降水-霧過程毫米波雷達探測分析*

岑炬輝 唐世浩 胡利軍，3 涂小萍 姚日升，3

1 寧波市氣象局，寧波 315012 2 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081 3 浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，杭州 310017

提 要： 運用毫米波雷達探測對2017年4月15日夜間造成低能見度天氣的降水-霧過程進行了特征分析。水平分布特征分析得出該降水-霧過程空間尺度約為15 km，雷達回波強度范圍為-20 ～25 dBz。對該過程的垂直結(jié)構(gòu)進行分析后顯示，此過程經(jīng)過時，近地面經(jīng)歷了由降水到霧的一系列轉(zhuǎn)變過程。對雷達徑向速度的分析顯示過程的主體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，邊緣區(qū)域?qū)χ黧w區(qū)域進行補償，使過程維持發(fā)展。地面能見度觀測站觀測的能見度在過程接近時開始下降，并在過程即將離開時達到最低，在過程離開一段時間后能見度恢復(fù)，并且過程經(jīng)過時在毫米波雷達掃描區(qū)域未觀測到有效降水。根據(jù)經(jīng)驗公式較好地模擬了此過程中低空雷達反射率強度和近地面能見度之間的關(guān)系，具體公式為Vis=2.283Z-0.121。

引 言

霧是指發(fā)生在低層大氣的一種凝結(jié)現(xiàn)象，是懸浮于大氣邊界層中的大量水滴或冰晶，使大氣水平能見度小于1 000 m的危險性天氣現(xiàn)象。海霧是指在海洋的影響下，在海上、島嶼或沿海地區(qū)形成的霧(王彬華，1983；周福等，2015)。統(tǒng)計研究表明，霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生機理非常復(fù)雜，與輻射、天氣過程、邊界層結(jié)構(gòu)、下墊面狀況、氣溶膠含量等都密切相關(guān)(郭麗君和郭學(xué)良，2016)。在20世紀早期的研究中，根據(jù)霧的形成機制和相關(guān)天氣情況將其分為11類(Willett,1928；Byers,1959)。王彬華(1983)根據(jù)海霧的性質(zhì)、出現(xiàn)海區(qū)和季節(jié)將其分為4類：平流霧、混合霧、輻射霧和地形霧。Tardif and Rasmussen(2007)分析紐約地區(qū)20年的歷史資料，在分類條件中加入云底高度、云量和降水等信息，根據(jù)成因?qū)㈧F分為5類。除了常見的輻射霧和平流霧外，還有降水霧、蒸發(fā)霧和云接地霧。降水霧通常具有云霧共存的結(jié)構(gòu)特征，在層云接地過程中，云頂輻射降溫引起云內(nèi)不穩(wěn)定，冷卻的空氣和云滴以湍流渦動的形式向下傳輸，云底之下蒸發(fā)的水汽在環(huán)境作用下冷卻凝結(jié)導(dǎo)致層云接地(Oliver et al,1978；Pilié et al,1979)。研究顯示，降水霧發(fā)生時通常會伴隨著持續(xù)性的弱降水或者毛毛雨，使云底高度逐漸降低最終到達地面(Tardif and Rasmussen,2008)。在弱降水之后，降水的蒸發(fā)加濕了低層大氣并達到飽和狀態(tài)，可能會產(chǎn)生濃霧(Westcott and Kristovich,2009)。

海霧所造成的能見度降低會直接影響海上交通運輸、捕撈、船舶進出港和沿岸地區(qū)的日常交通(張舒婷等，2013)，還會加劇沿岸空氣污染，危害人體健康，腐蝕建筑物，影響沿海農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，引發(fā)電網(wǎng)霧閃事件，引起供電中斷，電力輸送癱瘓等各種社會生產(chǎn)活動，是典型的自然災(zāi)害(Niu et al,2010)。由于海霧物理機制和過程的復(fù)雜性，目前對海霧的認識還很不充分，預(yù)報準確率亟待提高(Lewis et al,2004；Edson et al,2007)，因此對海霧的研究具有很高的理論和應(yīng)用價值。

