北京強對流天氣中X波段雙偏振雷達特征及應用

宋 歌，雷 蕾，馬建立，馬俊嶺

(1.北京市房山區氣象局，北京 102488；2.北京市氣象臺，北京 100089；3.北京市城市氣象研究院，北京 100089)

0 引言

北京地形復雜，夏季強對流天氣頻發，區域性暴雨、局地短時強降水、冰雹、雷暴、大風等災害性天氣，對城市運行、經濟社會發展以及人民生命財產安全產生嚴重威脅。夏季受西南季風北上影響，暴雨頻發，2012年“7·21”，房山區成為北京特大暴雨重災區，直接經濟損失61億元。2018年“8·11”，大安山鄉軍紅路受暴雨影響發生大規模塌方，落石方量約30 000 m3。此外，冷渦等天氣背景下，山區也經常受冰雹天氣的影響，對農業生產造成較大的危害。2016年“6·30”強冰雹造成北京西南部房山區農業受災面積0.5萬hm2，經濟損失達1.26億元。

目前在業務上，已有不少地區開始使用雙線偏振多普勒天氣雷達(以下簡稱“雙偏振雷達”)進行災害天氣的監測和預報、預警。與常規天氣雷達不同，雙偏振雷達能交替(或同時)發射和接收水平和垂直的偏振波，即采用單發雙收(或雙發雙收)模式，除常規天氣雷達的反射率因子(R)、徑向速度(V)以及速度譜寬基本參量外，能探測到更多的偏振參量，如差分反射率因子(ZDR)、相關系數(ρhv)、差傳播相移(?dp)以及差傳播相移率(KDP)。使用這些新的參量可以提高探測精度和識別冰雹的準確率，了解一定區域內降水粒子相態與形狀，確定雨滴譜參數等，并可將這些新物理量用于中小尺度云數值模式，提高預報時效及準確率。為提高北京地區災害性天氣監測的精細化水平，自2015年開始，北京市氣象局陸續在房山、昌平、順義、密云、通州、懷柔、門頭溝區建設了7部X波段雙偏振雷達，并建設了配套的組網應用系統。

目前國內外利用雙偏振雷達開展的研究主要集中在降水及云粒子相態識別[3-7]、強對流降水估測應用[8-10]、雙偏振雷達數據衰減訂正[11-13]、龍卷和冰雹等強對流過程觀測[14-16]等方面。北京地區的X波段雙偏振雷達投入使用時間不長，還未在短臨預報業務的應用中進行深入的分析總結。因此迫切需要研究它在對流性天氣中的特征，從而進一步提升災害性天氣臨近預報預警能力。

1 資料與方法

本文資料有：①鄉鎮信息員上報和測站冰雹記錄資料、房山區加密雨量站資料，用來篩選2018年冰雹、暴雨天氣過程。②北京房山X波段雙偏振雷達資料，包括ZDR、ρhv、KDP等。用來分析冰雹、強降水的觀測特征，總結在短臨預報、預警中可利用的信息。③北京觀象臺常規SA多普勒天氣雷達資料(以下簡稱“SA雷達”)。用來與雙偏振雷達觀測特征進行對比。北京房山X波段雷達站位于北京西南部，北京觀象臺SA雷達站位于北京南部，2站直線距離約27 km。

1.1 雙偏振雷達資料介紹

差分反射率因子(ZDR)：

ZDR=10lg(Zhh/Zvv)

(1)

式中Zhh和Zvv分別為水平偏振的雷達反射率因子和垂直偏振的雷達反射率因子。ZDR反映降水粒子偏離球形的情況，同時反映粒子群體在空間的取向情況，它的大小還與粒子的形態有關。雨滴呈扁旋轉的橢球，Zhh>Zvv，故ZDR>0；冰雹由于翻轉作用，總體效果接近球形，ZDR值在零值附近。

差分傳播相移(?dp)及差分傳播相移率(KDP)：

?dp=?hh-?vv

(2)

式中?hh和?vv分別表示水平及垂直偏振發射波通過相同長度的降水區后，散射回天線處的相位值。它的大小既與粒子形狀、相態、取向有關，也與通過降水區的長度有關。?dp經過降水區時，是單調累積遞增，當?dp增加到很大時，很難用其描述降水區的變化，因此需要引入KDP。設rm與rn是降水區中相鄰2個距離庫的中心離雷達的距離，?dp(rm)及?dp(rn)是從該2庫分別獲得的差分傳播相移，則KDP定義式：

(3)

式中，KDP反映降水粒子濃度和大小，以及降水粒子成分構成。

相關系數(ρpv)：指先后間隔1個脈沖周期T接收到的回波水平偏振分量與垂直偏振分量之間的相關程度。粒子的形狀和空間取向以及降水粒子的數量是影響其值的主要因素。

1.2 個例篩選

考慮到X波段雙偏振雷達探測距離短，以及衰減的影響，選取距離X波段雷達站較近的15次強對流天氣過程，包含3次冰雹天氣過程以及12次雨強>20 mm·h-1的強降雨過程。

