王金釗，李鐵鍵,2，謝鑫新，解宏偉

(1. 青海大學(xué) 水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016； 2. 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3. 中山大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，珠海 廣東 519082)

0 引 言

降水是大氣水循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)， 了解降水垂直結(jié)構(gòu)上的宏微觀物理特征及其變化過(guò)程， 對(duì)開(kāi)展降水預(yù)報(bào)和人工影響天氣作業(yè)具有重要意義[1]. 降雨是最常見(jiàn)的液態(tài)降水形式， 其發(fā)生過(guò)程仍十分復(fù)雜， 不同降雨云系伴隨不同的宏觀天氣條件而發(fā)生， 相應(yīng)的微物理特征也具有顯著不同[2]. 因此， 觀測(cè)、 解析云降雨垂直結(jié)構(gòu)及降雨強(qiáng)度的時(shí)序過(guò)程對(duì)認(rèn)識(shí)降雨機(jī)理具有重要意義.

當(dāng)前， 降雨宏微觀物理特征的探測(cè)手段主要依靠不同波段天氣雷達(dá)、 氣象衛(wèi)星和雨滴譜儀等. 天氣雷達(dá)能獲取云降雨結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 但對(duì)地面降雨量估計(jì)的精確度較低[3]； 氣象衛(wèi)星一般根據(jù)云頂亮溫估測(cè)降水， 誤差較大； 雨滴譜儀和雨量計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備精度高， 但一般只能獲取近地面的點(diǎn)數(shù)據(jù)， 不能獲取垂直結(jié)構(gòu)上不同高度的降雨分布， 無(wú)法深入研究云降雨的微物理過(guò)程[4]. 根據(jù)不同測(cè)量設(shè)備的不同優(yōu)勢(shì)， 采用多種設(shè)備對(duì)云降雨過(guò)程開(kāi)展的聯(lián)合監(jiān)測(cè)越來(lái)越廣泛[5-6]， 其中垂直指向雷達(dá)由于其在觀測(cè)能力、 觀測(cè)精度、 設(shè)備成本、 使用便利度等方面的綜合優(yōu)勢(shì)， 發(fā)揮了核心作用.

1990年以來(lái)， 微雨雷達(dá)(Micro Rain Radar， MRR)的出現(xiàn)極大促進(jìn)了降水垂直微物理結(jié)構(gòu)特征研究. 德國(guó)METEK公司生產(chǎn)的K波段(24 GHz)MRR是一種垂直指向性雷達(dá)， 可測(cè)量獲得雷達(dá)上空3 km范圍內(nèi)的雷達(dá)反射率因子、 雨滴降落速度、 雨滴粒徑分布、 雨強(qiáng)及其他降雨特性的垂直廓線(xiàn)， 還具有成本低、 體積小、 操作便利等使用上的優(yōu)點(diǎn). 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MRR的測(cè)量精度和降雨觀測(cè)適用性開(kāi)展了大量研究. Peter等[7]采用雨量計(jì)、 單臺(tái)MRR， X波段掃描雷達(dá)和多臺(tái)MRR進(jìn)行相互校準(zhǔn)， 以降低MRR間硬件誤差和測(cè)量誤差， 結(jié)果顯示MRR設(shè)備間的相互校準(zhǔn)優(yōu)于不同設(shè)備間的相互校準(zhǔn)； Diederich等[8]采用4部MRR與雨滴譜、 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、 C波段雷達(dá)、 Ka波段(35 GHz)云雷達(dá)和雨量計(jì)對(duì)降雨微觀結(jié)構(gòu)和變化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)， 顯示出MRR和雨量計(jì)探測(cè)的雨強(qiáng)具有良好相關(guān)性， MRR在測(cè)量短時(shí)降雨的時(shí)間變異性和垂直高度變異性方面具有優(yōu)勢(shì)； Peters等[9]獲取了德國(guó)波羅的海岸某地的MRR、 雨量計(jì)和C波段雷達(dá)共同觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)， 證明了MRR降雨結(jié)果與其他儀器觀測(cè)結(jié)果比較一致； Garcia-Vila等[10]使用安裝在馬德里理工大學(xué)的MRR和雨滴譜儀觀測(cè)分析層狀云降雨事件， 發(fā)現(xiàn)MRR雨強(qiáng)值與地面雨滴譜雨強(qiáng)值具有較好的一致性； 溫龍等[11]發(fā)現(xiàn)MRR對(duì)層狀云降雨過(guò)程的探測(cè)能力優(yōu)于對(duì)流云降雨過(guò)程， 且相較于普通雨量計(jì)而言， MRR對(duì)0.1mm以下的降水敏感， 對(duì)微弱降水觀測(cè)效果好. MRR還可以精細(xì)觀測(cè)雨滴垂直下落過(guò)程中的變化情況； 曹寧等[12]利用MRR分析了寧夏六盤(pán)山區(qū)不同類(lèi)型降雨過(guò)程中的雨滴譜分布， 降雨時(shí)液滴直徑增大說(shuō)明雨滴在下落時(shí)碰撞合并過(guò)程占主導(dǎo)地位； 崔云揚(yáng)等[13]采用MRR分析不同高度層的液滴直徑和液滴濃度， 發(fā)現(xiàn)降雨在云內(nèi)和云外受不同因素影響， 云外低層液滴間相互碰撞合并作用更強(qiáng).

