微型雨雷達產品在幾次不同量級降水過程中的表現特征

過霽冰 徐杰

摘 要：利用MRR-2微型雨雷達設備及相關軟件對降水系統進行跟蹤連續觀測，分析微型雨雷達主要的4項指標：降水效率（Rain rate，mm/h）、雷達反射率（Radar reflectivity，dBZ）、液態水含量（Liquid water content，g/m3）及下降速率（Fall velocity，m/s），經研究得出以下結論：（1）小雨過程中，由于中高層濕度條件很差，降水率、雷達反射率、液態水含量、下降速率均分布在2400m以下，且峰值均較小，低于中雨、大雨及暴雨過程，僅在小時降水量超過0.2mm的時段才表現出一定的顯著特征；（2）由于整層濕度條件較好，中雨、大雨及暴雨3次過程的降水率均表現出垂直分段分布的特征，且降水率高值區整層均有分布；（3）中雨、大雨及暴雨3次過程雷達反射率發展得均較高，達到了4800m左右，但高值區發展的高度并不相同，并且三者的峰值大小也有一定的區別，在降水量較大的時段，三者的峰值主要分布在低層；（4）中雨、大雨及暴雨3次過程的液態水含量與降水效率產品表現出類似的特征，同樣呈現出了垂直分段分布的特點；（5）不同降水類型的下降速率和液態水含量各自表現出不同的特征。

關鍵詞：微型雨雷達；降水效率；雷達反射率；液態水含量；下降速率

中圖分類號 P426 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）09-0143-07

Characterization of the Micro Rain Radar Products in Different Precipitation Events

Guo Jibing1 et al.

（1 Fengxian District Meteorological Office，Shanghai 201416，China）

Abstract：Micro Rain Radar and related software systems was used to track and observer precipitation.Four kinds of Micro Rain Radar products（Rain rate，mm/h，Radar reflectivity，dBZ，Liquid water content，g/m3 and Fall velocity，m/s） were analyzed.The height resolution was set to 200 m.Observation height was between 200～6200m （the top height was near 500 hPa）.By study those cases，the following characteristics were found：*（1） In a light rain process，due to the poor humidity condition of the mid to high-level，most of precipitation rate，radar reflectivity，liquid water content and fall velocity are located below 2400 meters，the peak value was smaller than the rest three kinds of the rains，only when hourly precipitation was over 0.2mm，it showed some remarkable features.（2） Since the whole layer moisture conditions were better，the precipitation rate of moderate rain，heavy rain and torrential rain exhibited characteristics of vertical distribution segment，and the high precipitation rate value distributed in whole layer.（3） The radar reflectivity located in high layer in moderate rain，heavy rain and torrential rain process，the height was near 4800m.But the high value distributed in different height，and the peak value is different too，unless in a high precipitation period，the peak value was in lower layer.（4） the liquid water content of moderate rain，heavy rain and torrential rain exhibited characteristics of vertical distribution segment.（5） The fall velocity and liquid water content of different types of rains showed the different characteristics.

Key words：Micro rain radar；Rain rate；Radar reflectivity；Liquid water content；Fall velocity

天氣雷達是進行大氣、云霧及降水物理研究和探測的主要手段，其重要作用之一是以云和降水為主要觀測對象，實時估測降水系統的降水強度。它被廣泛地應用于氣象科學研究和業務天氣警戒觀測中，發揮著越來越重要的作用。定量估測降水強度作為天氣雷達首要用途在災害性天氣監測和預警、人工影響天氣的作業指揮、氣象模式資料同化及模擬結果的檢驗等方面具有十分重要的意義。不同降水類型產生的影響不同，識別不同類型的降水可以更好地理解降水的機制，對降水估測、災害性天氣的監測和預警等方面都有很大的幫助。

