基于雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品人工防雹作業(yè)指標(biāo)研究

陳熙航 王然 羅小杰 褚云江 鄭皎

收稿日期：2023-12-10

基金項(xiàng)目：紅河州氣象局科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)HK202310）。

作者簡(jiǎn)介：陳熙航（1990—），男，云南瀘西人，助理工程師，主要從事人工影響天氣研究工作。#通信作者：鄭皎（1973—），Email：hhmzzj@126.com。

摘 要：利用紅河多普勒雙偏振雷達(dá)資料，分析2020—2022年紅河州14個(gè)冰雹個(gè)例，反演出冰雹發(fā)生前雷達(dá)的各類參數(shù)及變化特征，提取降雹前30 min、18 min雷達(dá)特征指標(biāo)，為人工防雹作業(yè)精準(zhǔn)指揮提供科學(xué)支撐。結(jié)果表明：常規(guī)雷達(dá)參量指標(biāo)出現(xiàn)ZH≥51 dBz，TOPS≥8.3 km，VIL躍增量≥12 kg/m2，“TBSS”等特征時(shí)，可作為出現(xiàn)冰雹的判別指標(biāo)；當(dāng)雙偏振雷達(dá)參量ZDR值接近于0 dB，且符合高Zh、低ZDR特征，KDP值小于1°/㎞，CC值在0.85～0.95之間，可作為冰雹預(yù)報(bào)的指標(biāo)。對(duì)HDR檢驗(yàn)結(jié)果表明，降雹前30 min、18 min預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率均很高，可作為冰雹重要判別指標(biāo)來(lái)使用。

關(guān)鍵詞：人工防雹；雙偏振雷達(dá)；指標(biāo)

中圖分類號(hào)：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

紅河州位于云南南部，地處云貴高原，是昆明準(zhǔn)靜止鋒影響最大的地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，春夏季冷暖氣流在紅河州交匯，特殊的地理位置和氣候造成了紅河州春夏季冰雹災(zāi)害頻發(fā)，給露天生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)作物造成了巨大損失。目前，人工防雹是減輕冰雹災(zāi)害的有效手段，即在冰雹云出現(xiàn)早期對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別，在冰雹云特征明顯之前進(jìn)行人工防雹作業(yè)。

我國(guó)有許多學(xué)者對(duì)人工防雹作業(yè)進(jìn)行了研究。金毅仁等[1]結(jié)合基層防雹實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，反推出冰雹的物理模型和數(shù)值模型。崔紅等[2]利用雷達(dá)資料建立了吉林省的防雹作業(yè)條件指標(biāo)，提升了冰雹云的識(shí)別率。王莎等[3]對(duì)冀東地區(qū)的冰雹云多普勒雷達(dá)參數(shù)特征進(jìn)行了分析總結(jié)，提取了各種參數(shù)與冰雹發(fā)生時(shí)的關(guān)系。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雙偏振雷達(dá)成了觀測(cè)冰雹云主要工具。雙偏振雷達(dá)通過(guò)發(fā)射水平、垂直兩種正交線極化波束，能提供的雙偏振產(chǎn)品包括差分反射率（ZDR）、差分相位（φDP）、差分相移率（KDP）和相關(guān)系數(shù)（CC），利用這些雙偏振產(chǎn)品可以監(jiān)測(cè)云中降水粒子的微物理特征和識(shí)別云中粒子的相態(tài)，得到降水粒子大小、密度、形狀、空間取向等相態(tài)信息。前期，紅河州降雹作業(yè)指揮主要依靠云南省雷達(dá)拼圖，在雷達(dá)不能覆蓋的地區(qū)，主要靠人工識(shí)別冰雹云，作業(yè)指揮效率不高。紅河州新一代雙偏振天氣雷達(dá)在2019年11月建成，2020年正式投入使用，是云南省第一部C波段雙偏振雷達(dá)。當(dāng)前，紅河州還未開展冰雹云有效識(shí)別及預(yù)警方面的研究，尚未建立本地客觀定量化的識(shí)別技術(shù)和作業(yè)判別指標(biāo)，人工防雹作業(yè)的盲目性

較大[4-5]。

對(duì)2020—2022年紅河州出現(xiàn)的所有冰雹過(guò)程進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，剔出受靜錐區(qū)等原因影響雷達(dá)探測(cè)完整性的個(gè)例，遴選出14個(gè)冰雹個(gè)例，運(yùn)用天氣學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了降雹前雷達(dá)常規(guī)參量和雙偏振雷達(dá)參量等特征，提取降雹前30 min和18 min雷達(dá)特征指標(biāo)。冰雹特征指標(biāo)的建立和應(yīng)用能大幅提升紅河州人工防雹作業(yè)指揮水平，增強(qiáng)了作業(yè)的針對(duì)性和精準(zhǔn)度。