需要注意到， MRR是微雨雷達(dá)， 對(duì)強(qiáng)降雨的觀測(cè)能力有限. 王洪等[14]利用MRR對(duì)比分析了山東不同云系不同高度下的雨滴粒徑、 數(shù)濃度和雨強(qiáng)等信息， 認(rèn)為MRR更適用于分析層狀云降雨的垂直分布特征， 對(duì)于雨強(qiáng)較大的對(duì)流性天氣過(guò)程分析結(jié)果誤差較大， 且當(dāng)雨強(qiáng)大于20 mm/h時(shí)， MRR的高空數(shù)據(jù)不可用. 強(qiáng)降雨的雨滴譜分布與高度有顯著的相關(guān)性， 雷達(dá)散射在較大液滴下不能僅用瑞利散射描述， 必須考慮米氏散射[15]； Kunhikrishnan等[16]研究了米氏散射在不同類(lèi)型降雨探測(cè)中的影響， 指出考慮米氏散射對(duì)MRR的影響有助于正確估計(jì)降雨強(qiáng)度.

目前， Ka波段毫米波云雷達(dá)(簡(jiǎn)稱(chēng)Ka雷達(dá))技術(shù)已逐漸成熟， 相比傳統(tǒng)天氣雷達(dá)具有空間分辨率高、 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)， 是探測(cè)弱降水云、 非降水云及微弱降水的有效工具[17-18]. 特別在測(cè)云方面， Ka雷達(dá)空間取樣體積較小， 具有高時(shí)空分辨率， 可聯(lián)合多種遙感設(shè)備進(jìn)行地基云觀測(cè)， 為探究云的發(fā)展過(guò)程提供更多信息[19]. 呂珊珊等[20]使用Ka雷達(dá)和探空設(shè)備， 提出了云垂直結(jié)構(gòu)判定方法； 萬(wàn)霞等[21]和朱怡杰等[22]分別對(duì)青藏高原地區(qū)的非降水云垂直結(jié)構(gòu)和云中相態(tài)分布特征進(jìn)行了分析， 展現(xiàn)了Ka雷達(dá)在局地云探測(cè)中的優(yōu)勢(shì). 田磊等[23]利用Ka雷達(dá)觀測(cè)了六盤(pán)山頂不同云的出現(xiàn)頻率、 云底高度和云層厚度， 為地氣輻射收支研究及合理開(kāi)發(fā)云水資源提供了參考.

Ka雷達(dá)在監(jiān)測(cè)云降水過(guò)程中的應(yīng)用也促進(jìn)了對(duì)其降雨測(cè)量能力的評(píng)估， 特別是Ka雷達(dá)垂直觀測(cè)有利于識(shí)別冷云降雨的0°層亮帶， 可為分析降雨類(lèi)型提供重要依據(jù)[24]. 但是， Ka雷達(dá)在觀測(cè)降雨時(shí)受雨滴粒徑影響明顯， 觀測(cè)較強(qiáng)降雨時(shí)雷達(dá)反射率因子衰減嚴(yán)重. 馬寧堃[25]等采取逐庫(kù)法針對(duì)不同降雨階段進(jìn)行雷達(dá)反射率因子的衰減訂正； 鄭晨雨等[26]研究了雷達(dá)靈敏度和湍流對(duì)Ka雷達(dá)反演算法的影響， 認(rèn)為雷達(dá)最小可測(cè)反射率因子隨高度不斷增加， 是影響反演結(jié)果的主要原因； 張濤等[27]利用Ka雷達(dá)結(jié)合雨滴譜儀對(duì)西藏那曲地區(qū)對(duì)流云降水過(guò)程的垂直結(jié)構(gòu)和微物理過(guò)程進(jìn)行研究， 使用小粒子示蹤法對(duì)大氣垂直速度和粒子下落末速度進(jìn)行反演校正， 誤差小于1.5 m/s.

