陳星登，郭澤勇，張弘豪，陳時(shí)東，殷宏南

(1.陽江市海陵試驗(yàn)區(qū)氣象局，廣東 陽江 529500；2.陽江市氣象局，廣東 陽江 529500；3.陽春市氣象局，廣東 陽春 529600)

引言

雙偏振雷達(dá)與單偏振多普勒天氣雷達(dá)相比可獲得目標(biāo)物的更多信息，不僅能同樣獲取到氣象目標(biāo)物的回波強(qiáng)度Z、平均徑向速度V 等信息，還能獲得差分反射率因子ZDR、差分傳播相移率KDP、相關(guān)系數(shù)CC 等新的偏振參數(shù)［1-8］。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，對(duì)雙偏振參數(shù)特征值進(jìn)行細(xì)致分析與運(yùn)算，可以識(shí)別降水類型和降水粒子的相態(tài)分布，這將大大提高對(duì)對(duì)流性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，因此雙偏振雷達(dá)是未來天氣雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，研究雙偏振雷達(dá)在不同強(qiáng)度云系的特征具有重要的應(yīng)用意義［9-10］。陽江新一代天氣雷CINRAD/SA 于2016 年初完成雙偏振雷達(dá)升級(jí)改造并投入業(yè)務(wù)使用，是國(guó)內(nèi)首批業(yè)務(wù)化應(yīng)用的雙偏振雷達(dá)。本文利用陽江雙偏振雷達(dá)對(duì)3 種不同強(qiáng)度云系的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同強(qiáng)度云系中雙偏振參量的特征差異進(jìn)行分析研究，為區(qū)分不同的降水系統(tǒng)，進(jìn)行雷達(dá)質(zhì)量控制，以及短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、相關(guān)預(yù)警等業(yè)務(wù)提供更多技術(shù)支撐。

1 天氣過程及數(shù)據(jù)選取

選取2020 年3 月4 日一次層云降雨過程、2018年5 月9 日大暴雨過程以及2020 年3 月27 日一次冰雹過程共3 種不同強(qiáng)度的天氣過程(表1)作為研究對(duì)象，資料數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)的陽江S 波段雙偏振雷達(dá)基數(shù)據(jù)，包括反射率因子 (ZH)、差分反射率因子(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)、差分相移(ΦDP)和差分相移率(KDP)等。

表1 天氣過程選取

2 三種不同強(qiáng)度云系的雙偏振特征分析

為更好地對(duì)比分析三種不同降水云系的雙偏振參數(shù)特征，應(yīng)對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量控制：所選取的三個(gè)過程距離雷達(dá)站點(diǎn)較近，選用較高仰角(如1.5 度以上)，這樣可有效為避免地物雜波以及零度層亮帶等非降水目標(biāo)物的影響；其中信噪比SNR對(duì)雙偏振參數(shù)影響很大，特別是ZDR與SNR 大小密切相關(guān)，對(duì)回波信號(hào)采用低信噪比剔除的方法［11］；雜波信號(hào)的ΦDP紋理特征明顯，可據(jù)此進(jìn)行剔除［12］。

2.1 層狀云雙偏振特征分析

圖1 為層狀云降雨過程中1.5°仰角的雙偏振產(chǎn)品(圖中“*”標(biāo)記雷達(dá)站點(diǎn)位置)。ZH基本都在35dBz以下，對(duì)應(yīng)ZDR接近于0，但距雷達(dá)較遠(yuǎn)形成一圈ZDR高值區(qū)，這是受融化層影響所致。CC 大于0.95，接近于1.0，KDP接近于0，屬于典型的層云降水過程［13］。

圖1 層云雙偏振產(chǎn)品

根據(jù)層云回波范圍、融化層高度等參數(shù)，為避免0℃層亮帶、地物雜波等非氣象信號(hào)的影響，選取了1.5°仰角，全部徑向的20km～100km (距離庫100-400)，計(jì)算了ZH-ZDR、ZH-KDP散點(diǎn)圖(圖中紅色曲線為所有散點(diǎn)對(duì)應(yīng)反射率ZDR、KDP的平均值變化曲線)。如圖2 所示，當(dāng)ZH＜25dBZ 時(shí)，ZDR平均值接近0，當(dāng)ZH＞25dBZ，ZDR隨ZH增大而在0～2dB 之間呈遞增趨勢(shì)；整體上層云回波KDP值比較小，變化也不大，集中在0 值附近。由差分相移和反射率因子距離廓線圖也可以看出(圖2c)，層云降水ΦDP波動(dòng)小，沿著徑向方向與初始相位保持一致，近距離處較大的ΦDP波動(dòng)是由于受地物影響所致，觀測(cè)結(jié)果與張羽等［13］的研究較為一致。

