天氣雷達層狀云降水中Z-R關系的優化與檢驗分析

曾培培 劉曉迎 杜明哲

摘 要：新一代天氣雷達聯合雨量站數據進行定量降水估測過程中，雷達回波強度和雨量站觀測值較好的匹配是準確擬合出[Z-R]關系的關鍵。普遍使用的[Z-R]關系式為[Z=300R1.4]。事實上，雷達反射率因子是由降水粒子譜分布決定的，不同的粒子譜分布會得到不同的雷達反射率因子。本文采用Parsivel激光雨滴譜儀，并聯合天氣雷達資料，分析南京區域層狀云降水過程，統計計算了南京地區當地新的[Z-R]關系，目的是提高南京地區雷達估測降水的準確度。

關鍵詞：[Z-R]關系;天氣雷達;檢驗

中圖分類號：P412.25 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0128-05

Abstract： In the quantitative precipitation estimation of the new generation weather radar combined with the rainfall station data， the better matching of the radar echo intensity and the rainfall station observation is the key to accurately fit the Z-R relationship.The commonly used Z-R relationship is as follows：[Z=300R1.4].In fact， the radar reflectivity factor is determined by the spectral distribution of the precipitation particles， and different particle spectral distributions will result in different radar reflectivity factors. In this paper， the Parsivel laser raindrop spectrometer and weather radar data were used to analyze the precipitation process of stratiform clouds in Nanjing area， and the new Z-R relationship in Nanjing area was calculated. The purpose was to improve the accuracy of radar precipitation estimation in Nanjing area.

Keywords： Z-R relationship;weather radar;test

1 雷達資料來源

文中選取兩臺雷達。一臺在南京溧水區五王山，是雙偏振多普勒天氣雷達，為S波段。其是由解放軍理工大學氣象海洋學院設置的，將其標記為雷達A，采用的數據是原始體掃的基數據。雷達A海拔高度為232m，經緯度為119.033°E，31.606°N，雷達波束寬度是0.94°，庫長500m，具有雙發雙收的功能。另一臺是來自南京江北龍王山的S波段多普勒天氣雷達，稱為雷達B，海拔高度為138.8m，經緯度為118.69°E，32.19°N，波束寬度0.95°，庫長1km。

雷達A掃描的最低波束在院內觀測點的上空大約700m，共掃描9層，最低仰角為0.5°，體掃一次需要8～10min，旋轉360°從最低仰角到最高仰角掃描，最低仰角掃描完成一次約1min，雨滴譜資料的時間分辨率也是1min。在資料對比分析時，以雷達資料的時間作為參照時間，雨滴譜來匹配雷達時間，并取1min作為時間平均的間隔。

在地球坐標系中，設置M點和N點，將其經緯度設置為[Mα1，β1]，[Nα2，β2]。N點相對于M點的距離[R0]和方位角[θ]分別為：

氣象學院與五王山雷達站的相對位置如圖1所示。圖中起點是氣象學院（118.819°E，31.972°N），為B點，A點是五王山雷達。將A點的經緯度代入公式（1），即可算出五王山雷達資料采樣點距氣象學院45.2km，方位角為334.0°。

2 降水云的分類

本文依據降水云團的結構對降水進行分類，將其分為對流性降雨、層狀云降雨以及混合型降雨。通過閾值法[2]來判斷降水云團的性質，當雷達體掃描產品中垂直最大回波強度小于38dBZ判定為層狀云降水，大于38dBZ判定為對流性降水。本文選用2016年5月20日至21日、2013年6月7日至8日、2013年7月5日的降水過程進行分類分析。

其中，2016年5月20日至21日降水，Parsivel所測雨滴譜時間序列圖如圖4所示。開始時間是2016年5月20日14：00，結束時間是2016年5月21日21：00，共31h，每個柱子表示當前時段的降水率，以20日14：00為第1小時。從圖4可以看出，降水率大的時次集中在20日14：00到19：00以及21日的時次。21日有2h數據缺測，分別為21日12：00和17：00。

圖5為2016年5月20日至21日4個時刻仰角為0.5°的第一層的多普勒雷達B的PPI圖，圖中的圓圈標注表示解放軍理工大學氣象學院位置。可見，20日的降雨系統從西南向東北方向移動，在下午14：00經過氣象學院。其中，圖5（a）為20日14：16的PPI圖，此時氣象學院的雷達回波強度大約為20dBZ;圖5（b）為20日16：14的PPI圖，此時氣象學院的雷達回波強度介于25～30dBZ;圖5（c）為20日21：44的PPI圖，此時氣象學院的雷達回波強度在30dBZ左右;圖5（d）為20日22：09的PPI圖，此時氣象學院的雷達回波強度介于30～35dBZ。四個時刻的雷達回波強度均小于38dBZ，根據閾值法可以判斷此次降水過程是層狀云降水。

依據這個降水類型分類法，進行層狀云與對流云的分類，并分別進行雷達[Z-R]關系的檢驗和優化工作。

3 雷達[Z-R]關系的優化和檢驗

對于不同過程、不同地點的[Z-R]關系，之前有學者做了研究，每個觀測點的[Z-R]關系擬合如表1[2]所示。

3.1 層狀云降水[Z-R]關系檢驗與優化

2013年6月7—8日的降水過程，主要影響系統是江淮氣旋，導致大氣具有不穩定的大氣層結。此外，動力條件充足，并伴有充沛的水汽條件。2016年5月19—21日的降水過程主要是受高原槽東移影響，影響江南、華南及貴州東南部等地，致其出現大到暴雨、局地大暴雨，同時伴有雷暴大風和短時強降水等強對流天氣現象。南京地區20日陣雨轉中雨，21日小到中雨。

6月8日的雷達反射率和雨強在雷達A的PPI上的顯示如圖6所示，分別為2013年6月8日11：17、11：24、11：49、12：11。圖右側是雷達反射率色標。從圖上可以看出，四個時刻雷達反射率最高為20～30dBZ。根據降水云分類可知是層狀云降水。

4 結論

①擬合南京地區層狀云降雨的[Z-R]關系式為：[Z=226R1.54]，與常用經驗[Z-R]關系相比，能夠更準確地估測南京地區降水。

②雷達的后向散射功率與降水粒子譜直接相關，但同樣的反射率因子所對應的雨滴譜卻千差萬別。因此，雷達估測雨強需要降水譜資料作為參考，確定云系的降水類型和特征，選擇合適的[Z-R]關系。

③按照降水類型劃分雨滴譜和雷達資料，將對流云降水和層狀云降水分別建立[Z-R]關系式可以更準確地估測雨強。

參考文獻：

[1] Kessler E . On the Distribution and Continuity of Water Substance in Atmospheric Circulations[J]. Meteorological Monographs，1969（32）：1-84.

[2]陳磊.2009—2010年江淮梅雨鋒暴雨雨滴譜特征的觀測分析[D].南京：南京信息工程大學，2011.

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[4]吳林林.利用雨滴譜對移動雙偏振雷達進行質量控制及降水估測[D].北京：中國氣象科學研究院，2014.

[5]俞小鼎.強對流天氣的多普勒天氣雷達探測和預警[J].氣象科技進展，2011（3）：31-41.