雙偏振雷達偏振參量產品在寧波的初步釋用

李 云 沃偉峰 方艷瑩

(寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

新一代多普勒天氣雷達不僅能探測氣象目標的位置和強度,還能探測目標的徑向速度和速度譜寬,得到大氣風場信息，對短臨天氣尤其是對突發性強對流天氣如雷暴、短時強降水、龍卷、下擊暴流等災害性天氣的監測預警發揮了重要作用,是防災減災氣象保障必不可少的工具[1]。但新一代多普勒天氣雷達只發射和接收水平偏振電磁波,對降水系統內部水凝物粒子相態的識別能力和對降水的估測能力非常有限。具有雙線偏振功能的多普勒天氣雷達可以同時發射水平和垂直方向的電磁波,可探測水平偏振反射率因子ZH、差分反射率ZDR、相關系數CC、差分傳播相移率KDP等與降水粒子類型、形狀和分布等要素密切相關的參數,對降水粒子的相態識別、空間分布、降水估測等都有較好的指示意義[2-3]。雙偏振天氣雷達是新一代天氣雷達的發展趨勢,自2011年至2014年底美國完成了其境內158部WSR-88D多普勒天氣雷達的雙偏振功能升級改造[3],我國近年來也逐漸開展了雙偏振雷達的升級改造工程。2019年2月寧波新一代多普勒天氣雷達升級改造完成并投入應用,分辨率達到250 m,采用業務應用廣泛的雙發雙收(SHV)模式,利用模糊邏輯算法，對強對流降水粒子進行相態識別。

由于S波段雙偏振多普勒天氣雷達在我國業務應用不久,對其偏振參量產品的研究應用還處于初始階段,尤其是一線業務人員對其認識還較少。本文通過介紹雙偏振雷達的主要偏振參量產品以及已有的研究成果,并利用寧波雙偏振雷達探測資料，分別對一次強對流過程和熱帶氣旋的降水過程，進行降水粒子相態識別以及強度分析等應用研究,為業務人員在開展雙偏振多普勒天氣雷達應用方面，提供一些參考和幫助。

1 差分反射率ZDR

偏振雷達的偏振(或極化)是指電磁波在傳播時其電場的振動方向,電場在水平方向振動的稱為水平偏振波,在垂直方向振動的稱為垂直偏振波,常規天氣雷達只發射一種偏振波即水平偏振波,雙偏振雷達可同時發射水平和垂直兩種電磁波。在實際中粒子并非總是球形,反射率在不同極化方向上會產生差異,差分反射率ZDR就是用來描述雷達水平和垂直反射率因子的差別,計算公式為:

(1)

其中ZH是水平偏振的反射率因子,Zv是垂直偏振的反射率因子。差分反射率ZDR表達了一個探測空間體(距離庫)平均的粒子形狀,ZDR大小與粒子的尺寸和軸比(粒子的半短軸和半長軸的比率,表示扁平率)有關,ZDR單位為dB,典型取值范圍為-2～6 dB[4]。

研究表明[3]，粒子直徑大于1 mm的雨滴都是非球形的,可以近似為扁球體,雨滴越大越扁。小雨滴近似于球形,ZH≈ZV,ZDR接近于0;大雨滴的ZH>ZV,ZDR>0,雨滴越大,ZDR越大。理論上對S波段雷達而言，當雨滴直徑分別為2 mm、4 mm、6 mm時,對應的ZDR值分別為0.5 dB、2.1 dB和3.8 dB;大氣中豎向橢圓形的冰晶ZH

通過寧波雙偏振雷達2019年以來的多次過程應用發現,結合反射率因子后，差分反射率ZDR可以有效識別粒子的相態和尺寸。圖1為2019年3月21日11∶02(北京時,下同)強對流的0.5°仰角反射率因子和偏振參量回波圖。由圖1a可見，在風暴單體中心出現了ZH>60 dBZ的強反射率因子核心(圖1a中白色方框區域),對應差分反射率(圖1c)，在ZDR大值中出現了ZDR的較小值,尤其是在65 dBZ以上的區域,ZDR為0～-1.4 dB,說明此處出現了冰雹,且冰雹的周圍是大雨區,實測此地出現了直徑1～2 cm的冰雹。在風暴單體的外圍ZH<35 dBZ的區域(如黑色方框包圍區域),ZDR值在-0.3～1 dB之間,說明粒子較接近球形,為小雨滴區,但每一個小雨滴并不為完全的球形,有的ZDR值略小于0;在風暴反射率因子>35 dBZ的區域,ZDR普遍出現了1 dB以上的值,說明對流風暴主體部分雨滴較大,同時在核心區的前側，ZDR值最大達到了4～5 dB,說明在風暴單體的前側出現了大雨滴,此處大雨滴的形成是粒子大小篩選和長時間增長的結果[3]。

