摘 要 通過對2020年3月17日山東煙臺、4月23日山東青島發(fā)生的兩次森林火災(zāi)的雙偏振雷達探測資料進行分析，結(jié)果表明：（1）森林火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的灰燼上升到空中，隨環(huán)境風向下風方飄散，形成煙羽，煙羽的雷達反射率因子在20 dBZ左右，火災(zāi)點上空很小范圍最大值達36 dBZ。（2）兩次山火的灰燼飄浮物隨環(huán)境風向下游擴散的最遠距離分別是65 km和94 km，最高上升高度分別達3.7 km和4.8 km。（3）追蹤煙羽的前沿可以估算相應(yīng)高度上環(huán)境風的速度；兩次火災(zāi)都發(fā)生在晴天，環(huán)境風速不大，除了煙羽邊緣位置速度譜寬值較大外，其余部分速度譜寬都很小，大部分為1～2 m·s-1。（4）相關(guān)系數(shù)（Cc）、差分反射率（ZDR）和差分相移（ΦDP）探測到的范圍與雷達反射率因子的演變形態(tài)和面積接近，同樣隨煙羽的擴散而逐漸增大；Cc值非常小，大多數(shù)區(qū)域小于0.9，少數(shù)距離庫庫元的Cc值低于0.5；火災(zāi)點上空的ZDR值有相對較小的區(qū)域，為2～3 dB，而火災(zāi)點下風方，大部分ZDR值都很大，大多超過5 dB。（5）兩次森林火災(zāi)的雙偏振探測特征表明，產(chǎn)生回波的反射物主要是干草、松針等燃燒后的灰燼形成的水平尺度較大的非球形粒子反射物。

關(guān)鍵詞 山火煙羽；雙偏振雷達；相關(guān)系數(shù)（Cc）；差分反射率（ZDR）；探測特征

中圖分類號： P412.25" 文獻標志碼： A" 文章編號： 2096-3599（2024）03-0014-09

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20230129002

Analysis on detection characteristics of two forest fires using dual-polarization radars

ZHU Junjian1， SU Tianji2， GONG Dianli3， ZHANG Chian4， SUN Jian4

（1. Shandong Meteorological Observatory， Jinan 250031， China; 2. Yantai Meteorological Bureau， Yantai 264003， China; 3. Shandong Weather Modification Office， Jinan 250031， China; 4. HuaYun METSTAR Radar （Beijing） Co.， Ltd.， Beijing 100094， China）

Abstract Two forest fires occurred in Yantai and Qingdao， Shandong on 17 March and 23 April 2020， respectively， and the detection data using dual-polarization radars are analyzed. The results are as follows. （1） Ashes from forest fires rise up into the air and drift downstream to form a smoke plume， whose radar reflectivity is around 20 dBZ， with a maximum of 36 dBZ in the small range above the fire spot. （2） The farthest distance of the two wildfires’ floating objects spreading downstream in the environmental wind direction is 65 km and 94 km， respectively， and the highest rising height reaches 3.7 km and 4.8 km， respectively. （3） The environmental wind speed of corresponding altitude can be estimated by tracking the plume’s front edge. Both wildfires occur on sunny days， the environmental wind speed is not large， and except for the large velocity spectrum width at the plume’s edge， the velocity spectrum width is very small， mostly at 1-2 m·s-1. （4） The ranges detected by correlation coefficient （Cc）， differential reflectivity （ZDR） and differential phase shift （ΦDP） are close to the evolution and area of the radar reflectivity， and also increase gradually along with the diffusion of the plume. The value of Cc is very small with the values of most sites less than 0.9 and the values of a few range bins under 0.5. There is a part of relatively small ZDR over the fire spot between 2 dB and 3 dB， while in the downwind direction， ZDR is large， mostly over 5 dB. （5） The detection characteristics of the two forest fires using dual-polarization radars show that the reflectors of generating echoes are mainly non-spherical particle reflectors with large horizontal scale produced by ashes such as hay and pine needles.