Ka雷達(dá)和MRR聯(lián)合使用可發(fā)揮各自的探測(cè)能力優(yōu)勢(shì)， 記錄云降雨垂直結(jié)構(gòu)上微物理特征的發(fā)展演化過(guò)程， 并兼顧測(cè)量地面降雨強(qiáng)度， 在對(duì)自然降雨和人工增雨過(guò)程的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用. 因此， MRR觀測(cè)代表地面雨強(qiáng)的精度、 Ka雷達(dá)的測(cè)雨能力范圍、 兩種雷達(dá)監(jiān)測(cè)的一致性， 值得研究者關(guān)注. 本文通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)獲得了MRR， Ka雷達(dá)和自計(jì)式雨量計(jì)在河南省鎮(zhèn)平縣3個(gè)月內(nèi)多個(gè)降雨場(chǎng)次的觀測(cè)資料， 基于雨量計(jì)數(shù)據(jù)分析了MRR觀測(cè)反映地面雨強(qiáng)的合理探測(cè)高度和相應(yīng)精度， 通過(guò)MRR和Ka雷達(dá)的反射率因子， 對(duì)比分析了Ka雷達(dá)的測(cè)雨能力上限， 成果有助于進(jìn)一步了解不同波段的垂直指向性雷達(dá)觀測(cè)云降雨不同發(fā)展階段的性能和精度， 以更好地指導(dǎo)探測(cè)應(yīng)用.

1 站點(diǎn)、 儀器與數(shù)據(jù)

1.1 站點(diǎn)位置與觀測(cè)儀器

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自河南省鎮(zhèn)平縣二龍鄉(xiāng)試驗(yàn)基地， 距離鎮(zhèn)平縣城約30 km， 試驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)為(112°12′29″E， 33°08′44″N)， 海拔高度220 m， 位于伏牛山南麓山腳. 圖 1 為試驗(yàn)基地位置及儀器布置情況， 設(shè)有Ka雷達(dá)、 W雷達(dá)、 MRR和兩臺(tái)自計(jì)式雨量計(jì)， 相互間隔不超過(guò)10 m， 其中W雷達(dá)數(shù)據(jù)將不在本文中討論. 將自計(jì)式雨量計(jì)(Rain Gauge， RG)作為地面降雨量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 試驗(yàn)采用的雨量計(jì)為翻斗式， 規(guī)格為0.2 mm， 即每收集到0.2 mm降水就產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖， 試驗(yàn)中設(shè)置為每2 min記錄一次在此間收到的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)， 乘以0.2 mm即為降水量.

圖 1 鎮(zhèn)平縣二龍鄉(xiāng)試驗(yàn)基地位置及觀測(cè)設(shè)備布設(shè)

表 1 為MRR和Ka雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù). MRR為垂直對(duì)空雷達(dá)， 發(fā)射頻率為24.23 GHz的電磁波信號(hào)， 采用連續(xù)調(diào)頻技術(shù)(FM-CW). 本次試驗(yàn)MRR設(shè)置時(shí)間分辨率為1 min， 垂直分辨率為10 m， 最大探測(cè)高度3.1 km. Ka雷達(dá)由北京無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所研制， 該雷達(dá)采用全固態(tài)、 單發(fā)雙收線(xiàn)極化、 脈沖多普勒體制， 獲取上空云降雨的反射率因子Z、 徑向多普勒速度V、 速度譜寬W和線(xiàn)性退極化比(Linear Depolarization Ratio， LDR)的垂直廓線(xiàn). 本次試驗(yàn)中， Ka雷達(dá)設(shè)置時(shí)間分辨率為 1 min， 距離分辨率為 30 m， 最大探測(cè)高度為15 km.