圖1 2019年3月21日11∶02強對流的0.5°仰角反射率因子和偏振參量回波圖(a.ZH、b.KDP、c.ZDR、d.CC)

圖2為2019年10月1日14∶54 1918號臺風“米娜”的0.5°仰角反射率因子和偏振參量圖(此時“米娜”中心位于寧波雷達東南130 km附近,7級風圈半徑為200～330 km)。圖2a中反射率因子強度多在35～50 dBZ之間,但差分反射率ZDR值(圖2b)非常小,均在-0.5～1 dB之間,在2019年其他的熱帶氣旋降水中，也都顯示存在如此特征(圖略),說明熱帶氣旋基本是由小于等于2 mm的小雨滴組成,這是熱帶降水的一個典型特征,可能是由于缺少冰相的增長過程造成的[3]。

圖2 2019年10月1日14∶54 1918號臺風“米娜”的0.5°仰角反射率因子和偏振參量圖(a.ZH、b.ZDR、c.KDP、d.CC)

另外，ZDR也可以用來識別對流風暴中的上升氣流位置。在強的上升氣流區,雨滴會被上升氣流帶到0 ℃層以上,產生過冷水滴,過冷水滴的ZDR仍為正值,就會在0 ℃層以上ZDR為0或負值的區域出現正的ZDR值,同時可以在風暴單體中觀測到正的ZDR呈垂直柱狀分布,也就是ZDR柱[5，8-9],正的ZDR頂端可以延伸到0 ℃層以上1～2 km,ZDR柱常出現在風暴發展達到成熟階段前。圖3為2019年3月21日9∶49強對流1.5°仰角差分反射率ZDR圖和沿風暴移動方向的ZDR垂直剖面。由圖3a可知，在1.5°仰角(4.3 km左右高度)仍有ZDR的大值區,最大值達4.19 dB,從ZDR垂直剖面圖(圖3b)可知1 dB值伸展到了5.5 km高度(約-10 ℃層高度),結合反射率因子(圖略)可知，此ZDR柱剛好位于風暴單體前側入流區。

圖3 a.2019年3月21日9∶49強對流的1.5°仰角差分反射率ZDR圖、b.沿風暴移動方向的ZDR垂直剖面

2 相關系數CC

相關系數CC用來描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度,可用于區分降水和非降水、數據質量改善以及雷達取樣體內水凝物粒子的均勻性識別,取值范圍為0～1.00[4]。相關系數CC與取樣體中降水粒子的均質性密切相關,均質性越好,相關系數越大,可用來判斷水凝物相態的均一性。如果取樣體只包含雨或雪,則CC值接近1,如果取樣體既包含雨滴又包含冰雹,則相關系數會明顯降低。對于S波段雷達來說,尺寸較大的干冰雹CC值常小于0.85,干的小冰雹CC值在0.9～0.95之間,濕冰雹CC值在0.9～0.96之間。CC常常受到地物雜波和旁瓣回波的影響,非氣象目標CC值較低,值得注意的是由于衰減,在強降水的后側，CC會出現明顯的低值。同時，在反射率因子小于20 dBZ以及波速展寬在長距離后,CC會出現不可靠值[3]。

如圖1 d所示，在強對流單體核心區外圍,相關系數基本為接近1的值,說明此處為相態均一的液態降水回波。在風暴核心區,在ZH大、ZDR<0的區域,CC值出現了下降,在0.85～0.95之間,說明出現了干的小冰雹。同時在白色方框的前側、風暴的V形缺口處,出現了CC值小于0.7的低值區,說明此處為非氣象回波,可能是強上升氣流夾卷的碎片造成的粒子隨機取向,引起了隨機散射相位差異。在“米娜”臺風降水中，整個觀測范圍相關系數CC值均為1,說明為相態均一的液態降水回波區(圖2 d)。