霧的結(jié)構(gòu)不僅受局地氣象要素變化的影響，還受平流、降水、低云和天氣系統(tǒng)的影響(郭麗君和郭學(xué)良，2016)。傳統(tǒng)的原位觀測手段，是借助氣象鐵塔或系留氣艇獲取溫濕廓線，以揭示產(chǎn)生霧的邊界層結(jié)構(gòu)(Fuzzi et al,1992;1998；吳彬貴等，2010)。運用原位觀測方式進行霧的結(jié)構(gòu)研究，因為時間分辨率和空間覆蓋度的問題，很難直接獲取霧的結(jié)構(gòu)特征。近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷進步，主動遙感設(shè)備也開始應(yīng)用到霧的垂直結(jié)構(gòu)研究中。通常情況下云霧粒子的半徑不會超過20 μm，傳統(tǒng)的降水雷達(厘米波雷達)無法對此進行有效觀測，毫米波雷達以對霧滴更敏感和大氣衰減較弱這兩個優(yōu)勢被用來對霧進行觀測。霧對毫米波雷達信號的散射和吸收可以通過米散射理論進行計算(Li et al,2014)。在美國等發(fā)達國家，毫米波云雷達技術(shù)已經(jīng)較為成熟。Hamazu et al(2003)利用35 GHz雷達觀測海霧，獲得了雷達反射率因子的水平和垂直分布特征。Boers et al(2013)用2011年10月至2012年3月在荷蘭進行的35 GHz毫米波雷達外場試驗，對雷達反射率和能見度之間的關(guān)系進行了研究，并在霧的形成和蒸發(fā)階段分別得到了不同的雷達反射率和能見度關(guān)系。Li et al(2017)對雷達反射率和能見度之間的多種算法進行了比較，并設(shè)計了一種新的能見度估算方法。在國內(nèi)，毫米波雷達的發(fā)展起步較晚。2007年中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室與中國航天研究二院第二十三研究所聯(lián)合研發(fā)出具有多普勒和極化功能的8.6 mm波雷達，并且于2008年5—9月成功進行了外場試驗。數(shù)據(jù)分析表明，該雷達能夠有效探測到層積云、高層云、臺風(fēng)外圍深對流云等典型云系(劉黎平等，2009)。此后，該雷達又為融化層亮帶特征(王德旺等，2012)，凍雨降雪微物理和動力特征(王柳柳等，2017)，云中水成物分布特征(朱怡杰等，2019)等方面的研究提供了幫助。2013年安徽四創(chuàng)電子有限公司研制了一臺W波段雙極化云雷達，并進行了云物理參數(shù)的初步反演(吳舉秀等，2013)。近幾年隨著國內(nèi)毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展，船載(胡樹貞等，2020)和機載(張佃國等，2020)毫米波雷達也開始運用于云的特征研究當中，同時云回波自動分類技術(shù)(楊曉等，2019)也得到了一定發(fā)展。

目前，利用毫米波雷達對霧開展相關(guān)研究在國內(nèi)剛剛起步，對于海霧尤其是降水霧的研究更是處于空白狀態(tài)。本文運用35 GHz毫米波雷達探測和地面能見度觀測相結(jié)合的方式，對2017年4月15日夜間造成低能見度的降水-霧過程特征進行相關(guān)研究，并對低空雷達反射率強度和近地面能見度之間的關(guān)系進行了討論。

1 資 料

文中所用的資料主要包含兩個部分：毫米波雷達資料和能見度觀測站資料。

1.1 毫米波雷達

毫米波雷達布設(shè)在寧波臻德環(huán)?？萍加邢薰舅鶎賵龅貎?nèi)，工作波段為Ka波段(33.44 GHz±10 MHz)，具體參數(shù)見表1。該雷達以固定天頂指向的時間高度顯示(time height indicator,THI)、平掃顯示(plan position indicator,PPI)和高掃顯示(range height indicator,RHI)這三種探測顯示方式對大氣進行觀測。利用霧滴、云滴、雨滴等液態(tài)水滴對電磁波的散射作用，對15 km徑向范圍內(nèi)非降水云、霧和弱降水等進行觀測,徑向空間分辨率為30 m，波束寬度為0.44°，可實時獲取探測范圍內(nèi)霧、云、雨的位置分布、強度、速度、速度譜寬等相關(guān)信息。毫米波雷達采用邊界層模式和卷云模式(武靜雅等，2016)進行分段式探測：探測距離在1.8 km以內(nèi)采用的是0.2 μs脈沖寬度的邊界層探測模式，該模式在距雷達1.5 km處探測能力為-27 dBz；探測距離在1.8 km以外采用的是12 μs脈沖寬度的卷云探測模式，該模式在距雷達5 km處探測能力為-36 dBz。