表 1 MRR和Ka雷達(dá)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)篩選與處理

本研究正常開(kāi)展野外監(jiān)測(cè)的時(shí)段為2021年6月12日至9月17日， 選取其中單場(chǎng)降雨時(shí)間超過(guò)1 h的共20場(chǎng)降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 考慮到雨量計(jì)的分辨力為0.2 mm， 不足0.2 mm的降雨量會(huì)被忽略或被額外計(jì)入， 故在單個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的平均誤差為0.1 mm， 在弱降雨過(guò)程中的誤差百分比會(huì)較大. 為平滑弱降雨過(guò)程中的雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 在場(chǎng)次降雨記錄到首個(gè)雨量數(shù)據(jù)后， 根據(jù)MRR顯示的降雨連續(xù)性， 針對(duì)雨量計(jì)觀測(cè)值為0的一個(gè)或連續(xù)多個(gè)2 min時(shí)段(計(jì)總時(shí)長(zhǎng)為t1)， 將其后第一個(gè)有降水的2 min時(shí)段測(cè)得的降水量按均勻分布拆分為擁有0.2 mm雨量的時(shí)段t2和剩余時(shí)段， 并將此處的0.2 mm降雨量在t1+t2時(shí)段內(nèi)重新平均分配. 雖然平滑操作可獲得更小的雨強(qiáng)觀測(cè)值， 但雨量計(jì)的理論靈敏度仍應(yīng)按原數(shù)據(jù)估計(jì)， 選擇統(tǒng)計(jì)時(shí)段為20 min， 則雨量計(jì)觀測(cè)雨強(qiáng)的靈敏度為0.2 mm/20 min， 即0.6 mm/h， 平均誤差為± 0.1 mm/20 min， 即±0.3 mm/h.

以雨量計(jì)為基礎(chǔ)， 統(tǒng)一計(jì)算各設(shè)備監(jiān)測(cè)的20 min 平均雨強(qiáng)和20 min時(shí)段降雨量， 作為后文定量對(duì)比的基準(zhǔn). 圖 2 顯示了觀測(cè)期內(nèi)所有降水的20 min平均雨強(qiáng)頻率分布， 橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)刻度. 可以發(fā)現(xiàn)， 雨量計(jì)受限于自身靈敏度， 在20 min 時(shí)段內(nèi)不能直接觀測(cè)到雨強(qiáng)小于0.6 mm/h的降雨， 平滑處理后可見(jiàn)0.2 mm/h的雨強(qiáng)記錄， 而大于20 mm/h的強(qiáng)降水樣本極少， 代表性不足； MRR測(cè)得的弱降雨和強(qiáng)降雨兩端數(shù)據(jù)更多. 考慮到MRR的弱降雨觀測(cè)能力已得到研究驗(yàn)證而強(qiáng)降雨觀測(cè)能力有限， 故以雨量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)， 篩選有降雨且雨強(qiáng)不大于20 mm/h的20 min 時(shí)段數(shù)據(jù)， 篩選后， 有效時(shí)段總數(shù)為170個(gè)， 時(shí)長(zhǎng)約為57 h.

(a) 雨量計(jì)

本文直接采用MRR提供的雨強(qiáng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品， 該產(chǎn)品根據(jù)衰減訂正后的雷達(dá)反射率因子Z(mm6·m-3)和根據(jù)多普勒觀測(cè)推測(cè)的雨滴數(shù)濃度譜N(Di)(mm-1·m-3)反演不同觀測(cè)高度上的雨強(qiáng)R(mm·h-1)， 計(jì)算式為[15]

(1)

(2)

式中：Di為第i檔雨滴直徑， 共64檔； ΔDi為對(duì)應(yīng)的檔間粒徑間隔， 單位為mm；V(Di)是第i檔雨滴下落速度， 單位為m/s.

2 結(jié)果與分析

2.1 MRR監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

圖 3 為地面兩臺(tái)相鄰位置雨量計(jì)觀測(cè)到的累計(jì)降雨量對(duì)比， 二者的觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性， 相對(duì)誤差為±0.91%(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)， 說(shuō)明兩臺(tái)雨量計(jì)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)收集的降雨總量和時(shí)序基本相同， 數(shù)據(jù)可作為后續(xù)雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析的基準(zhǔn).