相關系數CC和差分反射率ZDR還可以用來識別融化層,尤其是在中高仰角。當高空的冰晶、雪花和軟雹下降到0 ℃層附近時，表面會發生融化,在融化過程中,液態水的相對增加導致介電常數的增大,對電磁波的反射能力增大,這導致雷達反射率、差分反射率增大。同時，融化層附近既包含固態的冰晶、雪花，也包含液態的雨滴和外包水膜的固態粒子,相關系數CC會明顯減小,出現一個CC低值環區,融化層以下轉為以液態雨滴為主,CC又增大。如圖4a所示,2019年3月21日上午在雷達站周圍2.9～3.6 km高度附近出現了CC低值環,環內為相態均一的降雨,環外為固態的冰晶、雪花或霰粒子(軟雹),CC值都接近1。如圖4b所示，在同樣高度上，出現了明顯的ZDR環狀大值區；在此環狀高度以上,為ZDR<0的負值區,表明此處為球形或縱向橢圓形的冰晶、雪花、霰粒子或干冰雹。環狀大值區的出現，說明此處固態的冰晶、雪花或冰雹開始融化,出現外包水膜,ZDR增大。從圖4可知,對融化層的識別，采用相關系數CC，比采用差分反射率ZDR更清晰,這是由于融化層下雨滴會產生ZDR正值。另外，ZH、CC和ZDR相互配合，也可以用來識別雨雪相態轉換。

圖4 2019年3月21日上午融化層識別(a.CC、b.ZDR)

3 差分傳播相移率KDP

在雨中水平極化的電磁波相比垂直極化的要慢一點,不同極化方向上的傳播路徑存在相位差,用?DP表示,?DP與粒子的形狀和密度有關,當粒子為圓球形時，?DP=0,當粒子為橫橢圓形時，?DP>0;當粒子成豎橢圓形時，?DP<0;?DP還與粒子的密度有關,同一探測區域內粒子的密度越大,?DP值越大。差分傳播相移率KDP指水平偏振和垂直偏振脈沖沿著某一段傳播路徑的相位差與路徑長度之比。KDP的計算公式為:

(2)

式中,r1和r2分別為測量點1和測量點2與雷達的距離,KDP是單位距離的?DP,一般典型取值范圍是-0.5～8°/km[4]。KDP對冰雹和波速阻擋不敏感,與降水率線性相關,可以用來估測降水,KDP正值越大,扁平粒子越多,降水量越大。理論上,當雨滴直徑小于4 mm時,KDP的值幾乎是0;只有當雨滴直徑大于4 mm時,KDP隨著雨滴直徑的增加而明顯增加,同時降雨強度越大,KDP越大。干冰雹的KDP較小,接近0或是負值,通常在-0.5～0.5°/km之間,大的冰雹KDP波動很大,有時不能獲得符合質量控制的KDP值,S波段多普勒雷達當CC<0.80時,不計算KDP,KDP會出現缺值;另外對于S波段雷達,直徑較小的濕冰雹，KDP值會出現很大的正值[4]。

圖5為2019年3月21日10∶12和11∶02反射率因子ZH及差分傳播相移率KDP圖。在反射率因子ZH<35 dBZ的區域(圖5a、5c中黑色方框),KDP在-0.1～0.1°/km之間(圖5b、5d中黑色方框),說明此處雨滴為小雨滴且雨強較小。在接近風暴核心區,隨著反射率因子的增大,KDP逐漸增大,在ZH>40 dBZ以上區域，出現KDP>0.5°/km的值,在50 dBZ以上區域,出現KDP>1°/km的值,說明出現大雨滴且雨強較大。10∶12和11∶02在風暴的核心區，0.5°仰角最強反射率因子高達71 dBZ(圖5a、5c),兩個時刻還分別出現了三體散射和旁瓣回波,據此可判斷應有2 cm以上的大冰雹出現,但從圖5b可知,10∶12在反射率大于等于65 dBZ的區域,出現了KDP>5°/km的明顯偏大的KDP值,最大達到11.2°/km,說明此時這個中心是大量密集的直徑小于12 mm的濕冰雹,且伴有強降水,這與實況相符,信息員報告出現了1 cm以下的冰雹,附近測站分鐘雨強達2.7 mm。11∶02雖然反射率因子強度和形狀與10∶12的相似,但從KDP來看，強核心區南側出現了KDP的空缺(圖5 d),且核心區KDP極大值為5.2°/km,明顯小于10∶12的核心值,結合ZDR和CC可知，此處以干冰雹為主,雨強較10∶12的減小，強降水范圍較10∶12的縮小,附近測站降水分鐘雨強為0.7 mm。這表明KDP可以幫助識別區分干濕冰雹和強降水。