2 強對流天氣X波段雙偏振雷達特征分析

2.1 冰雹天氣

6月30日冰雹天氣過程：受高空槽后冷空氣和切變線共同影響，6月30日北京房山區中部、西南部地區部分鄉鎮出現降雹，最大冰雹直徑1～2 cm。

15時前后在雷達站西南部有回波單體生成，快速加強發展并向東北方向移動，同時在其后側不斷有回波生成，前側回波強度不斷加強。此次冰雹強度強，且范圍較大，S波段雷達和X波段雷達的反射率因子和垂直累積液態水含量表現一致：在相同高度上，最大回波強度均大于65 dBz，且均有明顯的入流缺口特征(圖1)；垂直累積液態水含量均大于60 kg·m-2，回波頂高超過14 km，預示著出現冰雹的可能性很大。而X波段雷達的偏振參量表明， 2.4°仰角強回波對應的ZDR較小，為-1～3 dB，KDP為4～8 °·km-1，ρhv顯著降低為0.7～0.9(圖2)，由此結合反射率因子等信息，可判斷強回波區域有降雹，且在降雹時伴有降水。

圖1 2018年6月30日16時北京觀象臺SA雷達(1.5°仰角)和北京房山X波段雷達(3.4°仰角)反射率因子對比

圖2 2018年6月30日16時30分X波段雷達2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

從雙偏振雷達相態識別產品上看(圖3)，該強回波上空1～8 km內識別出大量小冰雹，其中2～6 km高度上識別出大冰雹，說明高空部分小雹在強上升氣流中不斷增長為大雹。此外，3 km以下識別出雨夾雹，1～2 km處識別出大冰雹，預示空中的大雹在下降，與地面降雹實況觀測較為吻合。近地面除了雨夾雹外還有大范圍的大雨區，對應雷達反射率因子強，自動站雨強大，張坊站15—16時降雨量達12.2 mm。綜合分析，X波段雙偏振雷達的豐富信息在6月30日這次過程中能很好地監測和預警地面可能出現的冰雹、強降水等多種災害性天氣，為預警的發布提供有效的可參考信息。

圖3 2018年6月30日16時30分X波段雷達相態識別剖面

6月13日冰雹天氣過程：在相同高度上X波段雷達最大回波強度較SA雷達偏強(與衰減訂正有關)。SA雷達1.5°仰角有入流缺口、有界弱回波區特征，但X波段雷達未表現出類似特征。X波段雷達垂直累積液態水含量達60～70 kg·m-2，明顯大于SA雷達的45～50 kg·m-2，2部雷達探測的強回波頂高均大于10 km。降雹時段X波段雷達2.4°仰角ZDR為負值；對應的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～5°·km-1。但是由于降雹區域靠近雷達的區域有較大范圍降水，造成嚴重的電磁衰減，因此ZDR出現大片小于-2 dB的失真區域；對應的ρhv和KDP也出現明顯虛假值，給判定降雹區域造成一定困難。

6月26日冰雹天氣過程：在相同高度上衰減訂正后的X波段雷達最大回波強度較SA雷達偏強約5 dBz。X波段雷達垂直累積液態水含量50～60 kg·m-2，較SA雷達35～40 kg·m-2明顯偏大。降雹區域X波段雷達2.4°仰角ZDR在-2～3 dB，對應的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～8°·km-1，偏振量較好地指示了降雹。此外，在ZDR和KDP取值較大的區域，對應地面有明顯降雨，自動站小時雨量>20 mm。

綜上3次冰雹天氣，X波段雷達反射率因子強度、垂直累積液態水含量(VIL)一般較SA雷達強度偏強。ZDR較小，接近0 dB，或在0 dB附近，有時為負值；ρhv也較低，在0.9左右。但是，如果在冰雹天氣中伴有強降雨，強回波附近ZDR和KDP取值較大。此外，由于強降水造成的電磁衰減也往往給冰雹判別造成困難。

2.2 強降雨天氣

以2018年1次強降雨過程為例，分析偏振參量的特征。受高空槽和副高外圍暖濕氣流的共同影響，7月15日夜間北京地區出現強降雨天氣，局地大暴雨，個別點達特大暴雨，最大降雨288.7 mm(北京東北部的密云區西白蓮峪站)，最大小時雨強也出現在該站，16日02—03時降雨117.0 mm(圖4)。

圖4 2018年7月15日20時—16日08時北京降雨量分布(單位：mm)

這次降水過程自北京西南部向北影響全市，因此X波段雷達能監測到降雨發生前和降雨初期的狀況。15日19時前后，有零散降雨回波在西南部生成，SA雷達1.5°仰角最大回波強度維持在55～60 dBz，X波段雷達在相同高度最大回波強度60～65 dBz(3.4°仰角)。23時前后，大范圍片狀降水回波從西南方向進入房山區，X波段雷達開始出現電磁衰減，強降雨區后部回波強度顯著偏弱，甚至出現完全遮擋的“V”型缺口空白區域(圖5)。02時降雨開始顯著加強，2.4°仰角的強降雨回波區，ZDR最大值大于3dB，KDP最大值大于8°·km-1，ρhv大于0.96，對應地面最大5 min雨強超過10 mm(圖6)。由于衰減，在強降雨回波后部出現ZDR負值、KDP接近0、ρhv小于0.9。

