基于一次降水轉(zhuǎn)換過程的單、雙偏振雷達(dá)對比分析

摘 要：利用ERA5再分析資料及常規(guī)觀測資料、單偏振雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)等觀測資料，分析2022年11月11日—12日長春市一次雨雪轉(zhuǎn)換天氣的降水相態(tài)演變特征，以及單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)的對比分析。結(jié)果表明：單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，單偏振雷達(dá)受非氣象回波干擾較多，不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū)；單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°～240°區(qū)域存在明顯遮擋；雙偏振雷達(dá)的分差反射率和粒子分類產(chǎn)品可以較準(zhǔn)確地反映降水相態(tài)，分差反射率的大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合，是降水落區(qū)的存在。差分傳播相移和差分傳播相移率變化趨勢與降水量變化基本一致，在降水加強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，且提前于降水量變化20～30 min，對降水強(qiáng)度的增強(qiáng)具有提前指示意義。

關(guān)鍵詞：單偏振雷達(dá)；雙偏振雷達(dá)；降水相態(tài)

中圖分類號：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

降水相態(tài)是東北地區(qū)秋冬和冬春過渡季節(jié)降水預(yù)報(bào)的重要因素之一，相同的降水量，出現(xiàn)降水和出現(xiàn)降雪造成的影響截然不同[1]。降水相態(tài)及其轉(zhuǎn)換時(shí)間預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，有關(guān)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的研究由來已久，并已取得一定的研究成果[2-9]。冬季水凝物粒子與夏季粒子在偏振參量特征上差別較大，且冬季小雨、雪等粒子偏振參量特征相近，因此識別難度較大。當(dāng)前，利用雙線偏振雷達(dá)觀測冬季降雪過程的研究較少，東北區(qū)域關(guān)于此方面的研究幾乎是空

白[10-13]。因此，以吉林省長春市一次雨雪轉(zhuǎn)換天氣為研究對象，研究其降水相態(tài)演變特征及對比分析單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料來源

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)。其時(shí)間間隔為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°，該數(shù)據(jù)資料用于環(huán)流背景和物理量診斷。

地面小時(shí)常規(guī)觀測資料。該資料用于分析研究時(shí)段的小時(shí)降水量和地面溫度。

天擎小時(shí)雨雪實(shí)況資。該資料用于分析研究時(shí)段研究區(qū)域的降水相態(tài)。

單偏振、雙偏振雷達(dá)的基本反射率、雙偏振參量等的PUP數(shù)據(jù)。該資料用于分析降水過程的雷達(dá)數(shù)據(jù)特征及對比分析單偏振和雙偏振雷達(dá)基本反射率特征。

2 天氣實(shí)況與環(huán)流背景

2.1 天氣實(shí)況

2022年11月11日07：00—11月12日19：00，長春市出現(xiàn)了從液態(tài)到混合態(tài)再到固態(tài)降水的天氣過程。從圖1可知，降水主要集中在11日21：00—12日19：00，

其中長春站和雙陽站降水量較多，達(dá)到30 mm以上，公主嶺最少，僅有3.3 mm。

圖1" 2022年11月11日07：00—12日19：00長春市降水量

從吉林省小時(shí)雨雪實(shí)況（圖2）可以看出，11月12日02：00前，長春市的降水相態(tài)，以雨為主；04：00開始，長春市的降水相態(tài)以雪為主。根據(jù)時(shí)間分布來看，此次降水過程以混合態(tài)降水和固態(tài)降水為主。

2.2 天氣形勢分析

11月11日20：00，500 hPa高空槽在巴湖，吉林省位于槽前，850 hPa切變線位于吉林省西部；12日

03：00，高空槽東移，切邊線位于吉林省的中部地區(qū)。11日19：00，850 hPa比濕值在6 g/kg左右。綜上，此次降水受高空槽和低空切變線的影響，同時(shí)，配合較好的水汽和上升運(yùn)動。