圖5 2019年3月21日10∶12和11∶02反射率因子ZH及差分傳播相移率KDP圖(a.10∶12 ZH、b.10∶12 KDP、c.11∶02 ZH、d.11∶02 KDP)

在1918號臺風“米娜”的降水中,從差分反射率ZDR可知，熱帶氣旋降水粒子尺寸較小(圖2b),從KDP來看(圖2c),也驗證了這一點。在ZH<40 dBZ的區域，差分傳播相移率KDP<0.2°/km,說明雨滴和雨強都很小；但在ZH>40 dBZ以上的區域,雖然ZDR仍然較小,但KDP值卻明顯增大,達到0.5°/km以上；在ZH達到45～50 dBZ的區域,ZDR<1 dB,但此處KDP值達到了0.5～1.4°/km,附近鎮海站出現了39.3 mm/h的強降水,說明在這個區域雖然粒子尺寸較小,但是粒子密度較大,仍會產生較強的降水回波。這表明KDP在估測強降水時可以單獨作為判據使用,但需注意KDP在降水超過一定量時才能較好地發揮作用,對于大雨以下的識別作用不太明顯。

4 結 語

(1)在實際應用過程中,將不同仰角ZDR和反射率因子進行同步對比分析,對于降水粒子相態和尺寸的識別,具有較好的應用效果。當降水粒子為液態時,差分反射率因子ZDR與降水粒子的尺寸有較好的對應關系,雨滴越大,ZDR越大,在熱帶氣旋降水中，ZDR值較小,顯示粒子尺寸較小;采用ZDR結合水平反射率因子ZH，可以識別冰雹區,ZDR小(≤0 dB)、ZH強(≥55 dBZ),是冰雹的典型特征;同時，ZDR也可以用來識別上升氣流的位置。

(2)相關系數CC主要反映同一個距離庫內粒子相態的均一性,當降水粒子為一致的液態(雨)或固態(干雪、冰晶或霰粒子)時,CC值接近1;CC可以用來識別融化層(雨雪混合相態,CC值會降低),當出現干的小冰雹時，CC值通常為0.90～0.95,大冰雹CC值通常小于0.85。注意單獨使用CC特征圖無法判斷降水物的具體相態,需要結合基本反射率因子、ZDR等其他產品，CC才能較好地發揮作用。

(3)差分傳播相移率KDP與降水強度有關,KDP越大,雨強越大,KDP大值區可以為強降水的落區提供判別依據,使預報更精準;當出現干冰雹時，KDP的值接近0或是負值,當相關系數CC<0.8時,KDP常出現空缺,這一特征可以用來識別大冰雹。當反射率因子ZH<40 dBZ時,KDP的值都較小,可分辨性較弱,單獨使用的效果并不明顯。

(4)值得關注的是當冰雹在下降過程中未完全融化、具有外包水膜時，由于介電常數,ZDR和KDP會呈現較大的值,其中ZDR可以達到3 dB以上,KDP可以達到7～11°/km以上。

綜上所述,雙偏振天氣雷達可以很好地描述粒子的尺寸、降水強度以及識別降水粒子的類型,尤其對冰雹區的探測、預警以及強降水的估測，比常規多普勒雷達有明顯的提高。在使用過程中，要結合反射率因子強度以及多種偏振參量一起使用,才能更好地體現雙偏振雷達的真正價值。