圖5 2018年7月16日01是30分X波段雷達(2.4°仰角)反射率因子

圖6 2018年7月16日02時06分X波段雷達2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

根據房山國家氣象觀測站雨滴譜觀測數據分析得知：在強降雨時段(16日03—04時，小時降水量19.5 mm)，雨滴直徑范圍在0～7 mm之間，粒子最大下落速度可達13 m·s-1，且雨滴直徑與下落速度呈現正相關的關系。03時00—05分，5 min降水量達到最大值7.6 mm。在這一時段(圖7)，直徑在0～3 mm范圍的粒子濃度最大。對比X波段雷達觀測資料進一步分析：根據X波段雷達波長，參考趙城城等[17]對大雨滴直徑的計算方法，將直徑在1.3 mm以上的雨滴定義為大雨滴。那么由圖7可見，這一時段的降雨中既存在大量的小雨滴，同時也有數量較多的直徑約1.3～3 mm的大雨滴，并且還有少量的直徑達4～7 mm的非常大的雨滴。ZDR的取值主要取決于采樣體積內降水粒子的直徑，研究表明[19-21]：直徑大于1.3 mm的雨滴對應的ZDR取值范圍在1.3 dB以上。從X波段雷達的觀測來看，03時前后，房山站附近ZDR取值約為1.5～2.0 dB，由此也可以判斷在此區域，降水粒子有大雨滴存在。此外，偏振參量KDP的取值與降水粒子的直徑與濃度均相關，而該時刻KDP可達6～7°·km-1，綜合雨滴譜的特征，判斷此區域濃度大的小雨滴和直徑大的大雨滴共同造成了地面的強降雨。

圖7 2018年7月16日03時05分房山站5 min雨滴譜觀測

此外，針對選取的12個強降水個例進行統計(表1)，相同高度上X波段雷達最大反射率因子強度也同樣較SA雷達略偏強。并且，當出現大范圍降水且降水強度較大時，X波段雷達探測方向上，在強降水的后方會發生嚴重衰減導致回波強度偏弱，甚至出現大片無回波區域(缺口)，分析時應結合SA雷達進行判斷。

表1 2018年強降雨個例SA雷達(1.5°仰角)與相同高度X波段雷達對比

此外，從X波段雷達偏振量統計來看(表2)，當5 min雨量接近10 mm時(雨強非常大)，2.4°仰角的ZDR值可達5 dB以上，KDP值達8°·km-1以上，ρhv一般大于0.95，有時高達0.99。因此，在短臨預警監測中，利用KDP的值，結合強反射率因子和比較大的ZDR，即可考慮發布分區暴雨藍色預警信號(1 h雨量超過30 mm)。

表2 2018年強降雨個例X波段雷達偏振量特征統計(2.4°仰角)

3 結論與討論

本文利用北京房山區單站X波段雙偏振雷達、觀象臺S波段常規天氣雷達探測產品，對2018年夏季北京15個強對流天氣過程進行回波特征對比分析，得到以下結論：

①雙偏振雷達相對于常規雷達來說在降水粒子識別上具有明顯優勢。臨近預報中可將反射率因子與偏振量結合使用進行強對流天氣類型的判別，使之成為冰雹、強降水等天氣監測和預報預警的強有力手段。

②X波段雷達監測時，若ZDR較小，接近0，有時為負值，ρhv明顯降低，約0.9左右，同時配合較高的反射率因子，可判別降雹。有時會出現較大的ZDR及KDP，結合ρhv降低，此時可能降雹的同時伴隨強降水。

③強降水X波段雷達反射率因子強度最大可達60～65 dBz，同時具有較大的ZDR和KDP。較低的高度上ZDR>5 dB，KDP>8°·km-1，ρhv達0.95以上，能夠較好地指示地面將發生5 min達10 mm以上的強降水，這一特征在分鐘雨強的估計和暴雨預警信號發布時具有非常好的參考價值。

④目前單部X波段雷達的反射率因子強度、垂直累積液態水含量等相比較SA天氣雷達探測強度偏強，并且在應用中也有很明顯的局限性：電磁波波束經過強降水區會發生衰減，致使探測路徑上強降水后部回波強度偏弱或缺失，嚴重影響對降水強度和持續時間的估計。此外，當較強降雨出現在距離雷達更近的區域時，偏振量會出現虛假值。但是，不可否認相比SA雷達，X波段雷達不僅能探測到邊界層的對流觸發，同時由于1個體掃時間短，在時效性上也具備一定優勢，能更早地發現對流單體的新生。因此，目前北京地區采用7部X波段雷達組網的方式，搭配使用原有的SA雷達，獲取較為準確的探測信息，從而在強對流天氣過程中及時準確地發布預報和預警。