定量估測降水一直是天氣雷達應用的主要目標之一。從第二次世界大戰后雷達技術開始在氣象部門應用，至今已有60多年的歷史，隨著應用研究的廣泛開展，雷達估測降水技術發展非常迅速。1959年Battan[1]首次提出雷達氣象學概念，并對那一時期雷達氣象學的研究進展和成果作了概述。由此，多普勒天氣雷達作為一種重要的技術手段逐步發展成為專門學科。在天氣雷達應用研究的早期，就發現雷達估測降水的潛力，并對聯合雨量計的多普勒天氣雷達定量估測降水進行了大量研究[2]。

MRR-2（Micro Rain Radar）是一種小型的垂直指向多普勒測雨雷達（以下簡稱“微型雨雷達”），由德國METEK公司生產。其工作原理是以雨滴大小和散射截面、雨滴大小和下降速率的關系為基礎，根據多普勒頻率反演出降水狀況[3]-[4]。微型雨雷達可測量雨強、雷達反射率因子、雨滴下降速度及雨滴粒徑分布等垂直廓線，從而判斷降雨狀況。如何科學合理地開展微型雨雷達的觀測試驗，分析典型降水過程的微型雨雷達產品，使微型雨雷達產品投入業務化顯得非常迫切和必要。本文選取了幾次不同量級的降水過程，分析每次過程中各類微型雨雷達產品的表現特征，為微型雨雷達產品投入業務化使用積累經驗。

1 資料介紹和降水過程選取

1.1 資料介紹 MRR-2微型雨雷達設備及相關軟件安裝于上海市奉賢區氣象局的氣象應急移動車上，移動車停放在上海市奉賢區氣象局單位內，經緯度為：121°30′E，30°53′N。雨雷達安裝在氣象應急車上，適合對降水系統進行跟蹤連續觀測，可以及時有效地獲取所需的觀測數據資料，儀器的無人值守設計，可在任何氣候條件下運行，非常有利于工作的持續進行。經過前期維修及協調，從2014年6月開始實現微型雨雷達設備穩定運行、連續觀測、實時產生資料數據并批量保存。

本文分析的微型雨雷達指標主要為以下4種：（1）降水效率（Rain rate，mm/h）：單位面積垂直方向上液態水體積通量；（2）雷達反射率（Radar reflectivity，dBZ）：雷達發射率因子與雷達衰減反射率因子；（3）液態水含量（Liquid water content，g/m3）：單位體積的液態水質量；（4）下降速率（Fall velocity，m/s）：粒子下降的速率。本文設置的微型雨雷達數據高度分辨率為200m，觀測高度為200～6200m，約觀測到500hPa的高度。

1.2 降水過程選取 本文選取2014年夏季（6-8月）的小雨、中雨、大雨和暴雨降水過程各一次。其中小雨的定義為：12h內降水量為0.1～4.9mm，或24h內降水量為0.1～9.9mm的降水過程；中雨的定義為：12h內降水量為5.0～14.9mm，或24h內降水量為10.0～24.9mm的降水過程；大雨的定義為：12h內降水量為15.0～29.9mm，或24h內降水量為25.0～49.9mm的降水過程。暴雨的定義為：12h內降水量為30.0～69.9mm，或24h內降水量為50.0～99.9mm的降水過程。本文分別選取了每次過程中降水量較明顯的時段進行微型雨雷達產品的重點分析。為方便描述每次降水過程，進行簡化描述，例如“8月2日00：00-07：00降水過程”簡寫為“（0802：0000-1700）”。

小雨（0802：0000-0700）過程中（圖1a），分鐘降水量均為0.1mm，小時降水量均在1mm以下，其中01-03時及05-07時降水量略大。中雨（0818：1200-1700）過程中（圖1b），分鐘降水量也均為0.1mm，小時降水量在1～3mm，其中14-16時降水量較大。大雨（0626：1200-1700）過程中（圖1c），分鐘降水量在0.2mm左右，小時降水量差異較大，小的在2mm左右，大的在6mm左右，其中15-16時小時降水量達到了8mm。暴雨（0820：0300-1500）過程中（圖1d），分鐘降水量在0.4mm左右時，小時降水量在達到了16mm，分鐘降水量在0.2mm左右是，小時降水量在5mm左右，其中09-13時降水量較顯著。