圖 3 試驗(yàn)基地兩個(gè)相鄰雨量計(jì)累計(jì)降水量對(duì)比

通過(guò)雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MRR數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性時(shí)， 由于雨量計(jì)位于地表， 通常采用MRR最低幾個(gè)高度層的數(shù)據(jù)， 如30 m和100 m[28]. 也有學(xué)者研究認(rèn)為MRR近地面數(shù)據(jù)不可靠[29]， 應(yīng)選擇300 m高度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究， 但對(duì)更高層數(shù)據(jù)的降雨量研究不多. 為系統(tǒng)分析MRR不同高度層的雨強(qiáng)監(jiān)測(cè)反演性能， 本文選取MRR較多高度層的雨強(qiáng)數(shù)據(jù)與雨量計(jì)觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比， 并采用線(xiàn)性回歸斜率和線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)量化對(duì)比結(jié)果.

線(xiàn)性回歸公式為

y=kx+b，

(3)

式中：y為雨量計(jì)觀測(cè)雨強(qiáng)；x為MRR雨強(qiáng)；k為斜率；b為截距.

線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)r， 計(jì)算式為

(4)

圖 4 展示了不同高度層和降雨強(qiáng)度下MRR與雨量計(jì)觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果. 圖 4(a) 為20 min平均后， MRR典型高度層雨強(qiáng)與雨量計(jì)雨強(qiáng)的散點(diǎn)關(guān)系； 圖 4(b) 為MRR所有高度層雨強(qiáng)與雨量計(jì)雨強(qiáng)線(xiàn)性擬合斜率和相關(guān)系數(shù)的變化情況.

(a) MRR-雨量計(jì)雨強(qiáng)散點(diǎn)關(guān)系

從圖 4(a) 可以看出， MRR和雨量計(jì)在不同雨強(qiáng)時(shí)的觀測(cè)值關(guān)系具有明顯差異. 當(dāng)雨強(qiáng)低于4 mm/h 時(shí)， 二者較為接近， 在45°線(xiàn)兩側(cè)的分布較為均衡； 當(dāng)雨強(qiáng)高于4 mm/h、 低于10 mm/h時(shí)， MRR雨強(qiáng)明顯高于雨量計(jì)； 雨強(qiáng)更高時(shí)， 兩者關(guān)系更為散亂.

從圖 4(b) 可以看出， MRR 500m以下(不含500 m)高度層與雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)較高， 但斜率較小， 說(shuō)明MRR低空雨強(qiáng)雖與地面降雨符合性較好， 但相較于雨量計(jì)存在高估， 與圖4(a) 中45°線(xiàn)右下方出現(xiàn)的冷色圓點(diǎn)相符. MRR在500 m～900 m高度層區(qū)間與雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果較為一致， 相關(guān)系數(shù)在0.93～0.95之間， 斜率在0.80～0.85之間， 說(shuō)明在該高度區(qū)間內(nèi)MRR雨強(qiáng)與地面降雨的時(shí)序符合性較好， MRR雨強(qiáng)偏大也較為有限. 高度層在900 m以上時(shí)， MRR與雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)逐漸減小， 斜率先減小后劇烈波動(dòng)， 反映出高空降水與地面降水間較弱的相關(guān)性， 也能看到， 當(dāng)近地雨強(qiáng)較高時(shí)， MRR因回波衰減嚴(yán)重而無(wú)法正確反演高空雨強(qiáng)(見(jiàn)圖 4(a) 雨量計(jì)雨強(qiáng)12 mm/h附近時(shí)靠左的三角點(diǎn)).

為進(jìn)行定量對(duì)比， 參考Radhakrishna等[30]的雨強(qiáng)分級(jí)， 進(jìn)行不同雨強(qiáng)下的MRR不同高度層的降雨量對(duì)比分析， 如圖 4(c) 所示. 當(dāng)雨強(qiáng)<0.7 mm/h 時(shí)， MRR低空層和雨量計(jì)觀測(cè)的降雨量基本一致， 高空層則存在低估. 當(dāng)雨強(qiáng)>0.7 mm/h 時(shí)， MRR觀測(cè)值在低空層高于雨量計(jì)、 在高空層低于雨量計(jì)， 且差值逐漸增大. 由于MRR高空層觀測(cè)值與地面降水間相關(guān)性較低， 可以主要關(guān)注其低空層降水量相對(duì)雨量計(jì)的高估問(wèn)題. 這一方面可能是由MRR回波誤差和雨滴譜估計(jì)誤差引起的， 可通過(guò)雷達(dá)定標(biāo)和實(shí)測(cè)雨滴譜修正； 另一方面則是受限于翻斗式雨量計(jì)的機(jī)械性能， 由于降水的時(shí)間波動(dòng)性強(qiáng)， 在少量高雨強(qiáng)時(shí)刻翻斗次數(shù)不足造成雨量漏測(cè)， 應(yīng)承認(rèn)其在高雨強(qiáng)時(shí)存在一定低估.