3 雷達(dá)資料分析

3.1 對比分析單偏振雷達(dá)與雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征

3.1.1 不同仰角基本反射率產(chǎn)品對比

基于Rose 2.0對2022年11月11日21：18雙偏振雷達(dá)水平基本反射率和單偏振基本反射率的0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°、6.0°6個(gè)不同仰角的基本反射率分析可知，同一塊雷達(dá)降水回波在0.5°（圖3紅圈內(nèi)）和1.5°仰角單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高，平均高5 dBz；在2.4°、3.3°仰角時(shí)，該回波在雙偏振雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品中已經(jīng)不明顯，而在單偏振雷達(dá)的基本反射率產(chǎn)品中仍可以看到20 dBz以上的回波；在4.3°和6.0°仰角時(shí)，單偏振雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品中基本看不到回波，而在雙偏振雷達(dá)的基本反射率產(chǎn)品上仍可以看到20 dBz的回波。同時(shí)，從0.5°和1.5°的低仰角基本反射率產(chǎn)品可以看出，單偏振雷達(dá)受低空非氣象回波的干擾較多，導(dǎo)致不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū)，而雙偏振雷達(dá)能夠較好地反映雷達(dá)回波強(qiáng)度和落區(qū)。

a.02：00；b.04：00

圖2" 2022年11月12日吉林省小時(shí)雨雪實(shí)況

a.單偏振雷達(dá)；b.雙偏振雷達(dá)

圖3" 0.5°仰角基本反射率

3.1.2 單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)遮擋情況對比

對比分析2022年11月12日多時(shí)刻的雙偏振雷達(dá)和單偏振雷達(dá)的0.5°基本反射率，以及1 h累計(jì)降水量可知，單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°～240°區(qū)域存在明顯遮擋，導(dǎo)致回波到達(dá)此區(qū)域后無法較準(zhǔn)確地分析回波的強(qiáng)度和落區(qū)，而雙偏振雷達(dá)不存在遮擋問題，可以清晰地看到回波的強(qiáng)度和落區(qū)。

3.2 雙偏振產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析

3.2.1 基本反射率與質(zhì)控后的基本反射率

對比降水集中時(shí)段的19（公司出廠的基本反射率產(chǎn)品）和019（經(jīng)過進(jìn)一步質(zhì)控后的基本反射率產(chǎn)品），

19的顯示范圍為75 km，距離分辨率為300 m（圖4a），

019的顯示范圍為199 km，距離分辨率為150 m（圖4b），

表明經(jīng)過質(zhì)控后的數(shù)據(jù)不僅測距范圍大，且在同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間的最小可區(qū)分距離小。由于測距范圍大，019能夠全面觀察降水回波的變化，19可以更精細(xì)地分析長春市區(qū)降水回波情況。

3.2.2 差分反射率

差分反射率（ZDR）與粒子的形狀密切相關(guān)，分析12日12：52的差分反射率產(chǎn)品可知，長春市的差分反射率為0～-3 dB，此時(shí)的降水粒子形態(tài)為橢球形，絕對值越大則形狀越尖，在降水相態(tài)上表現(xiàn)為干雪，水平基本反射率大值區(qū)與差分反射率的大值區(qū)基本對應(yīng)。

3.2.3 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)（CC）可用于識別氣象回波、非氣象回波及降水相態(tài)。冰雹和濕雪的CC值為0.80～0.97；純雨和純雪的CC值＞0.97；HCL中的濕雪區(qū)域?qū)?yīng)的CC值較小，基本在0.80～0.97；100～150 km距離圈內(nèi)的純雪區(qū)對應(yīng)的CC值均較大，基本＞0.97。此外，低空靠近雷達(dá)50 km距離圈內(nèi)的純雨，在12日11：44的2.4°仰角相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品圖中可以看到明顯的零度層環(huán)，與同時(shí)刻的基本反射率中的零度層亮帶對應(yīng)。

圖4" 2022年11月12日09：56 19（a）和019（b）基本反射率

3.2.4 差分傳播相移、差分傳播相移率

差分傳播相移（φDP）與傳播距離有關(guān)，與粒子在水平、垂直方向的大小有關(guān)，與粒子的疏密度有關(guān)，對精確降水估計(jì)很有效，對雷達(dá)的標(biāo)校、衰減和波束部分阻擋不敏感，差分相移突然增大的區(qū)域表明降水回波有變強(qiáng)的趨勢。而差分傳播相移率（KDP）與傳播距離無關(guān)，與粒子在水平垂直方向的大小有關(guān)，與粒子數(shù)密度有關(guān)，反映降水回波中的純液態(tài)含水量。