1.3 溫度對數壓力圖（Tlogp圖） 提取了每次降水過程中主要降水時段的溫度對數壓力圖，由圖2a可見，此次小雨過程中，400hPa以下均為西北風，水汽條件不足，且風向隨高度改變沒有明顯的變化，動力條件也較差。圖2b可見，此次中雨過程中，500～700hPa均為西南風，該層水汽條件較好，但是850hPa以下為西北風，低層水汽較差。由圖2c可見，此次大雨過程中，850～700hPa均為西南風，中低層水汽條件較好，925hPa以下為弱的偏東風，風向隨高度有順轉的特征，提供了一定的動力條件。由圖2d可見，暴雨過程中，700hPa以上均為西南風，且風力較大，提供了充足的水汽條件，850hPa以下為偏東風，風向隨高度表現出明顯的順轉特征，動力條件也很好。

2 微型雨雷達產品特征分析

首先，簡單分析每次降水過程中4類微型雨雷達指標的大概特征。

小雨降水過程中，由圖3a可見，這次的降水率集中分布在6.0mm/h以下，在01時、02時較為顯著，降水率垂直分布集中在2400m以下；其雷達反射率（圖4a）分布在20～25dBZ，主要集中在2400m以下；降水時，液態水含量值（圖5a）集中在0.6g/m3，所分布高度與前兩者一致；下降速率（圖6a）為4m/s左右，分布高度與前者一致。

中雨降水過程中，由圖3b可見，本次降水率呈現較明顯的垂直分段分布特征，高層分布在4500～6000m，降水率為8～9mm/h，低層在3000m以下，降水率為5～6mm/h，在14-16時較為顯著；其雷達反射率（圖4b）在14-16時較為顯著，分布在25～30dBZ，主要集中在4800m以下，其他時段雷達反射率分布在20～25dBZ，主要集中在3000m以下；降水時，液態水含量（圖5b）同樣呈現垂直分段分布特征，高層分布在4800m以上，液態水含量值在0.5～1.0g/m3，低層在3000m以下，值在0.4g/m3左右；下降速率（圖6b）較顯著的時段為14-16時，為5～8m/s左右，主要在5000m以下，其余時段在5m/s以下，高度也在5000m以下。

大雨降水過程中，由圖3c可見，這次的降水率呈現更明顯的垂直分段分布特征，高層分布在4800～5600m之間，降水率為8～10mm/h，高層的這一特征幾乎分布在整個降水時段，低層在4000m以下，降水率為10～18mm/h，其中在15-16時降水量較大的時段內較為顯著；其雷達反射率（圖4c）在15～16時最為顯著，分布在30～40dBZ，主要集中在5000m以下，其他時段雷達反射率分布在25-35 dBZ，大值區主要集中在3500m以下；降水時，液態水含量（圖5c）同樣呈現垂直分段分布特征，高層分布在4800～6000m之間，液態水含量值在1～2g/m3，在15-16時值較小，低層在4200m以下，15～16時較顯著，值在1g/m3左右，其余時段在0.5g/m3以下；下降速率（圖6b）較顯著的時段同樣是15～16時，為8～10m/s左右，主要在5000m以下，且整層分布較均勻，高層值略大，其余時段在8m/s以下，高度也在5000m以下，但高層值明顯大于低層，大值區普遍分布在較高層。

暴雨降水過程中，由圖3d可見，這次的降水率同樣呈現出一定的垂直分段分布特征，高層分布在4200～5200m之間，降水率為15～20mm/h，低層在3500m以下，11-12時最為顯著，降水率為18～25mm/h，此時降水量也較大，其余時段降水率在15mm/h以下；其雷達反射率（圖4d）在整個降水時段均較為顯著，分布在35～45dBZ，主要集中在4800m以下，且低層值更大；液態水含量（圖5d）同樣呈現垂直分段分布特征，高層分布在4500～5600m之間，液態水含量值在1.5～2.0g/m3，低層在3800m以下，值在1.5g/m3左右，在11-12時較為顯著；下降速率（圖6d）較顯著的時段為9-11時，為8～10m/s，主要在5000m以下，其余時段在8m/s以下，高度也在5000m以下，表現出高層值較大，低層值較小的特征。