為顯示不同觀測(cè)的時(shí)序過(guò)程， 選擇100 m， 500 m， 700 m和900m高度層的MRR雨強(qiáng)與雨量計(jì)進(jìn)行對(duì)比， 如圖 5 所示. 與圖 5 中其他高度層相比， MRR在100 m高度層上與雨量計(jì)的雨強(qiáng)偏差非常明顯. 雨量計(jì)測(cè)得研究時(shí)段57 h的總降雨量為110.4 mm， MRR在500 m， 700 m和900 m高度層測(cè)得的總降雨總量分別為126.2 mm， 119.6 mm 和115.6 mm， 此時(shí)兩者間的雨量差異在可以接受的范圍內(nèi). 再考慮到兩者在時(shí)序過(guò)程上的相關(guān)性， 本文認(rèn)為， 500 m～900 m的MRR觀測(cè)值適于代表地面降水量， 低空層則容易高估， 與文獻(xiàn)[29]的認(rèn)識(shí)較為一致， 主要是由MRR低空探測(cè)結(jié)果受近場(chǎng)和近地面雜波的影響導(dǎo)致的. 因此， 在不進(jìn)行修正的前提下， 直接選擇500 m～900 m高度層的MRR觀測(cè)值代表地面雨強(qiáng)與降雨量是可行的.

圖 5 雨量計(jì)(RG)與MRR不同高度層20 min平均降雨強(qiáng)度過(guò)程對(duì)比

2.2 MRR的Z-R關(guān)系

MRR引入基于多勒速度的雨滴譜進(jìn)行雨強(qiáng)反演， 使其結(jié)果具有較高精度. 一般情況下， 雷達(dá)反射率因子和降雨強(qiáng)度間具有較好的指數(shù)關(guān)系， 是雷達(dá)定量監(jiān)測(cè)降水的基礎(chǔ)理論[31-32]. 為了簡(jiǎn)單直觀地分析本實(shí)驗(yàn)中MRR的降雨觀測(cè)性能， 繪制MRR在500 m高度層的反射率因子(Z)與降雨強(qiáng)度(R)的擬合關(guān)系， 如圖 6 所示.

圖 6 二龍鄉(xiāng)試驗(yàn)基地觀測(cè)時(shí)段的MRR 500 m高度層Z-R關(guān)系

圖 6 中虛線(xiàn)為我國(guó)新一代天氣雷達(dá)沿用WSR-88D雷達(dá)[33]的反射率因子，Z=300R1.4， 實(shí)線(xiàn)為本文擬合式反射率因子，Z=193R1.2， 在雨強(qiáng)<20 mm/h 內(nèi)散點(diǎn)關(guān)系尚可， 與Mehta等[34]觀測(cè)到的對(duì)流云Z-R關(guān)系也較為接近. 因此， 相比WSR-88D等S波段氣象雷達(dá)， MRR波段雷達(dá)對(duì)較強(qiáng)降水的穿透力更弱， 即便經(jīng)過(guò)衰減訂正， 測(cè)得的雷達(dá)反射率因子也低于理論值， 若直接采用Z=300R1.4反演， 所得雨強(qiáng)將低于實(shí)際值.

2.3 Ka雷達(dá)的微雨觀測(cè)能力

雷達(dá)反射率因子值是判定降水發(fā)生的重要因素， Ka雷達(dá)主要用于觀測(cè)云降水發(fā)展過(guò)程中雷達(dá)回波的連續(xù)變化， 為研究預(yù)測(cè)云降水的發(fā)展過(guò)程及宏觀微觀物理特性變化提供支撐. Ka雷達(dá)雖不能有效觀測(cè)降水， 但也需要了解云降水發(fā)展過(guò)程中Ka雷達(dá)對(duì)弱降雨觀測(cè)能力的上限.

對(duì)比Ka雷達(dá)和MRR在典型降雨過(guò)程中觀測(cè)的反射率因子廓線(xiàn)時(shí)序， 如圖 7 所示.

