貴州中部冰雹的雙偏振雷達參量特征與識別

李 瑋，李 皓，劉 偉，李懷志

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

1 引言

冰雹是貴州危害較大的主要災害性天氣之一,全省因冰雹造成的受災農(nóng)作物面積平均在5.3～13.3萬hm2之間，重災年的受災面積在13.3萬hm2以上，貴州的冰雹還具有生成發(fā)展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災害重、防范難度大的特點，使得冰雹災害預警信息發(fā)布滯后，響應時間短，有效應對困難，常造成農(nóng)作物受災，甚至人畜傷亡，因此及時準確的識別冰雹云，對于人工防雹作業(yè)有著十分重要的意義。近年來，雙偏振雷達日益成為改善測量雷暴云中粒子相態(tài)的一種新方法，它測得的水平反射率(ZH)、差分反射率因子(ZDR)、差傳播相移率(KDP)、相關系數(shù)(ρhv) 等參量與水成物粒子類型、形狀及分布等要素密切相關[1]。國內(nèi)張鴻發(fā)、劉黎平等在雙偏振雷達探測冰雹和估算降水方面做了大量工作[2-3]，王致君等提出了雙偏振雷達在人工影響天氣作業(yè)指揮及效果檢驗方面的應用前景[4]。本文利用選取2017年4月16日貴陽市修文縣冰雹天氣過程，分析了降雹時的4種偏振參量特征，同時分別用的多普勒雷達和雙偏振雷達進行了冰雹識別，并用地面降雹資料進行了檢驗。

2 天氣背景分析

2017年4月16日08時(圖1)，高空，位于貝加爾湖南側的高空槽，在河套地區(qū)分裂出一個短波槽，短波槽東移攜帶冷空氣影響貴州省。地面，重慶到四川南部有一冷鋒，貴州位于冷鋒前低壓區(qū)域，鋒前存在暖濕平流，冷暖氣流在貴州交匯，有利于強對流的生成。貴州區(qū)域0℃層高度在4 500 m附近，處于貴州有利于產(chǎn)生冰雹的高度。從16日08時貴陽探空T-logp圖(圖2)可以看到，在850～500 hPa的大氣層結中，下層的水汽含量大于上層的水汽含量，這種下濕上干的配置有利于對流的生成。08時的對流抑制能量CIN值為16.9 J/kg，CAPE值為145.4 J/kg，將08時地面氣溫用14時地面實況氣溫替換后發(fā)現(xiàn)CAPE值為1 269.5 J/kg，說明實際上整層大氣中具有很大的不穩(wěn)定能量，有利于對流發(fā)展。

圖1 2017年4月16日08時高低空配置圖Fig.1 Weather system configuration for both high and low altitude at 8∶00 on April 17,2017

圖2 2017年4月16日08時貴陽探空T-logp圖Fig.2 Guiyang sounding chart at 8∶00 on April 17,2017

3 冰雹云的偏振參量特征分析

2017年4月16日修文六屯和久長在15時48-49分降雹,圖3a～3d中紅圈中為對應的冰雹云回波偏振參量。

水平反射率ZH反映了降水粒子的數(shù)目和尺寸大小，不受雷達常數(shù)影響的散射特征量,類似于多普勒雷達水平方向的反射率因子。從圖3a可知，在降雹時，強回波中心的值達到了55 dBz，表明此時在云體中云粒子尺寸較大，或粒子數(shù)較多。

ZDR為差分反射率因子,受粒子外形的影響,它反映了降水粒子的空間取向和長短軸之比，表征云中粒子偏離球形的大小以及在水平和垂直方向上的取向程度，對于液態(tài)粒子，ZDR>0，且雨滴越大，ZDR的值越大，雨區(qū)ZDR值在0～5.0 dB之間;而冰雹在下落過程中翻滾和形狀不規(guī)則，認為其是各向同性的，它的ZDR值較小，甚至可以出現(xiàn)負值，從圖3b可知與強回波中心對應的區(qū)域ZDR值出現(xiàn)了0～-2的負值區(qū)，該負值區(qū)和ZH的強回波中心有較好的吻合，且從云體發(fā)展到發(fā)生降雹之前，其值有一個快速從正變負、負值區(qū)變大的過程，表明云內(nèi)部出現(xiàn)了相態(tài)為橢球狀或錐球狀的冰雹粒子，冰雹粒子數(shù)快速增加。

KDP為差分傳播相移,反映了各種偏振參量在傳播途徑上,由于傳播系數(shù)不同所導致相位的變化，值的大小反映出液態(tài)含水量的多少，而液態(tài)水和冰雹的取值范圍有較大的區(qū)別，有研究表明[3]，KDP的大小和降水強度成正比，而冰雹粒子區(qū)域的KDP比較小，接近于零。從圖3c可以看到云內(nèi)存在0.1～0.3(°)/km之間和1.0～4.0(°)/km的區(qū)域，因此云中既存在著冰雹粒子，也存在雨滴，與地面觀測到的雨中夾雹的現(xiàn)象相吻合。

ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波之間的零滯后相關系數(shù)，反映云水粒子前后形狀和尺寸，降雨和干雪的水平和垂直信號相關性較好，因此，ρhv值較大時(>0.98)對應的是降雨和干雪;ρhv值相對較小時，對應的是融化層中冰雹和濕雪，圖3d可以看到ρhv在0.85～0.98之間，屬于濕雹或濕雪粒子的取值區(qū)間。

(a)水平反射率ZH (b)差分反射率ZDR

(c)差分傳播相移KDP (d)相關系數(shù)ρhv圖3 2017年4月16日修文六屯和久長冰雹云回波偏振參量Fig.3 Polarization parameters of Hail cloud echo in Xiuwen Liutun and Jiuchang on April 16,2017

4 基于多普勒雷達和雙偏振雷達的冰雹識別

4.1 基于多普勒雷達的冰雹識別

以多普勒雷達為基礎的貴州春季冰雹云識別指標是從大量的歷史冰雹個例統(tǒng)計分析得出的，該指標在我省從國家人影中心引進的云降水精細化分析系統(tǒng)(CPAS)中運用：

①雷達回波強度在45 dBz以上；

②回波頂高在8 km以上，降雹前有明顯增高的現(xiàn)象；

③降雹垂直累積液態(tài)水含量VIL出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；

④ 45 dBz回波在0 ℃層高度以上，發(fā)展到對流云中上部時，可能發(fā)生冰雹；超過-20 ℃層高度時，將有大冰雹發(fā)生的可能。

2017年4月16日修文六屯和久長在15時48-49分降雹，貴陽多普勒雷達在15時15分發(fā)現(xiàn)了初生回波并發(fā)展(圖4中紅圈中為對應的冰雹云回波)，圖4a，在15時26分，根據(jù)上述指標識別該對流云為冰雹云：從圖4c可以看到，此時雷達組合反射率因子在45 dBz以上，從垂直剖面圖6a可知回波頂高發(fā)展到8 km，從圖5 VIL演變的情況來看，垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，從4月16日貴陽08時探空資料得到的0 ℃層和-20 ℃層分別為4 830 m和7 260 m，均滿足各項，因此認為15時26分該對流單體為冰雹云。

圖4 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的雷達回波Fig.4 Radar echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

圖5 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的VIL演變Fig.5 The evolution of hail formation,development,and falling on April 16th

圖6 4月16日冰雹識別、降雹時的垂直結構Fig.6 The vertical structure of hail detection and falling on April 16th

4.2 基于雙偏振雷達的冰雹識別

與此同時，位于清鎮(zhèn)的X波段雙偏振雷達也進行了觀測和識別，采用的是模糊邏輯相態(tài)識別(FHC)[5]，將雷達觀測參數(shù)矩陣X通過一定的轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換為降水粒子類型矩陣Y。X和Y之間的關系可以采用隸屬函數(shù)的方式來建立(具體方法略),最后輸出小雨、小雹、干雪等14種粒子識別類型。15時15分偏振雷達發(fā)現(xiàn)了該回波的生成(圖7～圖8中紅圈中為對應的冰雹云回波偏振參量)，15時21分用基于偏振雷達的冰雹微物理模型指標，通過X波段雙偏振雷達冰雹云監(jiān)測預警系統(tǒng)，識別該對流單體為冰雹云，從圖8a中可以看到，此時云體中出現(xiàn)了冰水混合物和小冰雹。半個小時后，根據(jù)實際觀測，15時48-49分，修文縣久長鎮(zhèn)降雹，密度為7粒/m2，半徑為2 mm，雙偏振臨近的一個觀測時次15時51分也識別出云體內(nèi)的冰水混合物和小冰雹(圖8b)，與實際降雹時間、地點、冰雹大小相吻合。

圖7 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的雙偏振雷達回波Fig.7 The DPR echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

圖8 4月16日冰雹識別,a:15時21分,b:15時51分Fig.8 The hail detection on April 16th,a:15∶21,b:15∶51

5 結論

①高空槽和地面冷鋒的共同影響，冷暖氣流在貴州交匯，有利于強對流的生成。大氣不穩(wěn)定條件和水汽的下濕上干的配置是導致本次冰雹過程的主要原因。

②通過對2017年4月16日這次降雹過程分析，X波段雙偏振雷達能夠較好的反映冰雹云的回波特征，在降雹時的偏振參量ZH達到了55 dBz，強回波中心對應的區(qū)域ZDR值出現(xiàn)了0～-2的負值區(qū)，KDP在-0.1～0.3(°)/km之間和1.0～4.0(°)/km的區(qū)域，ρHV在0.85～0.98之間；

③從基于多普勒雷達和雙偏振雷達的冰雹識別對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法都識別出該對流單體為冰雹云，多普勒雷達對冰雹云的判斷主要是基于云體的宏觀特征，如回波強度大小、回波頂高、強回波中心的位置等，雙偏振雷達則注重于云內(nèi)粒子的形態(tài)；從識別的時間來看，雙偏振雷達提早5 min識別出冰雹云，這對于人工防雹作業(yè)是非常重要的，但這僅是一次個例，實效性還有待在未來的工作中積累大量的個例來驗證。