廣州兩次降水的雙偏振雷達(dá)回波特征分析

鄭鐘堯 傅 超 牟鳳軍 崔 倩

（滄州市氣象局，河北 滄州061001）

雙偏振雷達(dá)與目前業(yè)務(wù)普遍應(yīng)用的多普勒天氣雷達(dá)相比，不僅能同樣獲取到目標(biāo)物的回波強(qiáng)度，還能測得偏振參數(shù)包括差分反射率因子Zdr、差分傳播相移率Kdp、相關(guān)系數(shù)CC 等新的獨(dú)立變量，獲得表征目標(biāo)物的更多信息。這對于提高雷達(dá)在識(shí)別和消除地物雜波、識(shí)別降水類型、識(shí)別零度層亮帶、分辨降水相態(tài)等方面更有優(yōu)勢。

雙偏振雷達(dá)是未來天氣雷達(dá)的發(fā)展趨勢，研究雙偏振雷達(dá)在識(shí)別降水等方面的應(yīng)用具有重要意義。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，雙偏振雷達(dá)對對流性降水有較好的指示作用，隨著我國越來越多的雙偏振雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，氣象部門對對流性天氣系統(tǒng)的監(jiān)視和預(yù)警能力將大大提高[1-3]。我國正在進(jìn)行對現(xiàn)有的多普勒天氣雷達(dá)升級(jí)改造，后續(xù)新建雷達(dá)也均為雙偏振雷達(dá)，從2015 年開始，廣東省先后通過新建、升級(jí)改造的方式，在華南地區(qū)增加了多部業(yè)務(wù)運(yùn)行的雙偏振雷達(dá)，在全國雙偏振雷達(dá)的應(yīng)用中排在前列[4]。

本文利用廣州的雙偏振雷達(dá)，選取2016 年5 月廣東省兩次典型天氣過程，利用常規(guī)觀測資料分析兩次過程降水實(shí)況，結(jié)合雙偏振雷達(dá)典型偏振參量推斷降水粒子屬性，以期更好地了解雙偏振雷達(dá)的探測性能，為其他地區(qū)后續(xù)改造成雙偏振雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更多參考資料。

圖1 2016 年5 月9 日20:48 廣州雙偏振雷達(dá)0.48 度仰角Z、Zdr、Kdp、CC 產(chǎn)品

1 5.9-5.10 廣州暴雨天氣過程

1.1 天氣實(shí)況及背景分析

2016 年5 月9-10 日，廣東省大部分地區(qū)出現(xiàn)了暴雨并有局部大暴雨，部分地區(qū)伴有8-9 級(jí)雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。廣州南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)最大1 小時(shí)雨量達(dá)到93 毫米。受這一過程影響，珠三角多個(gè)地市出現(xiàn)了城市內(nèi)澇，廣州、東莞、深圳內(nèi)澇嚴(yán)重，多地出現(xiàn)積水。5 月8 日20 時(shí)500hPa 中高緯為兩槽一脊型，從貴州北部到兩廣交界處有一短波槽，溫度槽落后高度槽，冷平流明顯。副熱帶高壓穩(wěn)定控制在華南南部，為華南上空帶來西南暖濕氣流。9 日08 時(shí)，高空槽繼續(xù)東移，廣東處于槽前部，此時(shí)850hPa 切變線圖中可以看到貴州南部和廣西東北部附近存在一東西方向的切變線，以后低空切變線東移南壓，冷暖氣流在切變線以南交匯，低層有強(qiáng)烈輻合，給廣東大范圍降雨創(chuàng)造了有利條件。

1.2 雷達(dá)回波演變

從雷達(dá)回波的演變可以看出廣東此次降水從5 月9 日白天開始，移入廣東的強(qiáng)回波合并發(fā)展成弓形，最大反射率因子達(dá)到55dBz 以上，此后強(qiáng)回波中心位置沒有發(fā)生太大變化且逐漸分散成小的回波單體，強(qiáng)回波不斷在廣西與湖南交界處生成，并往東南方向移入華南地區(qū)，強(qiáng)降水持續(xù)到12 時(shí)。5 月9 日-10日，廣東省自西北向東南再一次出現(xiàn)大雨到局部大暴雨。分散的對流單體在兩廣附近生成并合并成弓形回波并向東南方向移動(dòng)，19:36 強(qiáng)回波單體到達(dá)廣州中部并不斷發(fā)展，直到10 日2:00 回波開始向東南方向逐漸移出。特點(diǎn)是每個(gè)強(qiáng)回波單體持續(xù)時(shí)間較短，回波不連續(xù)，廣東西北部不斷有新的、分散的對流單體生成并移入廣東，強(qiáng)回波中心強(qiáng)度達(dá)到55dBz，給廣東局部帶來對流性降水天氣。

