貴州春季一次強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)分析

曾勇 曹水 楊哲

摘要? ? 為探索X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云識(shí)別效果，對(duì)貴州春季一次強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程偏振雷達(dá)降水識(shí)別進(jìn)行分析。結(jié)果表明，雙線偏振雷達(dá)能夠從水平反射率因子識(shí)別出冰雹云，在有效探測(cè)范圍內(nèi)能夠獲取冰雹粒子真實(shí)回波信息。偏振雷達(dá)的降水類型識(shí)別能夠正確識(shí)別冰雹，同時(shí)識(shí)別到冰雹落區(qū)與實(shí)際降雹落區(qū)基本一致。在人工防雹作業(yè)時(shí)，可以利用雙線偏振雷達(dá)識(shí)別冰雹云，獲得科學(xué)作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位。

關(guān)鍵詞? ? 冰雹云;雙線偏振雷達(dá);偏振參量;降水粒子識(shí)別;貴州省

中圖分類號(hào)? ? P458.121.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）12-0178-03

Abstract? ? In order to explore the recognition effect of X-band dual-linear polarization radar on hail clouds，the polarization radar precipitation identification during a severe hail weather process in spring in Guizhou Province was analyzed.The results showed that the dual-linear polarization radar could recognize hail clouds from horizontal reflectance factor and obtain the real echo information of hail particles within the effective detection range.The recognition of precipitation type by polarization radar could correctly identify hail，and the hail falling area identified by polarization radar was basically consistent with the actual hail falling area.In the artificial hail suppression operation，the hail cloud could be identified by using dual linear polarization radar，and the timing and location of the scientific operation could be obtained.

Key words? ? hail cloud;dual linear polarization radar;polarization parameter;precipitation particle recognition;Guizhou Province

貴州地處云貴高原東側(cè)，屬典型的山區(qū)省份，特殊的地理環(huán)境和地形地貌造成冷暖空氣交匯活動(dòng)頻繁，氣象災(zāi)害頻發(fā)，冰雹災(zāi)害尤為嚴(yán)重[1-2]。在全球氣候變暖趨勢(shì)下，一方面貴州省冰雹不僅頻次增多而且災(zāi)害程度日趨嚴(yán)重，冰雹災(zāi)害損失慘重，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響比較突出，輕則使農(nóng)作物減產(chǎn)，重則絕收;另一方面全省冰雹明顯呈現(xiàn)突發(fā)性、季節(jié)性、區(qū)域性的變化特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，貴州省每年因冰雹災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)千萬(wàn)元甚至逾億元，農(nóng)田受災(zāi)高達(dá)數(shù)萬(wàn)畝[3]。

新一代天氣雷達(dá)作為探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的有效工具，為冰雹天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)提供有力支撐，但其只能獲取冰雹云雷達(dá)回波的宏觀特征，缺少對(duì)冰雹云發(fā)展過(guò)程微物理特征觀測(cè)。雙線偏振雷達(dá)是在新一代天氣雷達(dá)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型雷達(dá)探測(cè)裝備，除新一代天氣雷達(dá)能提供的雷達(dá)產(chǎn)品之外，雙線偏振雷達(dá)能夠提供識(shí)別冰雹和降水的偏振參量產(chǎn)品[4-5]。國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)不同波段雙線偏振雷達(dá)開展觀測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，雙線偏振雷達(dá)在冰雹識(shí)別和定量降水估測(cè)效果較好[6-7]。本研究主要基于X波段雙線偏振雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)2018年4月21日發(fā)生在貴州中部一次強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程冰雹識(shí)別進(jìn)行分析，以促進(jìn)雙線偏振雷達(dá)在冰雹監(jiān)測(cè)與人工防雹中的應(yīng)用，為防災(zāi)減災(zāi)提供支撐。

