貴州春季一次強冰雹天氣過程雙線偏振雷達觀測分析

曾勇 曹水 楊哲

摘要? ? 為探索X波段雙線偏振雷達對冰雹云識別效果，對貴州春季一次強冰雹天氣過程偏振雷達降水識別進行分析。結(jié)果表明，雙線偏振雷達能夠從水平反射率因子識別出冰雹云，在有效探測范圍內(nèi)能夠獲取冰雹粒子真實回波信息。偏振雷達的降水類型識別能夠正確識別冰雹，同時識別到冰雹落區(qū)與實際降雹落區(qū)基本一致。在人工防雹作業(yè)時，可以利用雙線偏振雷達識別冰雹云，獲得科學(xué)作業(yè)時機和作業(yè)部位。

關(guān)鍵詞? ? 冰雹云;雙線偏振雷達;偏振參量;降水粒子識別;貴州省

中圖分類號? ? P458.121.2? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）12-0178-03

Abstract? ? In order to explore the recognition effect of X-band dual-linear polarization radar on hail clouds，the polarization radar precipitation identification during a severe hail weather process in spring in Guizhou Province was analyzed.The results showed that the dual-linear polarization radar could recognize hail clouds from horizontal reflectance factor and obtain the real echo information of hail particles within the effective detection range.The recognition of precipitation type by polarization radar could correctly identify hail，and the hail falling area identified by polarization radar was basically consistent with the actual hail falling area.In the artificial hail suppression operation，the hail cloud could be identified by using dual linear polarization radar，and the timing and location of the scientific operation could be obtained.

Key words? ? hail cloud;dual linear polarization radar;polarization parameter;precipitation particle recognition;Guizhou Province

貴州地處云貴高原東側(cè)，屬典型的山區(qū)省份，特殊的地理環(huán)境和地形地貌造成冷暖空氣交匯活動頻繁，氣象災(zāi)害頻發(fā)，冰雹災(zāi)害尤為嚴(yán)重[1-2]。在全球氣候變暖趨勢下，一方面貴州省冰雹不僅頻次增多而且災(zāi)害程度日趨嚴(yán)重，冰雹災(zāi)害損失慘重，特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響比較突出，輕則使農(nóng)作物減產(chǎn)，重則絕收;另一方面全省冰雹明顯呈現(xiàn)突發(fā)性、季節(jié)性、區(qū)域性的變化特點。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，貴州省每年因冰雹災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失達千萬元甚至逾億元，農(nóng)田受災(zāi)高達數(shù)萬畝[3]。

新一代天氣雷達作為探測強對流天氣的有效工具，為冰雹天氣的監(jiān)測預(yù)警預(yù)報提供有力支撐，但其只能獲取冰雹云雷達回波的宏觀特征，缺少對冰雹云發(fā)展過程微物理特征觀測。雙線偏振雷達是在新一代天氣雷達基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型雷達探測裝備，除新一代天氣雷達能提供的雷達產(chǎn)品之外，雙線偏振雷達能夠提供識別冰雹和降水的偏振參量產(chǎn)品[4-5]。國內(nèi)外專家和學(xué)者針對不同波段雙線偏振雷達開展觀測試驗，結(jié)果表明，雙線偏振雷達在冰雹識別和定量降水估測效果較好[6-7]。本研究主要基于X波段雙線偏振雷達探測數(shù)據(jù)，對2018年4月21日發(fā)生在貴州中部一次強冰雹天氣過程冰雹識別進行分析，以促進雙線偏振雷達在冰雹監(jiān)測與人工防雹中的應(yīng)用，為防災(zāi)減災(zāi)提供支撐。

1? ? 資料與方法

雷達資料采用貴州省人工影響天氣辦公室2017年引進的X波段雙線偏振雷達觀測數(shù)據(jù)，其有效探測距離為75 km。因冰雹過程伴隨強雷電導(dǎo)致雷達站在首次降雹之前斷電，因此探測數(shù)據(jù)從21：27—22：21之間10個體掃數(shù)據(jù)，不影響后續(xù)2次降雹的分析。探空資料為貴陽探空站當(dāng)日20：00（北京時間，下同）L波段探空雷達資料。降雹資料來自地面天氣報文和人工影響天氣作業(yè)站點觀測記錄。對雷達資料的分析主要基于偏振雷達終端處理軟件，對相關(guān)雷達參量進行數(shù)理統(tǒng)計分析。

2? ? 天氣實況與環(huán)境場分析

2018年4月21日20：34—22：47，貴州中部出現(xiàn)冰雹天氣過程，清鎮(zhèn)市新店鎮(zhèn)（21：15）、衛(wèi)城鎮(zhèn)（21：39）、王莊鄉(xiāng)（21：46）先后出現(xiàn)降雹，最大冰雹直徑為王莊鄉(xiāng)20 mm，對農(nóng)作物造成一定損害。