1.3 雙偏振回波特征分析

選取20:48 的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品，此時(shí)回波正發(fā)展強(qiáng)盛，如圖1。從反射率因子可看出弓形回波已經(jīng)影響廣東中部（A 區(qū)域）地區(qū)，回波強(qiáng)度達(dá)50dBz 以上，廣東東北部（B 區(qū)域）也存在一塊較大范圍的對流性降水回波，中心強(qiáng)度達(dá)30dBz。可以分析出A 地區(qū)有大雨或冰雹，B 地區(qū)也有對流性降水。

結(jié)合其他偏振參量可知，A 區(qū)域Zdr 也呈帶狀分布，強(qiáng)度在2dB 以上；Kdp 在1.5deg/km 左右，CC 在該區(qū)域達(dá)到0.97 以上。A 處的Zdr 為正值且較大，說明降水粒子呈非球形，CC 接近1，也可以說明A 區(qū)域有降水、無冰雹，Kdp 雖大于1deg/km，但在含有未融化完冰晶的大雨滴時(shí)也可達(dá)到較大值，從Kdp 上難以判斷降水粒子的類型。B 區(qū)域Zdr 在0.0-1.0 之間，Kdp 在0.1deg/km 之間，CC 在0.96 以上。當(dāng)小冰雹和雨滴共存時(shí)，Zdr可以表現(xiàn)為較小的正值，但結(jié)合Z 值不高而CC 較高可以排除小冰雹的存在。所以B 處判斷為對流性的中雨。

2 5.15 廣東颮線天氣過程

2.1 天氣實(shí)況及背景分析

2016 年5 月15 日廣東地區(qū)自西北向東南出現(xiàn)了一次颮線過程。過程伴隨中到大雨、局地暴雨，并伴隨有雷電、短時(shí)大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。5 月16 日08 時(shí)24 小時(shí)降水量顯示，廣東省有19 個(gè)測站降雨量超過25mm。受高空槽、冷空氣和切變線共同影響，此次颮線過程風(fēng)強(qiáng)雨大，移速較快。5 月15 日08 時(shí)500hPa高空圖上我國東北地區(qū)經(jīng)華北到江淮流域有一低槽，溫度槽落后于高度槽，有正渦度平流有利于槽的發(fā)展，廣東省位于槽底前部。四川盆地南部存在一伴隨明顯輻合的冷式切變，在高空槽的引導(dǎo)下緩慢東移，中高層有干冷空氣南下。對比同時(shí)次的低層風(fēng)向，可看出廣州大部分地區(qū)都處于較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，有利于對流的發(fā)展。

2.2 颮線回波演變

圖2 2016 年5 月15 日9:48 廣州雙偏振雷達(dá)Z、Zdr、Kdp、CC 產(chǎn)品（a）0.480 仰角；（b）2.410 仰角

5 月15 日5:30，廣州雙偏振雷達(dá)回波圖上出現(xiàn)了很多孤立的對流單體及具有層狀云降水特征的回波，對流單體多分布在湖南西部、廣西北部，有小部分回波中心強(qiáng)度可達(dá)55dBz。廣東南部有零星對流單體生成，這些單體逐漸發(fā)展合并，最終形成一個(gè)東北- 西南走向的帶狀結(jié)構(gòu)回波。8:30 已經(jīng)形成颮線型弓形回波結(jié)構(gòu)，并開始移入廣東地區(qū)?；夭◣Х秶^100km，中心強(qiáng)度達(dá)55dBz，分析徑向速度可知，颮線后部存在急流，最大風(fēng)速達(dá)20m/s，颮線位于零線附近，譜寬圖上可以清楚看到輻合區(qū)邊界。9:30 颮線已移至廣東省中部，之前分別位于廣西東部和湖南南部回波強(qiáng)度較強(qiáng)的兩條帶狀回波已經(jīng)合并，此時(shí)颮線長度超過300km。在颮線后方存在一定面積的層狀云降水區(qū)，此時(shí)颮線處于強(qiáng)盛階段，颮線強(qiáng)度總體維持不變。

