鹽城市X波段全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)在探測(cè)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用

張昕 陳超★ 顧淏清 繆明榕 朱毅 孫正齊

（1.鹽城市氣象局，江蘇 鹽城 224005；2.鹽城市大豐區(qū)氣象局，江蘇 鹽城 224100；3.南通市氣象局，江蘇 南通 226001；4.南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京，211100）

0 引言

鹽城市X波段全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)現(xiàn)已建設(shè)完成鹽都、大豐、阜寧三部分，雷達(dá)采用全固態(tài)體制、大口徑天線(xiàn)、脈沖壓縮、恒溫控制等先進(jìn)技術(shù)[1-2]，整體布局上分為室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備兩部分。室外設(shè)備為雷達(dá)的天饋線(xiàn)系統(tǒng)[3]，包括天線(xiàn)罩、天線(xiàn)、天線(xiàn)座、外饋線(xiàn)系統(tǒng)；室內(nèi)設(shè)備為雷達(dá)機(jī)柜，包括1個(gè)綜合機(jī)柜及UPS、配電箱等。雷達(dá)室外設(shè)備安裝在雷達(dá)塔樓頂上，室內(nèi)部分安裝在雷達(dá)塔樓下方的主機(jī)房?jī)?nèi)，雷達(dá)探測(cè)的基數(shù)據(jù)在雷達(dá)站本地可看，也可以通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻?hù)終端，供異地實(shí)時(shí)查看雷達(dá)探測(cè)回波圖，回波數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送到產(chǎn)品顯示終端（PUPS）以供使用[4-5]。設(shè)備運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)生故障，顯示了雷達(dá)良好的穩(wěn)定性和可靠性，在中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮著重要作用。

1 案例分析

1.1 建湖縣收成村龍卷天氣

2021年8月20日17時(shí)至21時(shí)期間，江蘇淮安、鹽城多地發(fā)生雷暴大風(fēng)天氣，并伴隨有弱龍卷。其中，約在19點(diǎn)10至40分，超級(jí)單體途徑鹽城市建湖縣收成村（東經(jīng)119°39′51″，北緯33°26′52″），并在當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生弱龍卷。距離龍卷最近的S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)為鹽城雷達(dá)，距離為50千米（最低仰角觀測(cè)高度為600米）。最近的X波段雷達(dá)為鹽都雷達(dá)，距離為35千米（最低仰角觀測(cè)高度為400米）。

1.1.1 龍卷母體風(fēng)暴發(fā)展演變過(guò)程

從反射率看，鹽都X波段雷達(dá)與鹽城S波段雷達(dá)均很好地反映了龍卷母體風(fēng)暴的發(fā)展演變特征，如圖1和圖2中的黑色箭頭所示，超級(jí)單體風(fēng)暴尺度約30千米，在19點(diǎn)10分（北京時(shí)間，下同），超級(jí)單體出現(xiàn)典型勾狀回波特征及對(duì)應(yīng)龍卷TVS特征[6-7]。19點(diǎn)20分，超級(jí)單體進(jìn)一步增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)特征，其西南方向有明顯的勾狀回波特征[8]，對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)可見(jiàn)明顯的正負(fù)速度對(duì),其中X波段測(cè)量最大速度差為35m/s，S波段測(cè)量最大速度差為22m/s。相較于S波段雷達(dá)，由于X波段雷達(dá)波束寬度小（0.5°，S波段雷達(dá)為1°），庫(kù)長(zhǎng)短（60米，S波段雷達(dá)為250米），其采樣體積僅為S波段雷達(dá)的約1/16，即空間分辨率比S波段天氣雷達(dá)高約16倍，X波段雷達(dá)在小尺度天氣系統(tǒng)中可探測(cè)到更精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)極值[9]。

圖1 鹽都X 波段雷達(dá)（左列）及鹽城S 波段雷達(dá)（右列）回波演變，黑色箭頭指示龍卷母體風(fēng)暴位置

圖2 鹽都X 波段雷達(dá)（左列）及鹽城S 波段雷達(dá)（右列）徑向速度演變，黑色箭頭指示龍卷渦旋位置

從時(shí)間演變分析，本次龍卷單體過(guò)程最強(qiáng)時(shí)刻為19點(diǎn)20分，觀測(cè)最大徑向風(fēng)速超過(guò)20m/s（如圖3所示，鹽都X波段雷達(dá)0.6°，高度約600米），鹽城S波段雷達(dá)最低仰角為0.5°，同時(shí)距離較遠(yuǎn)，采樣體積較大，觀測(cè)到的最大風(fēng)力為14m/s。

1.1.2 龍卷風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征分析

取龍卷最強(qiáng)時(shí)刻19點(diǎn)20分對(duì)龍卷風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行細(xì)致分析，如圖3所示，龍卷的渦旋結(jié)構(gòu)在不同高度層表現(xiàn)出傾斜分裂的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[10]。由于龍卷的尺度較小，通常僅為百米級(jí)別，常規(guī)的低分辨率探測(cè)手段僅能探測(cè)其總體結(jié)構(gòu)特征，以SA雷達(dá)250米徑向分辨率、1°角度分辨率為例，1km距離在徑向上僅為4個(gè)庫(kù)，在50km探測(cè)距離時(shí)，1km距離在切向上不足3個(gè)庫(kù)。而X波段雷達(dá)徑向分辨率可達(dá)到60米，角度分辨率達(dá)到0.5°，1km距離在徑向上可達(dá)16個(gè)庫(kù)，在50km探測(cè)距離時(shí)，1km距離在切向上達(dá)到6個(gè)庫(kù)。對(duì)于龍卷渦旋，通常尺度為百米級(jí)，以1km2計(jì)，可探測(cè)96個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，有效辨別更為細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，采樣體積的減小有助于降低速度測(cè)量的誤差，更好地測(cè)量速度的極值。

