一次爆炸事件的天氣雷達散射機理和回波特征分析

鄭鐘堯，魏 鳴，王 彥，傅 超

(1.滄州市氣象局，河北滄州 061001；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044；3.天津市氣象局，天津 300000)

多普勒天氣雷達是監測暴雨、颮線、臺風、冰雹等災害性天氣過程的重要探測手段，業務上主要將其應用于對以上災害性天氣的監測和預警，并用于定量估測大范圍降水、獲取大氣風場的信息以及數值預報模式資料同化的研究[1-2]。天氣雷達雖然主要用于降水天氣的監測，但也具有探測非降水回波的能力，例如在探測火情方面有爆炸回波和火情回波，可以提供動態演變信息，為災后調查提供數據支持。

當前針對火情的衛星監測研究較多，例如用NOAA、MODIS、FY等極軌衛星數據進行監測，具有覆蓋范圍廣、時間分辨率高的優勢[3]。有學者對幾種衛星系統監測技術進行對比，認為EOS/MODIS衛星系統對林火、沙塵等自然災害中的監測效果較好，監測精度和準確度較高[4-5]。王釗等利用MODIS系統監測的地表熱點數據，得到2001—2009年陜西省地表熱異常點的時空分布規律[6]。但衛星監測空間分辨率較低，受天氣狀況影響較大，對著火時長、實際著火面積、火災次數等指標的確定存在較大誤差[7]。

雷達對于在有效范圍內的單一或多個火點監測效果較好，可以作為監測火情的有效補充手段，國內已經有學者針對火情產生的雷達回波及散射機理做了一些分析。陳永林等[8]對2006年5月4日上海一次重大火災所產生的雷達回波進行分析，證明新一代天氣雷達處于降水模式下可以探測到火災煙團，并且雷達回波的發展與火災的生消一致；黃克慧等[9]對2007年發生在浙江省的10次不同規模的森林火災進行分析，發現火情產生的回波具有回波頂高度低、出現速度輻散對、回波強度有變化的特點。福建省自2011年起在龍巖開啟了新一代天氣雷達自動監測和森林火災預警技術研究及業務應用，經過幾年的不斷開發和改進，天氣雷達已成為福建地區監測、撲救森林火災的有效手段。張深壽等[10]認為在持續燃燒的晴空大氣中，溫度、氣壓和濕度變化劇烈，這種不均勻性產生了渦旋湍流，這是以高頻擾動渦旋為特征的有旋的三維運動，對大量的個例進行分析，得出林火判別的主要指標，并提出了對林火的人工監測流程。黃琴等[11]結合探空資料分析了大氣溫、壓、濕梯度造成折射指數分布不均以及背景風場引起的晴空回波，其散射機理與爆炸后期的散射機理相似。王威等[12]對岳陽市發生森林火災時的回波進行分析，同樣也驗證了多普勒天氣雷達監測火情的效果好。福建省氣象局將天氣雷達應用于監測突發爆炸事件，2015年4月6日晚福建省漳州市一家PX項目工廠發生爆炸，利用回波圖上的強度和速度特征，可以清晰地識別其中較大規模爆炸的結構演變。

由于爆炸本身屬于小概率突發事件，與此相關的深入機理研究和回波特征分析仍較少。本文為研究天氣雷達在探測爆炸燃燒事件中的回波特征和散射機理，以2015年8月12日23:30左右天津塘沽的重大爆炸事故為例，分析多普勒天氣雷達回波特征的演變，旨在揭示爆炸回波的形成機理，為業務應用提供更多的參考依據。

1 事件簡介

2015年8月12日23:30左右，天津市塘沽區一倉庫發生重大火災爆炸事故，事故造成165人遇難，8人失蹤，798人受傷[13]。距離最近的塘沽天氣雷達因爆炸受損停機，距離事故地點較近的多種雷達設備則迅速投入到監測任務中，其中距離事故發生地118 km的河北滄州多普勒天氣雷達觀測到了事故的爆炸回波演變。不過爆炸發生后近10個小時的大火燃燒沒有被滄州雷達探測到，分析認為后續燃燒的湍流衍射能量弱，加上受距離、高度和雷達探測靈敏度所限，所以難以被雷達探測到。