1? ? 資料與方法

雷達(dá)資料采用貴州省人工影響天氣辦公室2017年引進(jìn)的X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，其有效探測(cè)距離為75 km。因冰雹過(guò)程伴隨強(qiáng)雷電導(dǎo)致雷達(dá)站在首次降雹之前斷電，因此探測(cè)數(shù)據(jù)從21：27—22：21之間10個(gè)體掃數(shù)據(jù)，不影響后續(xù)2次降雹的分析。探空資料為貴陽(yáng)探空站當(dāng)日20：00（北京時(shí)間，下同）L波段探空雷達(dá)資料。降雹資料來(lái)自地面天氣報(bào)文和人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)觀測(cè)記錄。對(duì)雷達(dá)資料的分析主要基于偏振雷達(dá)終端處理軟件，對(duì)相關(guān)雷達(dá)參量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

2? ? 天氣實(shí)況與環(huán)境場(chǎng)分析

2018年4月21日20：34—22：47，貴州中部出現(xiàn)冰雹天氣過(guò)程，清鎮(zhèn)市新店鎮(zhèn)（21：15）、衛(wèi)城鎮(zhèn)（21：39）、王莊鄉(xiāng)（21：46）先后出現(xiàn)降雹，最大冰雹直徑為王莊鄉(xiāng)20 mm，對(duì)農(nóng)作物造成一定損害。

2018年4月21日20：00，650 hPa的中低層有明顯的條件不穩(wěn)定，對(duì)流有效位能CAPE值為358.39 J/kg，低層有少量的對(duì)流抑制能量，0 ℃層位于4.6 km左右，-20 ℃層位于8.0 km高度;對(duì)流層底部有較淺薄的干層，820～650 hPa之間是顯著的濕層;400 hPa為20 m/s以上的大風(fēng)，且隨高度升高風(fēng)速變大，中低層（500 hPa以下）為東南風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，有暖平流，500 hPa以上風(fēng)向?yàn)榉€(wěn)定的西北風(fēng)，風(fēng)速達(dá)到36 m/s;在700 hPa濕度較大的情況下，K指數(shù)為43 ℃，SI指數(shù)為-3.49 ℃，表明對(duì)流層中層和中低層存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

20：00的環(huán)境場(chǎng)特征中雖然對(duì)流有效位能的數(shù)值不算很大，但在中低層均存在不穩(wěn)定層結(jié)，低層具有垂直風(fēng)切變和融化層較低幾個(gè)特征明顯的情況下，具備發(fā)生冰雹和雷暴大風(fēng)的熱力和動(dòng)力環(huán)境條件。

2? ? 冰雹識(shí)別結(jié)果分析

2.1? ? 雷達(dá)反射率因子

冰雹云特征是具有較強(qiáng)的反射率因子和強(qiáng)回波頂高。雙線偏振雷達(dá)能夠同時(shí)發(fā)射和接收水平和垂直極化電磁波，因而能夠獲取對(duì)不同粒子對(duì)水平和垂直極化電磁波的散射差異信息，從而對(duì)不同降水粒子進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。圖2給出了主要時(shí)次6.7°仰角雷達(dá)水平反射率因子ZH分布。由圖2（a）可以看出，冰雹云在新店鎮(zhèn)降雹后的繼續(xù)發(fā)展，回波最大強(qiáng)度已達(dá)到65 dBZ，45 dBZ強(qiáng)回波頂高達(dá)到8.0 km。結(jié)合當(dāng)日融化層高度為4.6 km，-20 ℃層高度為8.0 km，已經(jīng)達(dá)到貴州冰雹云識(shí)別指標(biāo)，可以確定為冰雹云。圖2（b）（c）分別對(duì)應(yīng)衛(wèi)城和王莊降雹，此時(shí)強(qiáng)度回波強(qiáng)度區(qū)域范圍擴(kuò)展，是強(qiáng)冰雹云特征，在經(jīng)歷2次降雹后，在22：21回波強(qiáng)度減弱，強(qiáng)回波趨于消散，冰雹云進(jìn)入消亡階段。

