻降雨為小到中雨，小雨集中在西北部與東北部地區(qū)，因而雷達(dá)圖中這2個(gè)部分的值在0.98～1.00之間，稍大于其余部分。相關(guān)系數(shù)對大于小雨的區(qū)分并不明顯，對冰雹比較敏感。將相關(guān)系數(shù)圖像與2014年7月4日15：04的ZDR圖像進(jìn)行比較分析，2.4°與3.4°仰角中2個(gè)圖像均能體現(xiàn)出零度層亮帶，一個(gè)是較大值，一個(gè)是較小值，1.5°仰角中一個(gè)越向四周發(fā)散值越小，另一個(gè)越向四周發(fā)散值越大，二者表現(xiàn)的是同一時(shí)刻的回波圖。由此可得出，在降雨的過程中ρHV值與ZDR值成反比，即隨ZDR值的增大，相關(guān)系數(shù)值減小。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文主要分析了2014年7月4日15：00的颮線過程，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）據(jù)高空與地面天氣圖以及風(fēng)云二系列產(chǎn)品顯示，2014年7月4日颮線天氣是一個(gè)深厚系統(tǒng)，發(fā)展較旺盛，影響區(qū)域較大，持續(xù)時(shí)間較長，從2014年7月3日23：00到5日7：00左右，探測區(qū)域內(nèi)一直有持續(xù)性小雨，但從5日凌晨開始，降水區(qū)域大大縮減。

（2）從雷達(dá)圖中可以看出，降水回波結(jié)構(gòu)比較緊密，降水范圍較大，但降水強(qiáng)度較弱，只有局部有較強(qiáng)的降水，回波頂高度較高，颮線影響下的降雨屬于混合性降雨。

（3）本次颮線降水的類型為降雨，而且主要為小雨局部中雨，ZDR的取值范圍在1.0～2.0之間。

（4）ρHV的取值范圍在0.97～1.00之間，同時(shí)還可以從2.4°和3.4°仰角的回波圖中看到亮度層亮帶的存在，雖然本文只進(jìn)行了個(gè)例分析，但可提出假設(shè)，即颮線中零度層亮帶可以體現(xiàn)在相關(guān)系數(shù)以及差分反射率因子等參數(shù)的圖像上。

（5）KDP的取值范圍在0.1～1.0之間，極少部分區(qū)域超過1.0，是由于降水強(qiáng)度大，雨滴粒子也較大，變形較嚴(yán)重而導(dǎo)致橢率增大。

由以上各圖像分析可以看出，雙偏振雷達(dá)的各個(gè)偏振參量對降水過程的不同方面均有不同的體現(xiàn)，各偏振參量綜合使用分析可以判斷出降水的強(qiáng)度，降水粒子的類型、尺度、形狀以及降水粒子的空間分布等問題，但單獨(dú)使用時(shí)會有較大的偏差，對分析結(jié)果造成一定的影響。分析過程反應(yīng)，在本次颮線天氣中，各偏振參量之間存在或大或小的相關(guān)關(guān)系。在降雨過程中，相關(guān)系數(shù)與差分反射率因子成負(fù)相關(guān)，一般情況下，ρHV值隨ZDR值的增大而減小；雨強(qiáng)與差分反射率幾乎成正相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，若將這些偏振參數(shù)綜合使用，結(jié)合其他的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對典型天氣現(xiàn)象的回波作出總結(jié)與分類，將使天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度得到較大的提升。

3.2 討論

本文定性分析了2014年7月4日一次颮線降水過程個(gè)例中各偏振參量與降水的關(guān)系以及彼此之間的聯(lián)系，但未分析更多樣本。1個(gè)樣本存在較大的偶然性，而且在分析過程中沒有把衰減作用列入考慮范圍。本次颮線帶來的降水過程強(qiáng)度較弱，部分參數(shù)的真實(shí)值與理想狀況下的理論值有略微出入，這可能是探測誤差或衰減引起的，如差分反射率因子在局部的大雨地區(qū)取值沒有達(dá)到理想值。后期應(yīng)對更多典型颮線天氣過程進(jìn)行細(xì)致分析，總結(jié)得出更為細(xì)致具體的颮線天氣的雙偏振雷達(dá)各參數(shù)回波特征，同時(shí)要注意定量分析各參數(shù)的數(shù)值，并加以總結(jié)和歸納，以便得到各參數(shù)在颮線天氣中的一般取值范圍，更加深入地認(rèn)識各個(gè)參數(shù)所對應(yīng)的降水云微物理機(jī)制，以提升天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率以及颮線類強(qiáng)災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 董振賢，李妙英.雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的偏振參量及其應(yīng)用[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，5（3）：98-102.

[2] 魏洪峰，杜智濤，王洋.國內(nèi)外新體制天氣雷達(dá)發(fā)展動態(tài)綜述[J].氣象水文海洋儀器，2013，30（2）：124-128.

[3] 鐘晨，張羽，高建秋，等.雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在冰雹識別中的應(yīng)用[J].廣東氣象，2014，36（4）：76-80.

[4] 馬學(xué)謙，董萬勝，楚榮忠，等.X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)降雨估算試驗(yàn)[J].高原氣象，2008，27（2）：382-391.

[5] 馬學(xué)謙，陳躍，張國慶，等.X波段雙偏振雷達(dá)對不同坡度地形云探測個(gè)例分析[J].干旱氣象，2015，33（4）：675-683.

[6] 李宗飛，肖輝，姚振東，等.X波段雙偏振雷達(dá)反演雨滴譜方法研究[J].氣候與環(huán)境研究，2015，20（3）：285-295.