1.2 能見度觀測站

毫米波雷達探測區(qū)域，共有7個能見度觀測站(以下簡稱能見度站)。其中寧波地區(qū)有3個，分別為大貓島站、涼帽山島站和白鵝山礁站，這3個站點均為能見度觀測專用站點；舟山地區(qū)5個，分別為定海站、金雞山社區(qū)站(簡稱金雞山站)、南海學(xué)校站、老鼠山嶼站和岙山萬向石油碼頭站(簡稱岙山萬向站)，這5個站點兼有自動氣象要素觀測。能見度站的地理位置和毫米波雷達的掃描區(qū)域詳見圖1。

表1 毫米波雷達主要性能參數(shù)Table 1 Main parameters of millimeter-wave radar

圖1 毫米波雷達掃描區(qū)域內(nèi)能見度站分布Fig.1 Distribution of visibility stations within the millimeter-wave radar scanning zone

2 資料分析

2.1 毫米波雷達對降水霧的觀測

2017年4月15日22：56—23：50(北京時，下同)，寧波東北部沿海海域發(fā)生了一次由小型降水過程引發(fā)的低能見度天氣過程，過程中多個能見度站觀測到了低于1 000 m的能見度值，其中個別站點觀測到了能見度低于200 m的濃霧(能見度資料詳見圖6)。毫米波雷達采用三種掃描方式，從不同角度對這一過程的發(fā)展變化進行了探測，其結(jié)果為此次降水-霧過程的演變特征研究提供了基礎(chǔ)。

2.1.1 降水-霧過程雷達回波強度的水平分布特征

2.1.1.1 結(jié)構(gòu)完整性判斷

與測雨雷達相比，毫米波雷達最主要的問題就是降水對電磁波的衰減嚴重，以及探測水平范圍較小。降水會對毫米波雷達信號造成非常嚴重的衰減，因此毫米波雷達一般只探測非降水云、毛毛雨、霧及沙塵暴(仲凌志等，2009)。由于文中所用數(shù)據(jù)未進行衰減訂正，因而對于此次的過程，首先進行了觀測結(jié)果結(jié)構(gòu)完整性判斷。

圖2為4月15日22：56—23：50毫米波雷達所獲取的8次PPI掃描圖像，PPI掃描仰角為3°，回波最遠處垂直高度在800 m左右。降水-霧過程處于圖2b、2c位置時，毫米波雷達位于過程的東北方向，因而此時對過程北部和東部邊界的觀測，不會出現(xiàn)衰減，同理從圖2f、2g探測的南部和西部邊界也不會出現(xiàn)衰減。圖2b中涼帽山島的掃描時間為23:07，圖2e中為23:19，圖2f中金雞山的掃描時間為23:38，從圖2b～2e的過程移動速度來看，圖2f中過程即為圖2e中過程繼續(xù)往東北方向移動所致。對比圖2d、2e、2f，可以看到雷達反射率強度分布結(jié)構(gòu)也存在著很強的相似性，而三幅圖像是雷達從不同方向?qū)^程進行的掃描，說明了對過程的內(nèi)部探測是完整的，不存在信號過度衰減的情況。據(jù)此分析得出該過程東西長約18 km，南北寬約12 km，毫米波雷達的探測完整覆蓋了整個過程。

2.1.1.2 水平分布特征

22:56—23:24(以下簡稱時段1),毫米波雷達進行了5次PPI掃描，獲取了從圖2a～2e的5幅掃描圖像。從圖上依次可以看到過程從雷達掃描區(qū)域的西南方向進入，往東北方向移動，途徑?jīng)雒鄙綅u站、白鵝山礁站和大貓島站等站點。在此過程中，涼帽山島站5次掃描均有雷達回波，白鵝山礁站4次掃描有雷達回波，大貓島站3次掃描有雷達回波。23：33—23：50(以下簡稱時段2),掃描獲取了3幅PPI圖像(圖2f～2h)。從圖中可以看到此時過程已經(jīng)離開西部的涼帽山島站、白鵝山礁站和大貓島站這3個站點，開始經(jīng)過老鼠山嶼站、南海學(xué)校站和金雞山站這3個站點，并最終從東北方向離開雷達掃描區(qū)域。在這過程中，老鼠山嶼站1次掃描有回波，南海學(xué)校站2次掃描有回波，金雞山站3次掃描均有回波。其中，由于岙山萬向站位置偏南，過程經(jīng)過此站點的時間跨越了兩個時段，時段1的第五次掃描和時段2的第一、第二次掃描均有回波。