2.1 降水效率 小雨過程（圖3a）由于中高層濕度條件很差，所以2400m以上無降水率，而近地層降水率峰值僅為6.0mm/h，均低于其余3次降水過程，僅在小時降水量超過0.2mm的時段才表現出一定的降水率特征。由于整層濕度條件較好，中雨（圖3b）、大雨（圖3c）及暴雨（圖3d）3次過程的降水率均表現出垂直分段分布的特征，且降水率高值區整層均有分布；但是3次過程的降水率峰值大小有明顯區別，且低層的降水率與對應時段降水量大小成正比，當降水量大時，降水率峰值也較大，且主要分布在低層，而對應時段高層降水率則較小。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.2 雷達反射率 小雨過程（圖4a）雷達反射率主要集中在2400m，發展得不高，峰值在20-25dBZ，且僅在降水量超過0.2mm時有此特征的表現。其余3次過程雷達反射率發展得均較高，達到了4800m左右；但大值區發展的高度也不相同，如雷達反射率30dBZ，在中雨（圖4b）過程中發展到3500m左右，在大雨（圖4c）過程中，發展到了4000m左右，在暴雨（圖4d）過程中，發展到了4500m左右；且三者的峰值大小也有一定的區別，但在降水量較大的時段，三者的峰值均主要分布在低層。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.3 液態水含量 小雨過程（圖5a），液態水含量峰值在0.6g/m3，發展得不高，主要集中在2400m以下，與前兩類產品類似，僅在降水量超過0.2mm時有此特征的表現。其余3次降水過程表現出與降水效率產品類似的特征，同樣呈現出了垂直分段分布的特點，高層主要分布在4500m以上，低層三者分布略有區別，中雨（圖5b）分布在3000m以下，大雨（圖5c）和暴雨（圖5d）分布在3800m以下；中雨和大雨過程的液態水含量高值區主要分布在高層，而暴雨過程中液態水含量高值區在整層均有分布；三者低層液態水含量的峰值有顯著區別，中雨的峰值分布最靠近底層，大雨僅在降水量超過4mm以上有一定的表現，在3800m以下分布較均勻，暴雨過程中液態水含量峰值最大，且在降水量顯著的時段在3800m以下隨高度分布也較均勻；3次降水過程高層和低層的液態水含量有反相分布的特征，即高層液態水含量高時，對應時段低層液態水含量則低，反之亦然。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.4 下降速率 小雨過程（圖6a）下降速率僅為4m/s左右，且與前3類產品特征較一致，主要分布在2400m以下，且僅在降水量超過0.2mm時有此特征的表現。其余3次過程下降速率均分布在5000m以下；三者大值區分布高度較一致，降水顯著的時段，下降速率大值區均分布在2000m以上，而2000m以下下降速率略減小；三者下降速率峰值有一定區別，中雨（圖6b）在降水顯著時段峰值在5～8m/s，其余時段在5m/s以下，而大雨（圖6c）和暴雨（圖6d）峰值大小較一致，降水顯著時段峰值均在8～10m/s，其余時段在8m/s以下。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.5 液態水含量統計 統計4次降水過程中不同大小液態水含量的百分率分布。液態水含量是單位體積內的液態水質量，本文統計了0～0.8g/m3范圍內每隔0.05g/m3的液態水含量的百分率分布。小雨（圖7a）過程中，液態水含量在0.05g/m3以下的占了90%，說明小雨量級降水中，單位體積內的液態水質量基本都在0.05g以下；中雨（圖7b）過程中，液態水含量在0.05g/m3以下的較小雨有顯著下降，僅占了41%，而液態水含量在0.05～0.2g/m3之間的百分率分布較小雨均有較大提高，尤其是0.05g/m3、0.1g/m3和0.15g/m3所占比例均超過了5%；大雨（圖7c）過程中，液態水含量在0.05g/m3級別所占的比例較前2次過程有很大的提高，達到了30%，0.1g/m3和0.15g/m3所占比例也超過了5%，尤其是大于0.8g/m3的比例也達到了5%以上，這是和前2次降水過程的顯著區別；暴雨（圖7d）過程中，0.05g/m3、0.1g/m3、0.15g/m3、0.2g/m3級別的液態水含量分布均在5%，且其余各級別所占的比例較中雨均有所提高，大于0.8g/m3的液態水含量比例較中雨略有下降，但仍在5%以上。