2.2? ? 降水粒子識(shí)別

新一代天氣雷達(dá)盡管能夠?qū)Ρ⒃苹夭ê暧^特征進(jìn)行分析，但宏觀參量不能反映冰雹云發(fā)展演變過(guò)程中云內(nèi)微觀粒子在動(dòng)力和微物理作用下增長(zhǎng)特征，X波段雙線偏振雷達(dá)可解決這一難題，可以對(duì)雹云內(nèi)各類水成物粒子進(jìn)行有效識(shí)別。本部X波段雙線偏振雷達(dá)主要基于模糊邏輯法（FHC）對(duì)ZH（雷達(dá)水平反射率因子）、ZDR（差分反射率因子）、KDP（差分傳播相移）和ρhv（零滯后相關(guān)系數(shù)）4個(gè)偏振參量進(jìn)行模糊化，構(gòu)建各自的隸屬函數(shù)，降水類型作為輸出變量[8]，對(duì)主要觀測(cè)時(shí)次偏振雷達(dá)降水類型識(shí)別結(jié)果進(jìn)行提取，結(jié)果如圖3所示。可以明顯看出，在21：27已經(jīng)識(shí)別出大冰雹區(qū)與冰水混合區(qū)。在經(jīng)歷2次降雹后，冰雹識(shí)別區(qū)域減小，是降雹對(duì)冰雹云內(nèi)粒子的消耗。根據(jù)當(dāng)日人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)觀測(cè)資料，偏振雷達(dá)識(shí)別冰雹云落區(qū)與實(shí)際觀測(cè)降雹落區(qū)基本一致，體現(xiàn)出雙線偏振雷達(dá)較新一代天氣雷達(dá)識(shí)別冰雹具有更好優(yōu)勢(shì)，可以為人工防雹作業(yè)提供科學(xué)的作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的。

3? ? 結(jié)論

對(duì)貴州春季一次強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明，X波段雙線偏振雷達(dá)首先能從水平反射率因子識(shí)別冰雹云，其次通過(guò)模糊邏輯算法得到的降水粒子類型能有效識(shí)別大冰雹、小冰雹和冰水混合區(qū)。通過(guò)降雹過(guò)程地面觀測(cè)資料與偏振雷達(dá)觀測(cè)資料比對(duì)，雙線偏振雷達(dá)識(shí)別出冰雹落區(qū)與實(shí)際降雹落區(qū)基本一致，而且具有一定時(shí)間提前量。因此，在開展人工防雹作業(yè)時(shí)，可以先利用新一代天氣雷達(dá)對(duì)冰雹云進(jìn)行提前預(yù)警，再利用雙線偏振雷達(dá)定點(diǎn)對(duì)目前區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，識(shí)別冰雹云，獲得精準(zhǔn)的作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位，從而為科學(xué)人工防雹作業(yè)提供支撐。

4? ? 參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)雪麗，周明飛，曾莉萍，等.貴州春季強(qiáng)冰雹天氣定量化概念模型研究及試應(yīng)用分析[J].貴州氣象，2017，41（2）：1-7.

[2] 周永水，汪超.貴州省冰雹的時(shí)空分布特征[J].貴州氣象，2009，33（6）：9-11.

[3] 張塞，范寶俊.中國(guó)災(zāi)害報(bào)告（1949—1995）[M].北京：統(tǒng)計(jì)出版社，1995.

[4] 王曉藝，蘇德斌.基于X波段雙線偏振雷達(dá)的冰雹云降水粒子識(shí)別研究[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，33（4）：383-390.

[5] 何宇翔，肖輝，呂達(dá)仁.利用極化雷達(dá)分析層狀云中水凝物粒子性狀分布[J].大氣科學(xué)，2010，34（1）：23-34.

[6] 劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)估測(cè)混合區(qū)降雨和降雹方法的理論研究[J].大氣科學(xué)，2002（6）：761-772.

[7] LIU H，CHADRASEKAR V.Classification of hydrometeors based on polarimetric Radar measurements：Development of fuzzy logic and neuro-fuzzy systems and in situ verification[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2000（17）：140-164.

[8] 曹俊武，劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)識(shí)別冰雹區(qū)方法研究[J].氣象，2006（6）：13-19.