位于河北省滄州市的多普勒天氣雷達屬于CINRAD/SA型新一代天氣雷達，被置于VCP21降水模式下運行，由于事發時8月屬于汛期，按照業務要求，滄州雷達全天候運行不停機，全程監測到了此次爆炸。滄州雷達距離塘沽雷達約110 km，位置接近塘沽雷達的西南方，是距離事發地最近的一部雷達。

2 天氣雷達探測爆炸回波的原理

天氣雷達主要以探測降水回波為主，當雷達波束在大氣中傳播，遇到云滴、雨滴及冰晶等顆粒物會造成后向散射，隨粒子的相態和幾何形狀不同而有差異，通過分析雷達回波可以得到粒子的空間位置、強弱分布、移動速度以及相態類別等特征。大氣的動力、熱力和水汽分布不均勻產生的湍流團，雷達探測到這些湍流團在一定條件下通過湍流衍射可產生非降水回波。

爆炸和火災發生時，現場可被電磁極化的物質對雷達電磁波產生散射，爆炸后空氣湍流團的溫度、氣壓和濕度的強烈變化使大氣折射率的梯度增大，雷達可接收到回波信號。根據爆炸事件的演變，從爆炸初始階段到后期的濃煙階段，雷達回波具有不同的特征及形成機制，下面分別進行討論。

2.1 爆炸初始階段的回波形成機制

開始爆炸時，現場的庫房、儲物罐及各種碎片中含有金屬導電介質的物質，由于爆炸產生的巨大沖擊力會散布到空中，對雷達電磁波產生了散射，回波強度超過35 dBz，最強回波達到50～55 dBz。瑞利散射條件下，目標物對電磁波的雷達截面σ(又稱后向散射截面)公式[14]9-10為

(1)

其中，D為目標物(如爆炸后的碎屑)的直徑(單位：mm)，λ為雷達波長(單位：cm)， 當目標物的粒子直徑遠小于波長時(即滿足瑞利散射)時可以通過(1)式計算其后向散射截面。大氣折射指數n與散射目標的相對介電常數ε的關系[14]91-93為

(2)

散射目標的爆炸之初回波的形成機制：雷達電磁波探測到具有相對介電常數ε的爆炸碎屑時發生散射，即入射電磁波在介質內部傳播時產生極化，其后向散射能量被雷達接收。此階段雷達回波的形成機制符合粒子散射的規律，這些導電介質對于電磁波的散射比同體積降水粒子的散射能量強，所以回波較強。

2.2 爆炸發生后期的回波形成機制

當爆炸發生一段時間后，空氣中存在持續燃燒的濃煙，此時仍有雷達回波存在，但回波強度明顯弱于爆炸初始階段，這時的回波形成機制有兩類：(1)爆炸后煙云中懸浮的顆粒物如果可以被電磁波極化，仍會引起粒子散射；(2)當這些爆炸碎屑已經沉降到地面后，后期持續的弱回波是大氣溫度、氣壓和濕度的強不均勻引起的晴空湍流團對電磁波的湍流衍射，其回波形成機理如下[14]30-32。

湍流大氣的回波遵從Bragg定律，回波反射率η(單位：mm2)為

η=0.39Cn2λ-1/3。

(3)

其中λ是雷達波長(單位：cm)；Cn是大氣折射率的結構常數。分析上式可看出，湍流大氣對雷達電磁波的反射率η正比于大氣折射率結構常數Cn，且與雷達波長λ的-1/3次冪成正比。使用量綱分析，并從大氣流體運動方程出發，得出結構常數Cn的關系式為

Cn=a2L04/3M2。

(4)

式中L0是湍流外尺度(單位：km)；M是水平折射率的垂直梯度(單位：m-1)；a是無量綱常數。

水平折射率的垂直梯度用M表示為

(5)

當電磁波在大氣中傳播時，大氣折射指數n與溫度、氣壓和濕度各要素之間的關系式為

(6)