將圖2a～2h結(jié)合起來可以看到，過程強回波中心分散在幾片區(qū)域，強度在20 dBz左右，短時也有超過25 dBz的區(qū)域出現(xiàn)，過程絕大部分區(qū)域的回波強度0 dBz以上。從強回波中心往外，雷達反射率強度依次減弱，過程邊緣區(qū)域雷達反射率強度約為-20 dBz。

2.1.2 降水-霧過程雷達回波強度的垂直分布特征

23:24—23:38，為了對降水-霧過程的垂直結(jié)構(gòu)進行探測，毫米波雷達切換到了RHI和THI掃描模式進行觀測。

2.1.2.1 垂直剖面特征

圖3是RHI模式4次掃描得到的雷達回波圖，其中圖3a、3b兩圖是選擇了方位角0°(正北為0°，與風(fēng)向定義一致，下同)進行垂直掃描，圖3c、3d兩圖是選擇了方位角300°進行垂直掃描。根據(jù)圖1中過程的移動路徑推斷，在0°方位角進行的掃描穿過了過程的中心區(qū)域，300°方位角進行的掃描位于過程后部接近邊緣區(qū)域。

從對過程中心區(qū)域的掃描圖上可以看到，反射率較強區(qū)域有三個，分別位于過程中部6 km高度附近、3 km高度附近和過程前端區(qū)域。其中6 km附近區(qū)域和前端區(qū)域的雷達反射率強度在15 dBz左右，而在中心3 km附近區(qū)域的雷達反射率強度則是在25 dBz左右。研究表明，在冰晶、雪花下落過程中，通過0℃層后，表面開始融化，水凝體的融化及其引起的介電常數(shù)、粒子落速、粒子形狀和尺寸以及濃度的變化等，使得雷達反射率迅速增大(李鐵林等，2010；楊丹丹等，2010；孫曉光等，2011；王德旺等，2012)。因此，可以判斷圖3a、3b中3 km高度附近25 dBz左右的強回波區(qū)域為水凝體的融化區(qū)域，同時也可得出此區(qū)域正在發(fā)生降水。對比圖3a、3b可以看到，圖3a在中心區(qū)域6和3 km高度的兩個強回波中心之間存在很強的連續(xù)性，此時該區(qū)域應(yīng)為連續(xù)性降水，圖3b兩者之間出現(xiàn)了一條在0 dBz左右的分離帶，融化區(qū)域也很分散，此時該區(qū)域應(yīng)為零星降水。

對過程后部的掃描圖像中，圖3c是分為近地面和6 km高度附近兩個強回波區(qū)域，圖3d只有6 km高度附近一個強回波區(qū)域。從圖3c可以看到，兩個強回波區(qū)域之間出現(xiàn)了大片的-15 dBz左右強度的弱回波區(qū)域，表明此時兩個強回波區(qū)域已經(jīng)趨向于分離。此時，下部的強回波區(qū)域從3 km高度降為接地，頂部高度在2 km左右，并且雷達反射率強度也降到了15 dBz左右。這時，圖上已經(jīng)不再有水凝體融化帶來的強回波，說明已經(jīng)沒有降水發(fā)生，開始呈現(xiàn)出上部云層和下部雨霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。隨后的圖3d上，兩個高值區(qū)域之間分離更加明顯，分離帶上出現(xiàn)了小于-25 dBz的回波，下部區(qū)域的強回波進一步減弱到了0 dBz左右，并出現(xiàn)了強度在-20 ～-10 dBz的區(qū)域，呈現(xiàn)出霧區(qū)特征。

圖2 2017年4月15日降水-霧過程經(jīng)過雷達掃描區(qū)域時PPI模式雷達回波強度(a)22：56—23：01，(b)23：01—23：07，(c)23：07—23：13，(d)23：13—23：18，(e)23：18—23：24，(f)23：33—23：38，(g)23：38—23：44，(h)23：44—23：50Fig.2 Scanning images of radar reflectivity in PPI mode with the precipitation-fog process passing through the radar-scanned region on 15 April 2017(a) 22：56-23：01 BT, (b) 23：01-23：07 BT, (c) 23：07-23：13 BT, (d) 23：13-23：18 BT,(e) 23：18-23：24 BT, (f) 23：33-23：38 BT, (g) 23：38-23：44 BT, (h) 23：44-23：50 BT