2.3 雙線偏振參數(shù)回波特征

從5 月15 日9:48 反射率因子產(chǎn)品可以看出颮線呈東北-西南走向橫掃廣東大部分地區(qū)，強(qiáng)回波達(dá)50dBz 以上，由回波強(qiáng)度可以分析出強(qiáng)回波所在紅色帶狀區(qū)域有大雨或暴雨，有降雹可能。結(jié)合其它偏振參量可知，帶狀回波相同位置上Zdr 也呈帶狀分布，范圍相對較小，在測站西南方向的帶狀回波的Zdr 可達(dá)2dB, 在雷達(dá)測站周圍的Zdr 值分布較為分散，在1.0-2.0dB 之間。Zdr 均為正值，可以排除大冰雹的發(fā)生。Kdp 在1.5deg/km 左右，CC 在該區(qū)域達(dá)到0.97 以上，所以判斷颮線所在地區(qū)沒有發(fā)生冰雹，圖2（a）是0.480仰角對應(yīng)的四種產(chǎn)品，但測量的高度距離地面較近，為進(jìn)一步分析該過程的空間結(jié)構(gòu)，分析了2.410仰角層對應(yīng)的回波。從2.410仰角強(qiáng)度圖中可以看到在颮線后部還有一處強(qiáng)回波，位于廣東與湖南的交界處（A 處），回波強(qiáng)度達(dá)45dBz 以上，而低仰角層此處的回波強(qiáng)度只有30dBz 左右。Zdr在此處為1.5-2.0dB，Kdp 大約為1.0deg/km，CC 與周圍相比較低，為0.94，這些在0.480的回波圖上都是不明顯的。A 處在較高的高度時(shí)CC 較低，而回波強(qiáng)度較高，說明此處降水粒子相態(tài)不單一，可能為融化過程中的冰水混合物，較高高度的小冰雹或冰晶在下落過程中受熱融化，轉(zhuǎn)換為外包一定厚度的水膜，有的可能已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)降水，在下落過程中由于粒子的碰并聚合作用而造成尺度增加，或外包水膜的冰晶，它們均使得Zdr 增大，Kdp 也較高，而CC 較低。通過這些偏振參量可以推斷出降水粒子在不同高度的相態(tài)不同，這是常規(guī)基數(shù)據(jù)參量無法做到的。

3 結(jié)論

結(jié)合對以上兩個(gè)過程的分析，可以得到以下結(jié)論：

3.1 兩次對流性天氣強(qiáng)度大、影響范圍廣，均給廣東地區(qū)帶來了暴雨、雷電大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。在雙偏振雷達(dá)特征方面，不同的降水粒子對于雙偏振雷達(dá)發(fā)射的水平和垂直兩種偏振狀態(tài)的電磁波的散射特性會(huì)有差異，根據(jù)偏振參量的特點(diǎn)能夠判斷出粒子的大小、形狀、密度等信息，較常規(guī)天氣雷達(dá)而言能夠更好地識(shí)別冰雹、雨夾雪等這些存在混合相態(tài)的降水粒子。從“5.15 颮線過程”不同高度偏振參量的差異可推斷出降水過程中高層可能存在外包水膜的小冰晶，在下落過程中逐漸融化，這是目前常規(guī)新一代天氣雷達(dá)資料無法分析出來的。

3.2 偏振參量中差分反射率因子Zdr 可以用來輔助分析降水粒子的形狀，Zdr 是識(shí)別效果最好的偏振參量。差分傳播相移率Kdp 可以用來輔助分析不同相態(tài)粒子的含量。相關(guān)系數(shù)CC用來輔助判斷地物和降水回波。多普勒參數(shù)是利用雷達(dá)識(shí)別降水天氣系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，但較為粗糙，例如暴雨和冰雹難以區(qū)分。雙偏振雷達(dá)得到的幾個(gè)偏振參量每一個(gè)都對降水粒子的相態(tài)識(shí)別上有貢獻(xiàn)，但也無法單獨(dú)使用。只有偏振參量和基數(shù)據(jù)參量結(jié)合起來識(shí)別降水的效果才最好。