Keywords smoke plume of wildfire; dual-polarization radar; correlation coefficient （Cc）; differential reflectivity （ZDR）; detection characteristics

引言

森林火災(zāi)對山林生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的破壞性，嚴重的森林火災(zāi)還會危及人的生命安全，造成大氣污染等。森林火災(zāi)突發(fā)性強、破壞性大，一旦蔓延，處置撲救非常困難。早期發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，將其撲滅在初始階段是避免重大森林火災(zāi)的有效措施。為此，人們研究開發(fā)了利用衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)測、小型無人駕駛飛機等多種監(jiān)測方法和技術(shù)對森林火災(zāi)進行監(jiān)測和預(yù)警［1-3］。

中國氣象局布網(wǎng)建設(shè)的新一代天氣雷達，主要是為探測大氣中的水成物而設(shè)計的，在暴雨、冰雹、龍卷、雷雨大風等災(zāi)害性天氣探測和預(yù)警中發(fā)揮著非常重要的作用。但事實上雷達探測到的目標物并不都是水成物，如高大的山脈和建筑物產(chǎn)生的地物回波、遷徙飛行的鳥類和昆蟲的回波、被龍卷卷到空中的雜物碎片回波、由于大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的超折射回波、三體散射產(chǎn)生的虛假回波等等。這些非水成物產(chǎn)生的回波“污染”了雷達探測資料，對雷達定量估測降水等多方面的應(yīng)用帶來干擾。諸多研究［4-6］證明，雷達探測到的這些非降水目標物在氣象和其他領(lǐng)域也得到了很好的應(yīng)用，其中天氣雷達在監(jiān)測森林火災(zāi)方面就是代表性應(yīng)用。

在早期，利用雙偏振雷達探測到火災(zāi)之前，有研究［7-9］認為由火災(zāi)高熱造成的湍流渦旋的布拉格散射（Bragg scattering）是火災(zāi)煙羽反射能量中的重要組成部分。2008年3月12日，Melnikov等［10］利用S波段雙偏振雷達探測到俄克拉荷馬一次火災(zāi)回波的相關(guān)系數(shù)（Cc）小于0.4，差分反射率（ZDR）有較高的正值，表明在火災(zāi)煙羽中存在水平方向尺度比垂直方向大的反射物，由此判斷火災(zāi)雷達回波的來源主要是非球形顆粒的后向散射，并指出基于這一特征可以利用雙偏振雷達識別森林火災(zāi)的發(fā)生，尤其在陰天發(fā)生的野外火災(zāi)，衛(wèi)星遙感及其他探測方法難以發(fā)現(xiàn)的時候，雙偏振雷達可發(fā)揮重要作用。

在火災(zāi)點附近，大火高溫產(chǎn)生強局部浮力，燃灰顆粒、部分燃燒過的碎片會上升而飄浮到大氣中［7，11］。這些顆粒的大小可能超過幾毫米，在火災(zāi)產(chǎn)生的煙柱中停留幾分鐘到一小時［1］。Jones 等［12］探測到火災(zāi)最強時，煙柱中灰燼碎片在大氣層中上升到5 km高度，煙霧和碎片懸浮在大氣中可以持續(xù)數(shù)小時，在大火的下風方影響范圍超過100 km。

自中國新一代天氣雷達業(yè)務(wù)網(wǎng)建設(shè)以來，利用天氣雷達對森林火災(zāi)的探測和預(yù)警已有不少研究［13-15］，有專家研究開發(fā)了雷達監(jiān)測火災(zāi)的應(yīng)用軟件［16-17］。近年來，中國的新一代天氣雷達正逐步升級改造成雙偏振多普勒天氣雷達（以下簡稱“雙偏振雷達”），依據(jù)雙偏振雷達給出的Cc、ZDR、差分相移（ΦDP）、差分相移率（KDP）等雙偏振參量，可用于分析判別不同相態(tài)的氣象目標物或非氣象目標物［18-20］，為提升雷達探測森林火災(zāi)的能力提供了良好的技術(shù)支持。