2.1.2.2 時間演變分析

根據(jù)圖2、圖3、圖4中各圖掃描時間，可以得出在圖3的RHI掃描和圖4的THI掃描進行時，降水-霧過程的位置是在圖2e和2f之間。因為掃描是依次進行的，所以圖3的4次掃描展示了降水-霧過程從連續(xù)降水到零星降水，再到降水停止在近地面形成雨霧系統(tǒng)這一系列垂直結(jié)構(gòu)變化過程。圖4的THI掃描是緊接著圖3d進行的，可以看到在圖中下部雨霧系統(tǒng)接近地面部分回波強度在-15 dBz左右(此強度一般出現(xiàn)于成熟霧區(qū))的區(qū)域，隨著時間在不斷地擴大，其厚度在不到1 min的時間里從近400 m發(fā)展到了近800 m，說明霧區(qū)在迅速發(fā)展成熟。從圖4中還可以看到雷達回波在高度1.8 km 附近出現(xiàn)了縫隙，數(shù)據(jù)分析得到縫隙下邊界附近的回波強度值是在-30 dBz左右。從1.1節(jié)的雷達探測能力數(shù)據(jù)可知，在邊界層模式下雷達的探測能力是小于-27 dBz的，因而推斷此縫隙的形成是由于回波強度弱于雷達的探測能力，此縫隙實際上是低值帶而非空值帶。從圖4還可以得到，高度在2 km附近的低值帶(即2 km高度附近綠色區(qū)域加上縫隙)，是在不斷地變厚，說明上部云層和下部雨霧系統(tǒng)的聯(lián)系在不斷減弱。

圖3 2017年4月15日降水-霧過程經(jīng)過雷達掃描區(qū)域時RHI模式雷達回波強度(a)方位角0°，23：24—23：26，(b)方位角0°，23：26—23：28，(c)方位角300°，23：28—23：29，(d)方位角300°，23：29—23：31Fig.3 Radar reflectivity in RHI mode with the precipitation-fog process passing through the radar-scanned region during 23：24-23：31 BT 15 April 2017 (a) azimuth angle 0°， 23：24-23：26 BT； (b) azimuth angle 0°， 23：26-23：28 BT； (c) azimuth angle 300°， 23：28-23：29 BT； (d) azimuth angle 300°， 23：29-23：31 BT

綜上所述，可以得到此過程的發(fā)展經(jīng)歷了連續(xù)降水到零星降水，再到降水停止逐漸形成上部云層和下部雨霧系統(tǒng)，最后兩者逐漸分離，地面雨霧系統(tǒng)進一步發(fā)展形成霧這一系列變化。

2.1.3 降水-霧過程雷達徑向速度的特征分析

根據(jù) 2.1.1.1節(jié)的分析，降水-霧過程整體往東北方向移動，結(jié)合圖2e和圖5a可以看到在過程主體部分，存在西北—東南走向的零速度線，在該線的左下側(cè)，徑向速度都為負，在該線的東北側(cè)，過程主體部分徑向速度都為正，而在過程邊緣，存在著大片的負徑向速度區(qū)(因為徑向速度由粒子速度和空氣速度兩部分構(gòu)成，在此個例中主要貢獻者為粒子速度，因而下文粒子速度也代指徑向速度)。這表明過程的主體部分在水平方向上是統(tǒng)一的往東北方向移動，但是過程邊緣存在著不少向雷達方向運動的粒子。圖5b展示的是過程邊緣徑向速度的剖面，可以看到在過程邊緣，一定高度以上的粒子都明顯向雷達方向，即傾斜向下運動。由圖4c、4d兩幅徑向速度(此時也即垂直速度)可見，云中部分區(qū)域有較強的垂直運動，甚至出現(xiàn)了速度折疊，而近地面區(qū)域垂直速度大都在4 m·s-1以下，平均速度在2～3 m·s-1。綜合分析，可以得到過程的主體水平方向運動較統(tǒng)一，均為東北方向，相對運動較少，但是在邊緣區(qū)域，部分粒子會向主體方向運動；在垂直方向上，主體和邊緣均為垂直向下運動，但是最邊緣區(qū)域不是垂直向下，而是傾向中心向下。因此在整個過程中，邊緣區(qū)域是在對主體區(qū)域不斷進行補償，從而使過程維持發(fā)展。