其中，N=(n-1)106是大氣折射指數的實際應用單位，表示折射指數的變化，簡稱折射指數N單位；T是大氣溫度(單位：K)；P是氣壓(單位：hPa)；e是水汽壓(單位：hPa)。分析(6)式可知，n與P和e成正比，與T成反比。

湍流大氣對雷達電磁波衍射的物理實質是：不同尺度的湍塊相當于具有不同間距的空間衍射光柵，而不同間距的衍射光柵對于不同散射角上的散射能量有明顯的貢獻，也即恰巧可以在該方向上形成衍射的“亮點”。根據光學中Bragg定律，當雷達發射電磁波并接收目標物的后向散射時，能在后向方向上產生衍射“亮點”的有效湍流團尺度d[15](單位：cm)為

(7)

即只有湍流團尺度等于半個波長的衍射能量才能夠被雷達探測到。滄州S波段多普勒天氣雷達的波長是10.7 cm，可探測到尺度大約為5.35 cm的燃燒湍流團。因此，爆炸后期持續燃燒的階段，大氣存在著溫度、氣壓和濕度各要素的劇烈變化，產生的湍流團使大氣折射率及大氣結構常數分布不均，從而產生湍流大氣的衍射回波，此階段回波形成機制不同于粒子散射，回波強度相對較弱。分析公式(3)～(7)可知，不同于粒子散射的強弱主要與粒子尺度有關，湍流團衍射的強弱主要是與水平折射率n的垂直梯度M有關，且存在符合雷達半波長的湍流團。

3 爆炸回波特征

滄州雷達海拔高度為0.112 km，距離事發地約110 km，根據雷達測高公式計算可得，雷達在0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角上的最低可探測高度分別為1.78 km、3.7 km、5.43 km、7.35 km。在事故初始階段，爆炸產生的熱對流足夠高，這四個仰角的PPI圖上均體現有爆炸特征的回波。

圖1是滄州多普勒天氣雷達探測到的塘沽爆炸回波。爆炸發生于12日23:34，爆炸前事故發生地處于起火狀態(圖1圈出位置為事故發生地，距離滄州雷達118 km，方位角44°)。從12日23:36時次0.5°仰角的強度圖上可以看到事故地點突然出現的強回波，強度可達50 dBz，且水平尺度非常小，前一時次該位置還沒有任何異?；夭?。這一點與氣象回波有所區分，氣象產生的強回波即使尺度較小，但一般在時序圖上能觀察到強度由弱變強的過程。此后時次這個位置附近的回波強度逐漸變弱，強回波向偏東方向移動，到00:36時，即事故發生后一個小時，回波強度最高為30 dBz，回波面積變大。說明隨著時間推移，爆炸產生的火情影響范圍在擴大，并且受沖擊波和風向共同影響向東南方擴散。13日凌晨01:36回波基本消失，回波持續了2 h。低層5～10 dBz的弱回波是環境背景的晴空湍流回波。

圖1 2015-08-12 0.5°仰角滄州多普勒天氣雷達回波圖(圈出位置為事故發生地)(a.12日23:36；b.13日00:06；c.13日00:36；d.13日01:06)

圖2是23:36和23:42兩個時次仰角分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°的回波強度圖。23:36時次的0.5°仰角回波強度最強(達到50 dBz)，2.4°仰角時雷達可探測到的高度為5.9 km，回波強度為35 dBz。由于這個高度上已經沒有背景場的晴空湍流弱回波，周圍沒有其他雜波干擾，抬高雷達仰角時爆炸的孤立回波很明顯。23:42時0.5°仰角回波為40 dBz，范圍較之前增大，抬高仰角到3.4°時這兩個時次的回波仍清晰可見，也可說明爆炸回波的高度足夠高。觀察之后的時次，高層2.4°仰角的回波直到持續到13日00時才逐漸消失。 此階段為爆炸現場空中物質中的導電介質對雷達電磁波的強散射，屬于粒子散射，回波強度較強，穩定少動。