2020年3月17日、4月23日，山東的煙臺和青島先后發(fā)生森林火災(zāi)，煙臺、青島兩部雙偏振雷達探測到了這兩次山火過程。本研究詳細分析了這兩次山火的雙偏振參量特征，可為利用中國業(yè)務(wù)布網(wǎng)的雙偏振雷達探測森林火災(zāi)提供觀測分析依據(jù)。

1 兩次森林火災(zāi)概況

2020年3月17日，因村民不慎將煙頭掉落草叢，引發(fā)煙臺市牟平區(qū)水道鎮(zhèn)薛家夼村西山發(fā)生山林火災(zāi)（以下簡稱“牟平山火”）。山東省氣候中心基于衛(wèi)星監(jiān)測資料，分析發(fā)現(xiàn)3月17日15：40（北京時，下同）煙臺市牟平區(qū)水道鎮(zhèn)發(fā)生森林火情。利用3月11日（過火前）和3月20日（過火后）高分六號16 m正射校正后的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，根據(jù)著火前后過火區(qū)域在光譜信息、影像顏色和紋理等方面的顯著差異，得到過火區(qū)范圍為121.51°～121.54°E、37.19°～37.26°N，估算過火區(qū)域面積為11 km2。

2020年4月23日14：30左右，因操作人員違規(guī)焊接作業(yè)引燃周圍枯草，導(dǎo)致青島市黃島區(qū)小珠山發(fā)生火災(zāi)（以下簡稱“黃島山火”）。山東省氣候中心根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測分析，確定4月23日14：10青島市黃島區(qū)（120.068°E，35.954°N）出現(xiàn)火災(zāi)點，下墊面類型為山地和林地，其間最大熱點面積約為7 km2。對比分析4月13日（過火前）和4月25日（過火后）高分六號16 m衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，估算過火區(qū)域面積為12 km2。

2 雷達資料

研究使用的雷達資料來自業(yè)務(wù)運行的煙臺、青島S波段雙偏振雷達，探測記錄了山火從發(fā)生到熄滅的全過程。雷達掃描模式是VCP21D，仰角從0.5°到19.5°共9層，0.5°和1.5°兩層分別使用1 014 Hz和322 Hz脈沖重復(fù)頻率做2次掃描，得到460 km內(nèi)的雷達反射率因子和230 km內(nèi)的徑向速度，體掃更新時間約為6 min。分析軟件是CINRAD/SA-D的產(chǎn)品生成軟件（ROSE版本的RPG）。

3 牟平山火的雷達探測特征

3.1 雷達反射率因子特征

圖1為2020年3月17日15：42—17：07煙臺雙偏振雷達1.5°仰角反射率因子（Z）的時間序列，可以清楚地顯示山火煙羽的飄散狀況。山火發(fā)生后，15：42，1.5 km高度（1.5°仰角）出現(xiàn)長寬大約各4.5 km范圍的煙羽，Z最大值為35 dBZ，之后煙羽隨環(huán)境風西風向下風方飄移，面積逐漸擴大。15：59，煙羽回波長度增至15 km，寬度增至6 km，Z最大值為30 dBZ。16：04，火災(zāi)點上空Z值最大，為36 dBZ，長度增至20 km。16：22，長度增至29 km，16：04—16：22火災(zāi)點上空Z最大值變化不大，為33 dBZ左右。16：28之后，煙羽范圍繼續(xù)增大，Z逐漸減弱。17：07之后，探測不到煙羽。跟蹤0.5°仰角Z，17：48，還能看到火災(zāi)煙塵的殘余回波（圖略），這時煙塵的前緣距離火災(zāi)點大約為65 km（最遠距離），煙羽在空中維持了126 min。

3.2 煙羽的徑向速度和速度譜寬特征

圖2為煙臺雙偏振雷達1.5°仰角15：42、16：04、16：28、16：50的徑向速度?？梢姡瑥较蛩俣鹊姆秶cZ的范圍大致一致，徑向速度值很低，為4～8 m·s-1（正速度）。如果把煙羽看作示蹤物，煙羽前沿距離雷達約為34 km，1.5°仰角雷達波束中心高度約為2.2 km，可以估算出該高度偏西風約為8.2 m·s-1，煙羽前沿的雷達方位角約為130°，投影到雷達探測波束的徑向速度約為6.7 m·s-1?？梢姡诨馂?zāi)點煙羽剛剛生成之后，將煙羽前沿看作示蹤物可以大致推算該高度的環(huán)境風速。