圖4 2017年4月15日降水-霧過程經(jīng)過雷達掃描區(qū)域時THI模式雷達回波強度(a，b)和徑向速度(c，d)(a,c)23：31：50—23：32：21，(b,d)23：32：21—23：32：52Fig.4 Millimeter-wave radar scanning images of radar reflectivity (a, b) and radial velocity (c, d) in THI mode with the precipitation-fog process passing through the radar-scanned region during (a, c) 23：31：50-23：32：21 BT， (b, d) 23：32：21-23：32：52 BT 15 April 2017

圖5 2017年4月15日降水-霧過程經(jīng)過雷達掃描區(qū)域時的典型徑向速度(a)PPI掃描，23：18—23：24，(b)RHI掃描，方位角300°，23：28—23：29Fig.5 Typical radial velocity image with the precipitation-fog process passing through the radar-scanned region on 15 April 2017(a) PPI scan during 23：18-23：24 BT, (b) RHI scan during 23：28-23：29 BT at azimuth angle 300°

2.2 能見度站和自動氣象站的觀測

從2.1.1節(jié)的分析可得，在時段1，過程主要影響位于毫米波雷達西面的3個站點：大貓島站、涼帽山島站和白鵝山礁站；在時段2，過程主要影響的是毫米波雷達北面的3個站點：金雞山站、南海學(xué)校站、老鼠山嶼站；另外過程對岙山萬向站的影響跨越了兩個時段。受影響時各個站點的能見度變化情況如圖6和表2所示。從表2可以看到，受過程影響，各個站點的能見度都出現(xiàn)了大幅度的下降。將圖2和圖6進行對照，可以得到，站點能見度都是在過程接近時開始下降，在過程即將離開時達到最低(除大貓島繼續(xù)下降)。

對過程過境前后毫米波雷達掃描區(qū)域及掃描區(qū)域外附近區(qū)域的自動氣象站降水資料進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示在過程過境的相應(yīng)時段，毫米波雷達掃描區(qū)域內(nèi)未觀測到有效降水，掃描區(qū)域外附近區(qū)域共觀測到4次0.1 mm的有效降水(小干島23：44，小干島23：46，大榭南23：48，大榭東00：06)，表明此過程主要帶來的是霧而非降水。

圖6 2017年4月15日降水-霧過程經(jīng)過能見度站時站點能見度變化(a)大貓島站,(b)涼帽山島站,(c)白鵝山礁站,(d)岙山萬向站,(e)金雞山站,(f)南海學(xué)校站,(g)老鼠山嶼站,(h)岙山萬向站Fig.6 Variations of visibility with the processing passes through the visibility stations on 15 April 2017(a) Damaodao Station, (b) Liangmaoshandao Station, (c) Baieshanjiao Station, (d) Aoshanwanxiang Station, (e) Jinjishan Station, (f) Nanhai School Station, (g) Laoshushany

表2 過程過境前和過境時各站點能見度(單位：m)Table 2 Visibility at stations before and during the transit of the precipitation-fog process (unit: m)

3 低空雷達反射率強度和近地面能見度關(guān)系

對于雷達反射率(Z)和能見度(Vis)之間的關(guān)系，國外已經(jīng)進行過一些研究。Gultepe et al(2006；2009)根據(jù)試驗結(jié)果得出符合γ分布的能見度經(jīng)驗關(guān)系式為：

Vis=0.04e-0.098 836Z

式中：Z的單位是dB，Vis的單位是km。Li et al(2014)得出的經(jīng)驗關(guān)系式為

Vis=0.018Z-0.262

式中：Z的單位是mm6·m-3，Vis的單位是km。通過對比得出Vis=aZb指數(shù)關(guān)系模型的擬合效果優(yōu)于基于γ分布的擬合效果(Li et al，2017)，因而以下對雷達反射率強度和能見度之間的關(guān)系也采用Vis=aZb模型。