1 資料選取

1.1 冰雹個(gè)例來(lái)源

以紅河C波段雙偏振新一代天氣雷達(dá)站為中心，觀測(cè)半徑在20～150 km范圍內(nèi)，選取2020—2022年出現(xiàn)的冰雹直徑大于5 mm的14次冰雹天氣過(guò)程（表1）。雷達(dá)基本參數(shù)如下：天線饋源海拔2 491 m，雷達(dá)波長(zhǎng)5.5 cm，采用水平、垂直雙極化方式，強(qiáng)度監(jiān)測(cè)≥

400 km，雙偏振測(cè)量≥150 km，采用VCP21觀測(cè)模式，數(shù)據(jù)平均間隔為6 min。冰雹災(zāi)情資料取自云南省災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)。

1.2 雷達(dá)產(chǎn)品

選取某一地點(diǎn)，以離降雹發(fā)生時(shí)最接近的體掃為基準(zhǔn)，向前推3個(gè)雷達(dá)體掃為降雹前18 min，向前推5個(gè)體掃為降雹前30 min的雷達(dá)數(shù)據(jù)。雷達(dá)數(shù)據(jù)采用紅河雷達(dá)站觀測(cè)到的基數(shù)據(jù)，通過(guò)北京敏視達(dá)公司提供的RPG和PUP程序進(jìn)行回放，利用相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行冰雹特征識(shí)別，包括常規(guī)雷達(dá)參量：水平反射率因子（ZH）、回波頂高（TOPS）、垂直累積液態(tài)水含量（VIL）；雙偏振參量：差分反射率因子ZDR、差分相位常數(shù)KDP、相關(guān)系數(shù)CC；利用SCIT算法得到的冰雹指數(shù)HI產(chǎn)品和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)SS產(chǎn)品。

2 雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

2.1 常規(guī)雷達(dá)參量特征

通過(guò)對(duì)14個(gè)冰雹個(gè)例的ZH分析發(fā)現(xiàn)（表1），降雹前30 min，有11個(gè)個(gè)例出現(xiàn)雹云回波，ZH中心強(qiáng)度最小52 dBz，最大66 dBz，平均59 dBz。降雹前18 min，有13個(gè)個(gè)例出現(xiàn)雹云回波，中心強(qiáng)度最小51 dBz，最大66 dBz，平均61 dBz。有1個(gè)個(gè)例捕捉到雹云回波時(shí)距降雹僅為12 min，中心最大強(qiáng)度44 dBz。從統(tǒng)計(jì)來(lái)看，降雹前30 min、18 min漏測(cè)率分別為21.4%、7.1%，2個(gè)時(shí)段雹云回波中心強(qiáng)度變化不明顯，ZH≥51 dBz可作為降雹的判別指標(biāo)。

從回波頂高TOPS來(lái)看，均超過(guò)-20 ℃層高度，降雹前30 min和18 mim無(wú)明顯變化。前30 min最高19.2 km，最低8.3 km，平均12.1 km。前18 min最高15.7 km，最低8.4 km，平均12.3 km?；夭敻逿OPS≥8.3 km，

且超過(guò)-20 ℃層高度可作為降雹的判別指標(biāo)。

從垂直累積液態(tài)水含量（VIL）來(lái)看，除2次冬季降雹過(guò)程外，其余12次均在降雹前30 min內(nèi)出現(xiàn)躍增，最大躍增量達(dá)32 kg/m2，最小12 kg/m2。在14個(gè)個(gè)例中，共有2次冬季降雹過(guò)程，均表現(xiàn)為垂直累積液態(tài)水相對(duì)較小且未出現(xiàn)顯著躍增。垂直累積液態(tài)水含量躍增量≥12 kg/m2可作為春夏季降雹的判別指標(biāo)。

有研究證明[6]，“TBSS”是降雹的充分條件。本研究14個(gè)冰雹樣本中，有10次提前出現(xiàn)了“TBSS”，出現(xiàn)率為71.4%，其中提前量最大為60 min，最小12 min。

是否出現(xiàn)“TBSS”可作為降雹的主要判別指標(biāo)。

2.2 雙偏振雷達(dá)參量特征

常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)無(wú)法通過(guò)回波強(qiáng)度和徑向速度特征來(lái)區(qū)別不同相態(tài)的降水粒子，而雙線偏振雷達(dá)通過(guò)發(fā)射水平、垂直兩種正交線極化波束，得到豐富的雷達(dá)偏振參量[7]，利用雙偏振參量實(shí)現(xiàn)對(duì)冰雹生消的有效監(jiān)測(cè)并建立判別指標(biāo)，對(duì)制定相對(duì)有效的作業(yè)方案，提高作業(yè)效率具有重要意義。