(a) Ka雷達(dá)

可見(jiàn)， 在降雨強(qiáng)度較弱、 反射率因子低于25 時(shí)， Ka雷達(dá)可有效判斷降水是否發(fā)生. 隨著雨強(qiáng)增大， MRR觀測(cè)的反射率因子不斷提高， 所示強(qiáng)降雨局部達(dá)到40， 但Ka雷達(dá)的觀測(cè)值仍保持在30 左右， 與MRR差距較大. 還可以看到， Ka雷達(dá)在500 m高度以下的反射率因子被系統(tǒng)性低估， 可信度低， 可能與具體型號(hào)有關(guān)， 后文分析中僅采用其500 m高度層以上數(shù)據(jù).

對(duì)于整個(gè)觀測(cè)時(shí)段， 選擇MRR和Ka雷達(dá)500 m～ 3 100 m高度間的降雨樣本， 對(duì)二者的反射率因子進(jìn)行對(duì)比， 如圖 8 所示. 可以看出， 在所有數(shù)據(jù)范圍內(nèi)， Ka雷達(dá)和MRR反射率因子的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)r1為0.86， 但二者關(guān)系并不是完全線(xiàn)性的， 當(dāng)MRR反射率因子在30～50 時(shí)， Ka雷達(dá)的反射率因子仍處于30 左右， 使二者間的差距越來(lái)越大. 若僅選擇反射率因子為0 dB～30 dBZ區(qū)間， MRR和Ka雷達(dá)反射率因子間的線(xiàn)性關(guān)系較好， 相關(guān)系數(shù)r2達(dá)到0.91， 斜率為0.9. 由此可見(jiàn)， Ka雷達(dá)在弱降雨條件下與MRR觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性較好， 可有效監(jiān)測(cè)降雨發(fā)生的初始過(guò)程， 但雨強(qiáng)上限較低， 與文獻(xiàn)[27]中的結(jié)論一致.

圖 8 MRR和Ka雷達(dá)同高度同時(shí)刻反射率因子散點(diǎn)關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

本文使用河南省鎮(zhèn)平縣二龍鄉(xiāng)試驗(yàn)基地2021年 6月至9月MRR, Ka雷達(dá)和雨量計(jì)的多場(chǎng)次降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)， 對(duì)MRR降雨觀測(cè)精度進(jìn)行了驗(yàn)證分析， 對(duì)MRR和Ka觀測(cè)的反射率因子進(jìn)行對(duì)比， 顯示了不同設(shè)備在云降雨觀測(cè)中的適用性和精度. 結(jié)果表明：

1) 通過(guò)將不同雨強(qiáng)不同高度層的MRR數(shù)據(jù)與雨量計(jì)觀測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， MRR的近地面高度層高估雨強(qiáng)， 500 m～900 m高度區(qū)間的MRR結(jié)果與雨量計(jì)觀測(cè)符合最好， 高空層與地面觀測(cè)的相關(guān)性較低而不適宜估計(jì)地表雨量.

2) MRR在較強(qiáng)降雨下受回波衰減影響， 常用的Z=300R1.4會(huì)低估雨強(qiáng)， 在雨強(qiáng)<20 mm/h時(shí)， 本文擬合結(jié)果為Z=193R1.2.

3) 通過(guò)與MRR的對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 用于測(cè)云的Ka雷達(dá)在降雨發(fā)生階段可探測(cè)的最大反射率因子約為30 dB， 無(wú)法有效探測(cè)更高強(qiáng)度降雨.

總體來(lái)看， MRR基于多普勒滴譜測(cè)量的降雨反演結(jié)果精度較高， 但在近地面高度層會(huì)高估雨強(qiáng)， 500 m～900 m高度區(qū)間的降雨結(jié)果可有效代表地面降雨過(guò)程； 用于測(cè)云的Ka雷達(dá)， 觀測(cè)較弱降雨能力的上限不高于30 dBZ. 采用多頻雷達(dá)聯(lián)合監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)云降雨全過(guò)程探測(cè)的有效方法， 本文結(jié)果可為使用Ka雷達(dá)和MRR聯(lián)合監(jiān)測(cè)分析云降雨廓線(xiàn)和地面雨強(qiáng)的時(shí)序過(guò)程提供參考. 在需要進(jìn)一步提高觀測(cè)精度時(shí)， 應(yīng)主要考慮提高雷達(dá)在近地面層的回波測(cè)量精度， 并采用滴譜儀對(duì)多普勒雨滴譜進(jìn)行修正； 在需要提高強(qiáng)降雨觀測(cè)時(shí)， 應(yīng)增加波長(zhǎng)更長(zhǎng)的X波段、 C波段等雷達(dá)設(shè)備.