從2.2節(jié)的分析可知在過程離開前站點能見度隨時間逐漸下降的過程，而毫米波雷達對各個站點的掃描實際上都是處于站點上空幾百米的位置(根據(jù)各個站點離開毫米波雷達的位置不同，最低為岙山萬向站的235 m，最高為金雞山社區(qū)站的660 m)，從高空影響地面需要一定的時間，因而在擬合時選取的能見度不僅是毫米波雷達掃描時刻的能見度，對之后一小段時間內(nèi)的能見度也分別作了擬合，得到雷達反射率與掃描后3 min左右站點的能見度擬合效果最佳。根據(jù)2.1.3節(jié)的計算結(jié)果，霧區(qū)的平均垂直速度在2～3 m·s-1，3 min左右的時間差正好與液態(tài)水從毫米波雷達掃描高度到達地面的時間相一致。

對上述效果最佳的能見度和雷達反射率進行擬合，得到的關(guān)系式為

Vis=2.283Z-0.121

式中：Z的單位是dBz，Vis的單位是km。擬合曲線和觀測數(shù)據(jù)如圖7所示。從圖2可以看到金雞山社區(qū)站位于兩個強回波區(qū)域之間，使得其能見度值和雷達反射率之間的關(guān)系與其他站點差異較大，因而在擬合時排除了該站點。從圖7可以看到，在擬合曲線的上方和下方具有部分數(shù)據(jù)點偏離較遠，對數(shù)據(jù)進行進一步分析發(fā)現(xiàn)偏高的數(shù)據(jù)點均來自于西部，偏低的數(shù)據(jù)點主要來源于岙山萬向站。從表2可以看到，西部站點在過程過境前和過境時能見度值都要高于北部站點，導(dǎo)致擬合后西部站點部分數(shù)據(jù)點偏高。造成這一現(xiàn)象的可能原因有兩個:一是這兩個區(qū)域的能見度站分屬兩個地區(qū)，觀測儀器的校準不一致，導(dǎo)致觀測結(jié)果的差異；二是過程經(jīng)過了中間這一段海區(qū)之后，性質(zhì)發(fā)生了改變，從而能見度出現(xiàn)了明顯差異。偏低的數(shù)據(jù)點，主要是因為岙山萬向站的能見度在22：10左右就已經(jīng)降至1 000 m以下，過程的影響使該站點從大霧加強為濃霧，與其他站點相比，其能見度始終明顯偏低，因而出現(xiàn)數(shù)據(jù)點偏離擬合曲線下方較遠的情況。

綜上所述，擬合曲線總體上較好地模擬了低空雷達反射率強度和近地面能見度之間的關(guān)系。由于觀測儀器的校準不一致或中間經(jīng)過海區(qū)等原因，以及個別站點預(yù)先已經(jīng)起霧等因素影響，導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)點與擬合曲線偏離較遠，未來還需要做一定的改進。

圖7 能見度和雷達反射率強度關(guān)系Fig.7 Relationship between visibility and radar reflectivity

4 結(jié) 論

通過對毫米波雷達數(shù)據(jù)和能見度站數(shù)據(jù)的分析，得出的主要結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)PPI模式掃描結(jié)果，降水-霧過程的空間尺度約為15 km，強雷達反射率中心分為幾個區(qū)域，集中度不高，最強反射率在25 dBz左右，最弱反射率在-20 dBz左右。

(2) 結(jié)合RHI模式和THI模式掃描結(jié)果，完整地展示了降水-霧過程從連續(xù)降水到零星降水，之后降水停止在近地面形成雨霧系統(tǒng)，再到轉(zhuǎn)變?yōu)殪F的垂直結(jié)構(gòu)變化過程。

(3) 通過徑向速度的分析，顯示過程的主體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，邊緣區(qū)域在對主體區(qū)域進行補償，使過程維持發(fā)展。

(4) 毫米波雷達西部能見度站點在過程過境前和過境時能見度值都要高于北部站點。各站點能見度在過程接近時開始下降，在過程即將離開時達到最低(除大貓島繼續(xù)下降)。降水資料分析表明此過程主要帶來的是霧而非降水。

(5) 用Vis=aZb的經(jīng)驗公式探索低空雷達反射率強度和近地面能見度關(guān)系，得到a=2.283，b=-0.121的擬合結(jié)果，總體上較好地模擬了低空雷達反射率強度和近地面能見度之間的關(guān)系。