X波段雙偏振天氣雷達(dá)在冰雹識(shí)別中的應(yīng)用

張雄 倪聞 張淑敏

摘 要：利用銅川YLD1-D型X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)和西安C波段多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD/SA）對(duì)2017年盛夏的強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：除反射率因子（R）、垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL）等常用產(chǎn)品對(duì)冰雹有指示意義外，銅川X波段雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子識(shí)別（HCL）等產(chǎn)品對(duì)冰雹具有較好的指示性，此外冰雹潛勢(shì)預(yù)測(cè)（HPF）和零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）也可作為判斷冰雹的輔助產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：X波段；雙偏振；冰雹；粒子識(shí)別；差分反射率因子

中圖分類號(hào)：S166 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180631059

1 研究目的和意義

銅川位于關(guān)中平原向陜北黃土高原的過(guò)渡地帶，境內(nèi)山巒疊嶂溝壑縱橫地形復(fù)雜，短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，在此背景下銅川引進(jìn)了YLD1-D型X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，該雷達(dá)具有全天候、免維護(hù)及產(chǎn)品豐富等優(yōu)點(diǎn)，但業(yè)務(wù)人員在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品眾多應(yīng)用不便，本文旨在通過(guò)對(duì)銅川X波段天氣雷達(dá)與西安C波段雷達(dá)對(duì)比分析，找出銅川YLD1-D型X波段天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣中的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，最大限度的發(fā)揮該雷達(dá)在冰雹等災(zāi)害性天氣中的作用，為預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供更多的技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

2 雷達(dá)常規(guī)產(chǎn)品分析

2017年7月14日銅川市北部宜君縣彭鎮(zhèn)一帶出現(xiàn)雷雨冰雹，最大冰雹直徑約20mm，降雹時(shí)間在20：20左右，彭鎮(zhèn)區(qū)域自動(dòng)站顯示20：00—21：00降水量18.0mm，結(jié)合當(dāng)日08：00探空?qǐng)D分析（圖略），在TlogP曲線上呈明顯的上干下濕“喇叭口”形，說(shuō)明本次過(guò)程是典型的干對(duì)流，更容易產(chǎn)生冰雹而不是短時(shí)強(qiáng)降水。從雷達(dá)1.5°仰角反射率因子來(lái)看，西安雷達(dá)（圖1）在宜君彭鎮(zhèn)一帶回波強(qiáng)度達(dá)到65dbz左右，銅川雷達(dá)回波強(qiáng)度較西安雷達(dá)偏弱但最強(qiáng)回波（圖2）也達(dá)55dbz以上，表明對(duì)流云系統(tǒng)發(fā)展非常旺盛。

從兩部雷達(dá)的基本速度（圖略）也可以看出，宜君彭鎮(zhèn)附近有明顯的輻合區(qū)，西安雷達(dá)上速度輻合的特征非常明顯。兩部雷達(dá)的垂直累計(jì)液態(tài)水含量VIL（圖略）也表明該地區(qū)含水量非常高（西安雷達(dá)最大VIL值為48kg/m2），但在降雹區(qū)下方另一塊強(qiáng)回波中VIL值同樣很大，但卻未出現(xiàn)冰雹，這就給僅使用雷達(dá)常規(guī)產(chǎn)品判斷冰雹帶來(lái)一定困難[1]。

3 X波段雷達(dá)特有產(chǎn)品分析

銅川X波段雷達(dá)提供了44種細(xì)分產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)對(duì)2017年7月14日冰雹和2017年7月27日颮線過(guò)境（出現(xiàn)軟雹）兩次對(duì)流云團(tuán)的觀測(cè)分析，確定了幾種對(duì)冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣具有較好指示意義的產(chǎn)品分析如下。

3.1 粒子識(shí)別（HCL）

圖2為2017年7月14日20：25銅川X波段雷達(dá)不同仰角粒子識(shí)別產(chǎn)品，在實(shí)際降雹區(qū)（圖中紅圈處）能識(shí)別出小冰雹、大冰雹，表明粒子識(shí)別產(chǎn)品對(duì)冰雹判斷有較好的指示意義，且在2.4°仰角中（圖3）識(shí)別效果好于1.5°仰角（圖4），這也說(shuō)明該對(duì)流云發(fā)展高度較高。對(duì)圖中小冰雹和大冰雹細(xì)分可以看出，實(shí)際降雹區(qū)與圖中識(shí)別的大冰雹區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系更好，即粒子識(shí)別產(chǎn)品對(duì)大冰雹的識(shí)別優(yōu)于小冰雹或軟雹。圖中降雹區(qū)的西北方向也識(shí)別出小冰雹，但實(shí)際未出現(xiàn)冰雹，說(shuō)明銅川X波段雷達(dá)對(duì)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)處（經(jīng)測(cè)算為半徑>50km）的回波識(shí)別誤差增大。