圖3為煙臺雷達1.5°仰角15：42、16：04、16：28、16：50的速度譜寬產(chǎn)品?？梢姡V寬產(chǎn)品的形態(tài)與同時次徑向速度的形態(tài)基本一致，除了邊緣位置外，譜寬值都很小，大部分為1～2 m·s-1。

3.3 山火煙羽的雙偏振參數(shù)特征

圖4給出了2020年3月17日15：42、16：04、16：28和16：56煙臺雙偏振雷達火災(zāi)點上空1.5°仰角的Z、Cc、ZDR和ΦDP。由1.5°仰角Z（圖4a、e、i、m）可以看到，煙羽在大氣中擴散，煙羽面積隨時間逐漸增大；Z的強度在16：04達到最大，為36 dBZ，16：33之后明顯減弱（火災(zāi)被撲滅之后）。

煙羽的Cc（圖4b、f、j、n）、ZDR（圖4c、g、k、o）與Z的形態(tài)和面積非常接近，同樣隨時間逐漸增大。Cc值非常小，大多小于0.9，很多距離庫庫元的Cc值低于0.5。火災(zāi)點上空的ZDR值有相對較小的部分，為2～3 dB，下風方的ZDR值很大，大部分達到5 dB。推測原因為：火災(zāi)點正上方，上升氣流較強、溫度較高，煙柱內(nèi)湍流很強，灰燼的排列相對不規(guī)則，所以ZDR值不高；而到火災(zāi)點的下風隨著上升速度減弱，灰燼開始下落，下落過程中水平方向尺度大的灰燼受到較大的空氣阻力，因此能較長時間飄留在空中，因此ZDR值很大。

煙羽的ΦDP值（圖4d、h、l、p）變化范圍很大，小值甚至小于10°，大值大于300°，分布雜亂無章，類似噪聲分布。

圖5給出的是16：04火災(zāi)點上空煙臺雷達5層仰角平面的弱回波區(qū)（weak echo region， WER）產(chǎn)品，每個窗口平面的左側(cè)由上至下標有探測時間、仰角和窗口中心高度。該產(chǎn)品是RPG軟件基于平面位置顯示（plan position indicator， PPI）產(chǎn)品，按用戶選定區(qū)域給出的不同仰角的Z、Cc、ZDR和ΦDP。5層仰角依次為0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°，對應(yīng)火災(zāi)點位置的高度接近于窗口中心高度，分別是0.8、1.6、2.2、2.8、3.6 km。由圖5a可見，火災(zāi)點上空Z的西邊緣幾乎是垂直向上伸展的，綜合分析章丘和榮成探空數(shù)據(jù)、雷達的徑向速度產(chǎn)品和垂直風廓線產(chǎn)品，這時火災(zāi)點上空是偏西風，風速不大，2.2 km高度風速約為8 m·s-1，0.9 km以下為2～5 m·s-1。上升氣流將燃燒物帶到空中，西邊緣只有很小的往下風方向傾斜，最大高度上升到4.3°仰角，高度約為3.6 km。較大Z值出現(xiàn)在1.6～2.8 km（1.5°～3.3°仰角）高度，最大值出現(xiàn)在1.6 km，為36 dBZ。

自下向上的每個仰角平面上，Cc與Z的范圍基本一致（圖5b）。0.5°仰角的Cc值存在地物回波的干擾，有一些地方出現(xiàn)較高的Cc值；1.5°和2.4°仰角，邊緣位置的Cc值也稍高，這是由邊緣處信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）較低造成的，其他大部分區(qū)域的Cc值小于0.5，這與文獻［1］探測的0.49的Cc平均值接近。