圖2 2015-08-12T23:36(a)和T23:48(b)爆炸回波多仰角圖

爆炸回波在徑向速度和譜寬圖上也有明顯特征，圖3選取了爆炸初始階段23:36和23:48的徑向速度(0.5°)和譜寬(1.5°)。速度圖上初始時刻23:36爆炸區域特征不太明顯，但后續時刻暖色調速度區面積不斷增大。雖然徑向速度值較小但仍然可以區分出來，呈輻散特征(圖3中用藍色圓圈標出)。譜寬反映采樣體積內粒子的多普勒速度偏離整體平均值的平均程度，可提供由于風切變、湍流和采樣體積內平均徑向速度方差的觀測[16]。23:36，0.5°仰角爆炸地點譜寬值不明顯，觀察時易被忽略，而同時刻1.5°仰角譜寬值達到12 m/s，較周圍強烈，譜寬是采樣體積中的速度脈動，爆炸對周圍大氣產生了熱力梯度和氣壓梯度，產生了12 m/s的少見大譜寬值，可以反映出爆炸氣流后大氣中的劇烈擾動。下面對比同時刻的速度和譜寬圖，以分析爆炸后大氣氣流結構的演變。

圖3 2015-08-12 0.5°仰角徑向速度圖(a.23:36;b.23:48)和1.5°仰角譜寬圖(c.23:36;d:23:48)(藍色圓圈中為事故發生地)

為了看到爆炸后大氣垂直方向上的回波特征，對23:36和23:42兩個時次做了反射率因子剖面圖(圖4)。圖4中紅色箭頭方向代表剖線位置，可以看出，23:36 45 dBz的強回波接近3 km高度，此時處于爆炸初始階段，爆炸發生時在極短時間內爆發出巨大能量，垂直剖面圖上有典型蘑菇云狀熱對流柱特征。6 min之后的23:42回波強度迅速減弱且高度降低，此時已經過渡到大氣湍流團的湍流衍射。

圖4 2015-08-12T23:36(圖a)和T23:42(圖b)反射率因子的PPI和RCS(直線代表剖線位置)

綜合以上資料分析，回波的生消演變與爆炸的過程及特征相符。由時間、地點、強度和速度特征的吻合可以推斷雷達回波的確反映了爆炸的真實情況，回波資料可信。由于爆炸大多是一瞬間的事故，通過雷達回波能夠分析爆炸發生的次數、強弱以及影響范圍等信息，可以作為一種輔助手段為災后的調查研究提供數據支持。

4 結果與討論

(1)此次爆炸回波的特征可以概括為以下幾點。①爆炸發生后的短時間內雷達回波強度突然增強，最強達到50 dBz。爆炸區域呈正的徑向速度，隨后附近西南方向出現了另一個正速度區，呈輻散特征。②爆炸產生的回波有別于氣象回波，呈現水平尺度小、突然出現且強度較大的特點。結合速度和譜寬圖也能觀察到相應地點有回波像素變化。③將雷達的強度、速度、譜寬以及垂直結構圖與爆炸過程相比較，可以看出雷達回波的孤立回波特征與爆炸過程相一致。④對爆炸區域的反射率因子做垂直剖面圖RCS能看到回波高度和強度突增，有熱對流柱特點，符合爆炸的蘑菇云特征。用回波分析爆炸有較強的可信度。

(2)通過爆炸事件的回波演變，研究了爆炸燃燒不同階段的散射機制。爆炸發生前期回波的主要形成機制是導電介質粒子對電磁波的散射，此階段回波會突然加強；爆炸發生后期回波的形成機制有兩類，一類仍有空中顆粒物的粒子散射，另一類是由于大氣溫度、氣壓、濕度的劇烈變化而產生的湍流衍射，此階段的回波強度明顯弱于前期，識別時可以配合回波強度、徑向速度和譜寬分析。

(3)由于爆炸點范圍相對于多普勒天氣雷達整個探測范圍較小，且強回波持續時間較短，在識別時容易將其與常規降水回波或普通雜波混淆。針對不同地點，雷達所能探測到的煙團高度不同，距離越遠，雷達探測能力越弱，具體應用時還需結合當地實際情況來分析判斷。