3 結論

（1）小雨過程中，由于中高層濕度條件很差，降水率、雷達反射率、液態水含量、下降速率均分布在2400m以下，且峰值均較小，均低于其余3次過程，僅在小時降水量超過0.2mm的時段才表現出一定的顯著特征。

（2）由于整層濕度條件較好，中雨、大雨及暴雨3次過程的降水率均表現出垂直分段分布的特征，且降水率高值區整層均有分布；但是3次過程的降水率峰值大小有明顯區別，且低層的降水率與對應時段降水量大小成正比，當降水量大時，降水率峰值也較大，且主要分布在低層，而對應時段高層降水率則較小。

（3）中雨、大雨及暴雨3次過程雷達反射率發展得均較高，達到了4800m左右；但高值區發展的高度并不相同，并且三者的峰值大小也有一定的區別，但在降水量較大的時段，三者的峰值均主要分布在低層。

（4）中雨、大雨及暴雨3次過程的液態水含量與降水效率產品表現出類似的特征，同樣呈現出了垂直分段分布的特點，高層主要分布在4500m以上，而在低層三者分布略有區別，中雨分布在3000m以下，大雨和暴雨分布在3800m以下；中雨和大雨過程的液態水含量高值區主要分布在高層，而暴雨過程中液態水含量高值區在整層均有分布；三者低層液態水含量的峰值有顯著區別，中雨的峰值分布最靠近底層，大雨僅在降水量超過4mm以上有一定的表現，在3800m以下分布較均勻，暴雨過程中液態水含量峰值最大，且在降水量顯著的時段在3800m以下隨高度分布也較均勻；3次降水過程高層和低層的液態水含量有反相分布的特征，即高層液態水含量高時，對應時段低層液態水含量則低，反之亦然。

（5）中雨、大雨及暴雨3次過程的下降速率均分布在5000米以下；三者大值區分布高度較一致，降水顯著的時段，下降速率大值區均分布在2000m以上，而2000m以下下降速率略減小；三者下降速率峰值有一定區別，中雨在降水顯著時段峰值在5～8m/s，其余時段在5m/s以下，而大雨和暴雨的峰值大小較一致，降水顯著時段峰值均在8～10m/s，其余時段在8m/s以下。

（6）統計4次降水過程中，不同大小液態水含量的百分率分布。小雨量級降水中，單位體積內的液態水質量基本都在0.05g以下；中雨過程中，液態水含量在0.05g/m3以下的較小雨有顯著下降，僅占了41%，而液態水含量在0.05～0.2g/m3之間的百分率，分布較小雨均有較大提高，尤其是0.05g/m3、0.1g/m3和0.15g/m3所占比例均超過了5%；大雨過程中，液態水含量在0.05g/m3級別所占的比例，較前2次過程有很大的提高，達到了30%，0.1g/m3和0.15g/m3所占比例也超過了5%，尤其是大于0.8g/m3的比例也達到了5%以上，這是和前2次降水過程的顯著區別；暴雨過程中，0.05g/m3、0.1g/m3、0.15g/m3、0.2g/m3級別的液態水含量分布均在5%，且其余各級別所占的比例，較中雨均有所提高，大于0.8g/m3的液態水含量比例，較中雨略有下降，但仍在5%以上。

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（責編：王慧晴）