Jones等［1］分析一次公寓樓火災(zāi)的ZDR平均值為1.7 dB。分析圖5c可見，從低層到高層仰角，大部分區(qū)域ZDR值很高，尤其在火災(zāi)點的下風方，大多數(shù)庫元的ZDR值大于5 dB，最大值達到7.8 dB，這個值比文獻［1］要高一些，與文獻［10］分析的草原火災(zāi)的ZDR數(shù)值類似。

3.4 煙羽的三維演變特征

為分析燃燒物在空中的擴散狀況，圖6給出了15：42：00—16：53：54煙臺雷達各層仰角ZDR的分布及變化，4個時次的間隔時間約為23 min?？梢钥吹剑交饎偲鸩痪?，15：42：00—15：45：10（圖6a），燃燒的灰燼就上沖到3.5 km高度。16：04：55—16：08：05（圖6b），煙塵隨風向下游方向擴散，各仰角層上煙塵反射面積達到最大。16：27：51（圖6c）—16：53：54（圖6d），雷達對高空的煙塵逐漸探測不到，而低層能探測到的ZDR面積也在逐漸減小，這顯示了山火撲滅之后，沒有燃燒完的灰燼繼續(xù)上升，而先前的灰燼逐漸下降的過程。圖6b上能清晰地看到ZDR的大值區(qū)，這時探測到的煙塵達到的最高高度為3.7 km（4.3°仰角）。此后，高仰角的ZDR先于低仰角消失，到16：53：54，僅有0.5°、1.5°仰角有顯示，且覆蓋面積也縮小。

圖7是16：04：55—16：25：16連續(xù)4體掃時次（每個時次間隔大約6 min）的ZDR，從中可以更細致地看到燃燒物緩慢下沉的過程。與圖7b比較，圖7a能探測到ZDR的面積只是3.3°仰角面積增大，其余仰角上變化不大；16：19：32，4.3°仰角（圖7c）上已經(jīng)探測不到ZDR，16：24：40，3.3°仰角（圖7d）上ZDR的面積已經(jīng)減小到即將探測不到，之后，16：25：16，4.3°仰角（圖7d）已完全探測不到ZDR。

4 黃島山火的雷達探測特征

4.1 雷達反射率因子特征

黃島山火灰燼的上升和移動特征與牟平山火非常相似，火災(zāi)發(fā)生后，煙塵很快上升，之后隨著環(huán)境風向下風方向飄散。圖8是2020年4月23日14：13：30—18：41：10青島雙偏振雷達2.4°仰角反射率因子的時間序列。14：13，山火剛發(fā)生時，0.8 km高度（2.4°仰角）出現(xiàn)長寬大約各2.5 km范圍的煙羽，Z最大值為16 dBZ，之后煙羽隨西偏北風向下游東南方向飄散，面積逐漸擴大，14：42，長度增長到25 km，寬度為9 km?；馂?zāi)點上空Z增強到36 dBZ。之后，下風方向的Z逐漸減??；15：16，火災(zāi)點下風方大約8 km、20 km處出現(xiàn)25 dBZ的相對較大值，而其他區(qū)域大多小于15 dBZ。17：33之后，火災(zāi)點下風方向的Z降低到10 dBZ以下，煙羽的面積也逐漸減小。煙羽在空中維持了大約4 h 28 min。

4.2 煙塵飄浮物移動的最遠距離

圖9給出了16：30青島雷達0.5° 仰角Z、徑向速度（V）、Cc、ZDR。該時次的煙塵向東南漂移最遠，其前沿距火災(zāi)點94 km，對應(yīng)0.5°仰角雷達波束中心高度約1.2 km（圖9a）。從14：13發(fā)生山火到16：30共2 h 17 min，由此估算煙塵移動平均速度為11.4 m·s-1。由圖9b可見，徑向速度的范圍與圖9a中Z的范圍接近，考慮徑向速度方向大致接近漂浮物運動方向（環(huán)境風方向），并且考慮SNR不能太?。ú豢紤]邊緣的徑向速度值），定性估測圖中藍色箭頭位置的風速大約為12 m·s-1，這與將煙塵作為示蹤物計算的速度接近。圖9c和圖9d分別是Cc和ZDR參量，因為計算Z和V時用的SNR門限是3 dB，而計算偏振量時用的SNR門限是5 dB，所以在弱信號區(qū)Cc和ZDR的范圍比Z的范圍小一些。