2018年4月21日20：00，650 hPa的中低層有明顯的條件不穩(wěn)定，對流有效位能CAPE值為358.39 J/kg，低層有少量的對流抑制能量，0 ℃層位于4.6 km左右，-20 ℃層位于8.0 km高度;對流層底部有較淺薄的干層，820～650 hPa之間是顯著的濕層;400 hPa為20 m/s以上的大風(fēng)，且隨高度升高風(fēng)速變大，中低層（500 hPa以下）為東南風(fēng)隨高度順時針旋轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，有暖平流，500 hPa以上風(fēng)向為穩(wěn)定的西北風(fēng)，風(fēng)速達到36 m/s;在700 hPa濕度較大的情況下，K指數(shù)為43 ℃，SI指數(shù)為-3.49 ℃，表明對流層中層和中低層存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

20：00的環(huán)境場特征中雖然對流有效位能的數(shù)值不算很大，但在中低層均存在不穩(wěn)定層結(jié)，低層具有垂直風(fēng)切變和融化層較低幾個特征明顯的情況下，具備發(fā)生冰雹和雷暴大風(fēng)的熱力和動力環(huán)境條件。

2? ? 冰雹識別結(jié)果分析

2.1? ? 雷達反射率因子

冰雹云特征是具有較強的反射率因子和強回波頂高。雙線偏振雷達能夠同時發(fā)射和接收水平和垂直極化電磁波，因而能夠獲取對不同粒子對水平和垂直極化電磁波的散射差異信息，從而對不同降水粒子進行區(qū)分和識別。圖2給出了主要時次6.7°仰角雷達水平反射率因子ZH分布。由圖2（a）可以看出，冰雹云在新店鎮(zhèn)降雹后的繼續(xù)發(fā)展，回波最大強度已達到65 dBZ，45 dBZ強回波頂高達到8.0 km。結(jié)合當(dāng)日融化層高度為4.6 km，-20 ℃層高度為8.0 km，已經(jīng)達到貴州冰雹云識別指標(biāo)，可以確定為冰雹云。圖2（b）（c）分別對應(yīng)衛(wèi)城和王莊降雹，此時強度回波強度區(qū)域范圍擴展，是強冰雹云特征，在經(jīng)歷2次降雹后，在22：21回波強度減弱，強回波趨于消散，冰雹云進入消亡階段。

2.2? ? 降水粒子識別

新一代天氣雷達盡管能夠?qū)Ρ⒃苹夭ê暧^特征進行分析，但宏觀參量不能反映冰雹云發(fā)展演變過程中云內(nèi)微觀粒子在動力和微物理作用下增長特征，X波段雙線偏振雷達可解決這一難題，可以對雹云內(nèi)各類水成物粒子進行有效識別。本部X波段雙線偏振雷達主要基于模糊邏輯法（FHC）對ZH（雷達水平反射率因子）、ZDR（差分反射率因子）、KDP（差分傳播相移）和ρhv（零滯后相關(guān)系數(shù)）4個偏振參量進行模糊化，構(gòu)建各自的隸屬函數(shù)，降水類型作為輸出變量[8]，對主要觀測時次偏振雷達降水類型識別結(jié)果進行提取，結(jié)果如圖3所示?？梢悦黠@看出，在21：27已經(jīng)識別出大冰雹區(qū)與冰水混合區(qū)。在經(jīng)歷2次降雹后，冰雹識別區(qū)域減小，是降雹對冰雹云內(nèi)粒子的消耗。根據(jù)當(dāng)日人工影響天氣作業(yè)站點觀測資料，偏振雷達識別冰雹云落區(qū)與實際觀測降雹落區(qū)基本一致，體現(xiàn)出雙線偏振雷達較新一代天氣雷達識別冰雹具有更好優(yōu)勢，可以為人工防雹作業(yè)提供科學(xué)的作業(yè)時機和作業(yè)部位，達到防災(zāi)減災(zāi)目的。

3? ? 結(jié)論

對貴州春季一次強冰雹天氣過程X波段雙線偏振雷達觀測資料進行分析，結(jié)果表明，X波段雙線偏振雷達首先能從水平反射率因子識別冰雹云，其次通過模糊邏輯算法得到的降水粒子類型能有效識別大冰雹、小冰雹和冰水混合區(qū)。通過降雹過程地面觀測資料與偏振雷達觀測資料比對，雙線偏振雷達識別出冰雹落區(qū)與實際降雹落區(qū)基本一致，而且具有一定時間提前量。因此，在開展人工防雹作業(yè)時，可以先利用新一代天氣雷達對冰雹云進行提前預(yù)警，再利用雙線偏振雷達定點對目前區(qū)域進行觀測，識別冰雹云，獲得精準(zhǔn)的作業(yè)時機和作業(yè)部位，從而為科學(xué)人工防雹作業(yè)提供支撐。

4? ? 參考文獻

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