3.2 差分反射率因子（ZDR）

根據(jù)差分反射率因子的定義可知[2]，其值趨近于零時(shí)可以輔助判斷冰雹或軟雹的存在區(qū)域。在2017年7月14日降雹時(shí)，差分反射率因子（ZDR）指示性較好，1.5°仰角上（圖5）降雹區(qū)與ZDR零值（白色區(qū)域）對(duì)應(yīng)較好，2.4°仰角上（圖6）ZDR在降雹區(qū)零值以內(nèi)出現(xiàn)大片負(fù)值區(qū)，而實(shí)際降雹區(qū)與零值區(qū)（包括負(fù)值區(qū)）幾乎重合，這種情況同樣出現(xiàn)在2017年7月27日的降雹過(guò)程中（圖略）。差分反射率因子的定義并不能很好的解釋ZDR負(fù)值區(qū)與冰雹落去基本吻合這一現(xiàn)象，這兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系還需進(jìn)一步在業(yè)務(wù)實(shí)踐中對(duì)比觀測(cè)確定。

3.3 冰雹潛勢(shì)預(yù)測(cè)（HPF）和零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）

通過(guò)對(duì)多次降雹時(shí)HPF產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)顯示，降雹時(shí)該值為31%～37%左右，但實(shí)際觀測(cè)中并不是該值越大出現(xiàn)降雹可能越大，以2017年7月14日冰雹為例，在未降雹區(qū)冰雹潛勢(shì)預(yù)測(cè)值甚至大于降雹區(qū)，因此該產(chǎn)品僅是判斷冰雹的輔助產(chǎn)品。

當(dāng)回波垂直發(fā)展非常旺盛時(shí)，零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）減小并趨向0.5（圖略），在本文兩次降雹中RHV在強(qiáng)回波區(qū)取值在0.6～0.75左右，相對(duì)周圍云層（反射率因子小于45dbz時(shí)RHV迅速接近1.00）降雹區(qū)RHV明顯偏小。但實(shí)際使用中強(qiáng)對(duì)流積云回波與強(qiáng)回波到無(wú)回波的回波梯度大值區(qū)RHV值均明顯減小，造成應(yīng)用不便，即RHV也只能作為冰雹的輔助判別指標(biāo)。

4 結(jié)論

2部雷達(dá)中反射率因子、垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL）等常用產(chǎn)品對(duì)銅川區(qū)域強(qiáng)對(duì)流均有較好指示，但直接判斷冰雹仍有諸多干擾。

X波段雷達(dá)產(chǎn)品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子識(shí)別（HCL）2種產(chǎn)品對(duì)冰雹的指示性較好。但當(dāng)回波發(fā)展非常強(qiáng)盛時(shí)差分反射率因子會(huì)從零過(guò)渡到負(fù)值，而ZDR負(fù)值區(qū)與降雹區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系還需大量觀測(cè)分析確定；粒子識(shí)別產(chǎn)品對(duì)距離雷達(dá)站50km以外的回波識(shí)別誤差增大。

冰雹潛勢(shì)預(yù)測(cè)（HPF）產(chǎn)品可以作為判斷冰雹的輔助，當(dāng)其大于31%時(shí)可以結(jié)合其他產(chǎn)品判斷是否有冰雹出現(xiàn)；零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）小于0.75時(shí)可結(jié)合其他指標(biāo)判斷冰雹的出現(xiàn)，但不可作為單一指標(biāo)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]胡明寶，高太長(zhǎng)，湯達(dá)章.多普勒天氣雷達(dá)資料分析與應(yīng)用[M].北京：解放軍出版社，2000.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：張雄（1985-），男，陜西周至人，本科，氣象預(yù)報(bào)工程師，研究方向：中短期天氣預(yù)報(bào)及服務(wù)。