4.3 煙塵飄浮物達到的最大高度

圖10是16：30青島雷達多仰角Z、ZDR。圖10b中帶狀ZDR大值區(qū)的數(shù)值超過5 dB，印證了圖10a中相應(yīng)位置的帶狀反射率是火災(zāi)煙塵產(chǎn)生的，這時Z的強度大多在20 dBZ以下，但高度達到4.8 km（6.0°仰角）。

以上分析表明，這兩次森林火災(zāi)探測到的雷達反射率因子大部分在20 dBZ左右，這比文獻［10］和［15］探測到的Z值高，煙羽飄散的范圍也大得多。探測到煙羽的ZDR非常高，很大部分區(qū)域大于5 dB，而Cc值很低，一些距離庫的值低至0.5以下，這說明產(chǎn)生回波的反射物主要是水平尺度較大的非球形反射物。這兩次森林火災(zāi)一次是未熄滅的煙頭引燃干草，另一次是違規(guī)電焊操作引燃干草、樹葉，這些燃燒物可能是造成上述探測結(jié)果的原因。

5 結(jié)論

（1）兩次森林火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的灰燼上升到高空并向下游飄散，雷達探測到的反射率因子（Z）多在20 dBZ左右，在火災(zāi)點上空有很小區(qū)域的最大值達到36 dBZ。根據(jù)煙臺、青島雙偏振雷達探測分析，牟平山火的煙塵向下游擴散最遠距離為65 km，最高上升到3.7 km；黃島山火的煙塵向下游擴散最遠距離為94 km，最高上升到4.8 km。將煙羽的前沿看作示蹤物，可估算出牟平山火2.2 km高度的偏西風風速約為8.2 m·s-1，估算黃島山火1.2 km高度西北風風速約11.4 m·s-1。兩次火災(zāi)都發(fā)生在晴天，環(huán)境風速不大，除了煙羽邊緣位置速度譜寬值較大，其他地方都很小，大部分在1～2 m·s-1。

（2）Cc與Z的分布形態(tài)和面積非常接近，同樣隨煙羽的擴散而逐漸增大。Cc值非常小，大多數(shù)區(qū)域小于0.9，少數(shù)距離庫的Cc值低于0.5，這比文獻［1］探測到的Cc值低很多。火災(zāi)點上空ZDR值相對較小，為2～3 dB，火災(zāi)點下風方大部分區(qū)域的ZDR值都很大，大多超過5 dB。分析原因在于，山火旺盛階段，火災(zāi)點上空上升氣流強盛，將灰燼帶到空中，加之溫度偏高，環(huán)境大氣的湍流加強，使得燃燒物排列無序，因此出現(xiàn)小范圍ZDR較小值，為1～3 dB；下風方向的氣流相對平穩(wěn)，灰燼逐漸下沉，而水平尺度較大的灰燼下沉速度慢，因此ZDR出現(xiàn)高值。ΦDP的數(shù)值變化很大，分布雜亂無章，類似噪聲分布。

（3）文獻［1］認為在山火形成的上升氣柱邊緣由于環(huán)境大氣的夾卷形成湍流，而尺度與雷達半波長（5 cm）相當?shù)耐臏u會產(chǎn)生布拉格散射，但布拉格散射的Cc值接近1，ZDR值接近0 dB。文中分析的兩次山火的Cc和ZDR數(shù)值，Cc更小，而ZDR出現(xiàn)大值，由此可推測S波段雙偏振雷達探測到的反射物主要是由大火帶到空中的干草、樹葉之類的灰燼。雙偏振天氣雷達探測森林山火具有很低的Cc值、很高的ZDR值，這一顯著的特征使其在監(jiān)測分析森林火災(zāi)方面具有獨特的優(yōu)勢，尤其在陰天或者能見度低的天氣條件下，衛(wèi)星遙感和視頻等探測設(shè)備無法進行有效探測時，雙偏振雷達的這種探測特征更能發(fā)揮其重要作用。

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