2.2.1 差分反射率因子（ZDR）

ZDR反映降水粒子偏離球形的情況，同時(shí)反映粒子群體在空間的取向情況，利用高ZH 、低ZDR的特性可區(qū)分和判別云內(nèi)水成物粒子的相態(tài)[8-9]。通常情況下冰雹由于翻轉(zhuǎn)作用，總體效果接近球形，ZDR值接近于

0 dB，通過(guò)對(duì)14個(gè)冰雹個(gè)例的分析可以看出，降雹前30 min ZDR接近0 dB（±1之間）的概率為54.5%，前

18 min為53.8%，基本符合高Zh 、低ZDR的特征。

從統(tǒng)計(jì)來(lái)看，降雹前30 min和18 min ZDR最大值為6.51 dB，最小值為-2.65 dB，表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性。主要原因有2個(gè)方面，一是強(qiáng)烈的上升氣流將低層液滴和表面融化的冰雹帶到高層，使粒子含水量和扁平程度增大，降落到融化層后形成外包水膜的大冰雹或大雨滴，在大冰雹周圍存在大量較小的濕雹或大雨滴，呈更扁的橢球形，會(huì)造成ZDR異常值；二是由于C波段雷達(dá)衰減特性及冰雹粒子的大小不均勻等因素造成，需進(jìn)一步研究和細(xì)化。

2.2.2 差分相位常數(shù)（KDP）

KDP是表征不同偏振分量在傳播路徑上，因傳播系數(shù)不同引起的相位變化。KDP的大小能反映出液態(tài)含水量的多少、較大水滴聚集區(qū)，且不受強(qiáng)度標(biāo)定和部分阻擋的影響，實(shí)際工作中常用來(lái)判別強(qiáng)降水和上升氣流，冰雹表面越濕則KDP值越大[10-11]。

分析14個(gè)冰雹個(gè)例可知，降雹前30 min KDP值最大值4.59°/km，最小值-0.05°/km，小于1°/km占72.7%。降雹前18 min KDP值最大1.3 °/km，最小值-0.07°/km，

小于1°/km占84.6%。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出：冰雹的KDP值通常小于1°/km，表現(xiàn)為干冰雹，當(dāng)KDP值異常大時(shí)，可考慮為融化的濕冰雹。它的局限性在于當(dāng)CC＜0.８時(shí)不進(jìn)行計(jì)算，因此會(huì)出現(xiàn)KDP空洞。

2.2.3 相關(guān)系數(shù)（CC）

CC主要用于描述水平和垂直偏振回波信號(hào)變化的幅相一致性，CC的大小與粒子的軸化、傾斜角、形狀不規(guī)則性以及相態(tài)有關(guān)。通常情況下，降水粒子均勻性和相關(guān)性較好，CC值接近1.0，混合水凝物因粒子形態(tài)呈現(xiàn)多樣性，相關(guān)性明顯偏弱，小冰雹CC值一般在0.90～0.95，大冰雹和冰水混合區(qū)CC值低于0.9，但一般都在0.85以上[12]。

分析14個(gè)個(gè)例可知，降雹前30～6 min，觀測(cè)到CC值出現(xiàn)明顯變化（0.85～0.95）的占78.63%，其中有2個(gè)個(gè)例前6 min才出現(xiàn)，占18.2%，其余均在前30至12 min出現(xiàn)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，當(dāng)冰雹和大雨滴混合時(shí)，ZDR難以區(qū)分，而0.85≤CC≤0.95可作為判斷是否存在冰雹的可用指標(biāo)。

3 人工防雹判別指標(biāo)（HDR）

研究發(fā)現(xiàn)，ZDR與粒子大小和形狀的扁圓程度緊密相關(guān)，液態(tài)水的ZDR值通常大于0 dB，變化范圍在0～4 dB，與水平反射率因子ZH呈正相關(guān)[13-14]。與周圍雨區(qū)相比，冰雹的ZDR值則趨近于0 dB，高ZH 、低ZDR是冰雹存在的主要特征[15-16]。根據(jù)這一結(jié)果，提出用參量HDR=ZH（dBz）-f（ZDR）來(lái)判斷冰雹區(qū)，當(dāng)HDR＞0時(shí)，認(rèn)為有冰雹區(qū)存在，其中f（ZDR）取值見下式：