圖2 層云雙偏振特征

2.2 非降雹對(duì)流云雙偏振特征分析

圖3 為對(duì)流性強(qiáng)降雨的1.5°仰角的雙偏振產(chǎn)品。在距離雷達(dá)西南方30～60km 處有兩處強(qiáng)回波中心(如圖A、B 處)，最大回波強(qiáng)度達(dá)60dBZ，強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)著差分反射率ZDR、KDP的大值，相關(guān)系數(shù)CC 均在0.95 以上，因此對(duì)應(yīng)著大雨滴的強(qiáng)降水區(qū)［14-15］。計(jì)算全部徑向的20km～100km 的ZH-ZDR、ZHKDP散點(diǎn)圖以及雷達(dá)站至30km 處強(qiáng)中心(A)方位的差分相移和反射率因子距離廓線圖(圖4)。對(duì)流性強(qiáng)降水回波ZDR隨著ZH增大而增大，可達(dá)2～4dB；當(dāng)回波強(qiáng)度大于35dBZ 時(shí)，KDP和ΦDP均顯著遞增，其中KDP最大可到3.0°/km；ΦDP由40°左右的初始相位激增至近100°，表明KDP和ΦDP均對(duì)強(qiáng)降水十分敏感。整體觀測(cè)結(jié)果與林文等［10］對(duì)于非降雹強(qiáng)對(duì)流單體的觀測(cè)結(jié)果一致。

圖3 對(duì)流云雙偏振產(chǎn)品

圖4 對(duì)流云雙偏振特征

2.3 冰雹云雙偏振特征分析

降雹單體數(shù)據(jù)3.3°仰角的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征如圖5 所示，對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域(回波強(qiáng)度達(dá)到70dBZ 以上)可明顯發(fā)現(xiàn)ZDR低值區(qū)(0dB)和CC 谷(小于0.9)，具有非常明顯的冰雹特征［16-19］。同時(shí)KDP在此區(qū)域值比較大，到5°·km-1以上，說明該區(qū)域以融化小冰雹為主［20］。但少數(shù)冰雹區(qū)域?qū)?yīng)KDP為空值(顯示背景色)，這是由于對(duì)應(yīng)距離庫的相關(guān)系數(shù)小于0.85，導(dǎo)致KDP不參與計(jì)算因而顯示背景色［21］。這表明KDP原始算法有明顯缺陷，應(yīng)當(dāng)加以其他條件(如信噪比)作為約束，當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0.85 但信噪比仍較大，此時(shí)仍需要計(jì)算KDP值而非顯示背景色。

圖5 降雹單體雙偏振產(chǎn)品

分析ZH-ZDR、ZH-KDP散點(diǎn)圖 (圖6)，KDP隨ZH變化與對(duì)流性降水情形一致，理論上隨著ZH 的增大，當(dāng)降水粒子以冰雹等為主時(shí)CC 會(huì)相對(duì)較低而沒有計(jì)算KDP，所以圖6b 中看到ZH強(qiáng)度只到60dBZ，而ZH大于60dBZ 時(shí)，KDP無數(shù)值。而在ZH小于60dBZ時(shí)，ZDR-ZH、ΦDP、ZH徑向距離廓線變化與對(duì)流性降水過程相似，但在ZH大于62dBZ 后，ZDR迅速降低至0dB 附近。

圖6 降雹單體雙偏振特征

3 結(jié)論

通過分析研究陽江S 波段雙偏振雷達(dá)在層狀云、非降雹對(duì)流云和冰雹云等三種不同強(qiáng)度云系的雙偏振特征，得到結(jié)論如下：

(1) 層狀云的ZDR、KDP 接近0 值，ΦDP 隨徑向距離變化基本與初始相位保持一致，符合層云降雨的物理屬性。

(2) 非降雹對(duì)流云中，ZDR、KDP 和ΦDP 隨著回波強(qiáng)度的增大均顯著遞增，其中KDP 和ΦDP 變化尤為明顯，表明其對(duì)強(qiáng)降水的敏感特征。

(3) 冰雹云在未產(chǎn)生冰雹時(shí)，ZDR、KDP 變化與強(qiáng)降水對(duì)流云的變化一致，隨著回波強(qiáng)度的繼續(xù)增大進(jìn)而產(chǎn)生冰雹時(shí)，ZDR 迅速降低。少數(shù)冰雹區(qū)域?qū)?yīng)KDP 為空值(顯示背景色)表明KDP 原始算法存在明顯缺陷，應(yīng)當(dāng)加以其他條件(如信噪比)作為約束。