圖3 鹽都X 波段雷達(dá)觀測(cè)的徑向速度剖面與龍卷形成機(jī)理示意圖

鹽城S波段雷達(dá)與鹽都X波段雷達(dá)均可觀測(cè)到龍卷渦旋結(jié)構(gòu)特征（TVS特征），相較于S波段雷達(dá)（15m/s），X波段雷達(dá)觀測(cè)到的速度與最大速度的差達(dá)到了30m/s。

在0.3°/0.6°仰角，鹽都X波段雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)到中氣旋和中反氣旋結(jié)構(gòu)，而鹽城S波段雷達(dá)只觀測(cè)到中氣旋結(jié)構(gòu)。這表明，X波段雷達(dá)對(duì)于S波段雷達(dá)在探測(cè)精細(xì)程度上有明顯的提升。

由中氣旋與中反氣旋中心的徑向速度垂直剖面可見(jiàn)，中氣旋中心高度為1km，最大速度差可達(dá)35m/s；中反氣旋中心高度為500m，最大速度差可達(dá)15m/s。這些特征表明，龍卷渦旋中除去氣旋性結(jié)構(gòu)特征外，同時(shí)存在下沉中反氣旋，這些結(jié)構(gòu)對(duì)于龍卷的形成和維持有重要作用。同時(shí)，X波段高空間分辨率雷達(dá)觀測(cè)到的微觀結(jié)構(gòu)與龍卷形成機(jī)理能夠較好地吻合。

1.1.3 龍卷偏振結(jié)構(gòu)特征分析

除反射率及徑向速度反映的龍卷渦旋特征（TVS）之外，雷達(dá)偏振量觀測(cè)同樣可以觀測(cè)到龍卷單體特有的特征結(jié)構(gòu)，例如龍卷殘骸特征（TDS）。如圖4所示，勾狀回波的位置通常伴隨較大的差分反射率，龍卷渦旋的中心位置（勾狀回波包圍的碎片區(qū)）則出現(xiàn)了較低且起伏的差分反射率和相關(guān)系數(shù)。這些特征反映了龍卷卷起的地面物體，相較于S波段雷達(dá)，X波段雷達(dá)由于其反射率更高，其偏振量結(jié)構(gòu)特征較為明顯。同時(shí)，由于X波段的衰減[11]，在風(fēng)暴的遠(yuǎn)端出現(xiàn)了部分負(fù)的差分反射率特征。

圖4 鹽都X 波段雷達(dá)（左列，0.6°仰角）及鹽城S 波段雷達(dá)（右列，0.5°仰角）的差分反射

1.2 鹽城大豐超級(jí)單體風(fēng)暴

2021年7月15日15時(shí)前后，鹽城大豐出現(xiàn)超級(jí)單體風(fēng)暴，并伴有大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。

1.2.1 超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展演變過(guò)程

從鹽都雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果可以看出：靠近雷達(dá)處存在一西北至東南走向的陣風(fēng)鋒系統(tǒng)，在陣風(fēng)鋒的觸發(fā)作用下，在大豐北部有對(duì)流單體開(kāi)始發(fā)展。之后，對(duì)流單體不斷發(fā)展加強(qiáng)，14點(diǎn)44分在單體前側(cè)的入流作用下出現(xiàn)“V”型缺口特征（圖5左）。鹽城S波段雷達(dá)同樣觀測(cè)到陣風(fēng)鋒以及超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)展演變過(guò)程（圖5右），但相較鹽都X波段雷達(dá)，鹽城雷達(dá)觀測(cè)的精度以及風(fēng)暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化程度都不及鹽都雷達(dá)。

圖5 鹽都雷達(dá)0.6°（左）與鹽城雷達(dá)0.5°（右）仰角反射率因子

1.2.2 偏振量與相態(tài)識(shí)別

從鹽都X波段雷達(dá)的偏振量觀測(cè)結(jié)果分析，在4km高度存在明顯的融化層；在4km高度以上，相關(guān)系數(shù)（CC）接近于1，差分反射率因子（Zdr）接近于0，差分傳播相移率（Kdp）小于0或接近于0，此時(shí)相態(tài)識(shí)別結(jié)果為低密度霰、高密度霰或冰雹；在4km以下靠近雷達(dá)一側(cè),CC接近于1，Zdr和Kdp為大值區(qū)，此時(shí)相態(tài)識(shí)別結(jié)果為雨或大滴；在4km以下遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)，CC值較小，Zdr和Kdp相較強(qiáng)降水區(qū)也都為小值區(qū)，Zdr由于衰減作用在遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)相態(tài)識(shí)別結(jié)果為冰雹、雨或大滴。

2 結(jié)論

從業(yè)務(wù)應(yīng)用效果來(lái)看，X波段雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流、大風(fēng)等災(zāi)害天氣復(fù)雜熱、動(dòng)力結(jié)構(gòu)的精細(xì)化觀測(cè)，顯著改善了業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。相較X波段雷達(dá)，鹽城S波段雷達(dá)的相態(tài)識(shí)別結(jié)果存在較多不合理的區(qū)域，如高層出現(xiàn)了大范圍雨區(qū)，0°層和-20°層間未識(shí)別出冰雹增長(zhǎng)區(qū)，這也表明鹽都X波段雷達(dá)偏振量的觀測(cè)質(zhì)量更高。在未來(lái)的業(yè)務(wù)運(yùn)行中，將繼續(xù)開(kāi)展S波段與X波段等多波段雷達(dá)的協(xié)同觀測(cè)，以期取得更好的預(yù)警預(yù)報(bào)效果。