通過(guò)對(duì)14個(gè)冰雹個(gè)例HDR進(jìn)行檢驗(yàn)，降雹前30 min，

均滿足HDR＞0，準(zhǔn)確率為100%，降雹前18 min，準(zhǔn)確率92.8%。

4 結(jié)論

分析2020—2022年紅河州出現(xiàn)的14個(gè)冰雹個(gè)例常規(guī)雷達(dá)參數(shù)、雙偏振雷達(dá)參數(shù)、冰雹指數(shù)HI產(chǎn)品和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)SS產(chǎn)品，得出冰雹發(fā)生前的雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)和變化特征，為紅河州人工防雹作業(yè)指揮提供可用性指標(biāo)。

（1）降雹前30 min預(yù)警指標(biāo)可為人工防雹作業(yè)提供寶貴的準(zhǔn)備時(shí)間，降雹前18 min預(yù)警指標(biāo)可為人工防雹作業(yè)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

（2）規(guī)雷達(dá)產(chǎn)品指標(biāo)：ZH≥51dBz，回波頂高TOPS

≥8.3 km，且超過(guò)-20 ℃層高度，垂直累積液態(tài)水含量VIL躍增量≥12 kg/m2，是否出現(xiàn)“TBSS”可作為是否出現(xiàn)冰雹的判別指標(biāo)?！癇WER”“鉤狀回波”“旁瓣回波”“V形缺口”等雷達(dá)回波特征的出現(xiàn)能進(jìn)一步判別出現(xiàn)降雹和大風(fēng)的可能性。

（3）雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品指標(biāo)：ZDR值接近于0 dB，且符合高Zh 、低ZDR特征，KDP值通常小于1°/km，CC值出現(xiàn)明顯變化，且滿足0.85≤CC≤0.95，可作為冰雹預(yù)報(bào)指標(biāo)。

（4）HDR判別冰雹在降雹前30 min、18 min準(zhǔn)確率均較高，可作為人工防雹的重要指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 金毅仁，陳鍇，金山，等.某型C波段多普勒天氣雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江信息通信，2023，36（1）：12-15.

[2] 崔紅，劉敏，張同，等.吉林省人工防雹作業(yè)指標(biāo)分析[J].氣象災(zāi)害防御，2018，25（2）：37-39.

[3] 王莎，沙勇，宋金妹，等.冀東地區(qū)冰雹云多普勒雷達(dá)參數(shù)特征分析[J]，氣象，2019，45（5）：714-722.

[4] 鄭旭程，達(dá)布希拉圖，蘇立娟，等.冰雹發(fā)生的天氣環(huán)境條件及識(shí)別指標(biāo)[J]，干旱區(qū)資源與環(huán)境，2018，32（12）：117-122.

[5] 楊淑華，梁進(jìn)秋，張玉芳，等.冰雹天氣的多普勒雷達(dá)特征統(tǒng)計(jì)分析.[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2014，23（3）：101-106.

[6] 周鑫.基于多普勒天氣雷達(dá)的地面風(fēng)場(chǎng)反演及大風(fēng)預(yù)警方法研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2021.

[7] 王致君.偏振氣象雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用潛力[J].高原氣象，2002（5）：495-500.

[8] 曹俊武，劉黎平.雙線偏振多普勒雷達(dá)識(shí)別冰雹區(qū)方法研究[J].氣象，2006（6）：13-19.

[9] 崔夢(mèng)雪，張晗昀，張偉，等.閩南一次超級(jí)單體風(fēng)暴雙偏振特征分析[J].海峽科學(xué)，2020（4）：3-10.

[10] 馮晉勤，張深壽，吳陳鋒，等.雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品在福建強(qiáng)對(duì)流天氣中過(guò)程中的應(yīng)用分析[J].氣象，2018，44（12）：1565 -1574.

[11] 蔣尚雄，李松，楊依山，等.C波段多普勒天氣雷達(dá)故障維修及維護(hù)管理措施[J].中國(guó)高新科技，2023（14）：152-153，160.

[12] 劉紅亞，楊引明，張晶，等.一次冰雹天氣的WSR－88D雙偏振雷達(dá)特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2020，43（2）：1-9.

[13] 鐘謝非，陳海亮，勞漢瓊.湛江2019年4次冰雹雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用分析[J].廣東氣象，2023，45（3）：54-57，61.

[14] 鄭啟康，何敏玲，李兆明，等.一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征分析[J].廣東氣象，2018，40（5）：15-18.

[15] 楊立洪，劉小燕，陳玉華.雙偏振雷達(dá)相關(guān)系數(shù)的產(chǎn)品分析[J].廣東氣象，2017，39（3）：69-72.

[16] 王碩甫，麥文強(qiáng)，炎利軍，等.廣東一次冰雹過(guò)程中X波段雙偏振雷達(dá)的特征分析[J].廣東氣象，2017，39（2）：12-16.