這兩個(gè)參量均可以提高降水強(qiáng)度的估測，例如，在08：19的基本反射率圖（圖略）中圈出部分沒有較強(qiáng)的回波，在同時(shí)刻的φDP產(chǎn)品圖（圖略）中圈中區(qū)域存在明顯增大的區(qū)域，KDP產(chǎn)品在第二和第三象限內(nèi)存在正值區(qū)域，表明兩個(gè)區(qū)域內(nèi)回波中有液態(tài)水存在，在08：53的基本反射率雷達(dá)的第三四象限內(nèi)存在兩個(gè)較強(qiáng)降水回波區(qū)，相對應(yīng)φDP和KDP產(chǎn)品同樣位置也存在同樣增強(qiáng)的大值區(qū)。

綜上所述，差分傳播相移和差分傳播相移率增強(qiáng)與降水強(qiáng)度的加強(qiáng)存在正相關(guān)關(guān)系，且具有超前指示意義。

4 結(jié)論

（1）單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，單偏振雷達(dá)受非氣象回波干擾較多，不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū)。單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°～240°區(qū)域存在明顯遮擋。

（2）雙偏振雷達(dá)的HCL、CC、ZDR產(chǎn)品可以較準(zhǔn)確地反映降水相態(tài)，ZDR的大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合，存在較強(qiáng)降水落區(qū)。同時(shí)，CC和HCL可以反映出零度層亮帶。

（3）φDP和KDP變化趨勢與降水量變化基本一致，

在降水加強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，且提前降水量變化20～

30 min，對降水強(qiáng)度的增強(qiáng)具有提前指示意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑩瑩，徐昌龍，張昊.延邊地區(qū)春季一次罕見雨雪天氣分析[J].氣象災(zāi)害防御，2020，27（1）：1-4.

[2] 張備，尹東屏，孫燕，等.一次寒潮過程的多種相態(tài)降水機(jī)理分析[J].高原氣象，2014，33（1）：190-198.

[3] 徐亮，馬秀梅，管琴.2014年秋季青海北部地區(qū)一次寒潮暴雪過程的多種相態(tài)降水機(jī)理分析[J].青海科技，2017，24 （1）：104-109.

[4] 姜有山，束宇，李力，等.基于濕位渦和積雪效率的降雪預(yù)報(bào)技術(shù)探討[J].氣象科學(xué)，2017，37（05）：659-665.

[5] 苗愛梅，董文曉，賈利冬，等.近30a山西不同相態(tài)降水的統(tǒng)計(jì)特征及概念模型[J].干旱氣象，2014，32（1）：23-31.

[6] 王一頡，趙桂香，馬嚴(yán)枝.降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制及積雪深度預(yù)報(bào)技術(shù)研究[J].干旱氣象，2019，37（6）：964-971.

[7] 符嬌蘭，陳博宇，陳雙，等.新增積雪深度客觀預(yù)報(bào)技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].氣象，2022，48（10）：1230-1241.

[8] 劉士高，盧堯，沈陽，等.江蘇冬季2次不同類型固態(tài)降水探空數(shù)據(jù)對比[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，34（21）：136-144.

[9] 郭潤霞.北京地區(qū)夏季三次不同類型的強(qiáng)對流天氣過程的閃電特征分析[D].北京：中國氣象科學(xué)研究院，2018.

[10] 巫喬，朱永兵，黃少忠.雙線偏振天氣雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].廣東氣象，2023，45（5）：77-80.

[11] 施紅，顧松強(qiáng)，黃興友，等.上海浦東X波段雙線偏振雷達(dá)衰減訂正效果分析[J].氣象，2023，49（4）：487-494.

[12] 張玉潔，李恒昶，涂愛琴.濟(jì)寧S波段雙線偏振多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2023，43（1）：107-116.

[13] 黃海迅，周筠珺，曾勇，等.基于X波段雙線偏振雷達(dá)的貴州威寧雹胚演變特征研究[J].大氣科學(xué)，2021，45（3）：539-557.

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：解彥維（1990—），男，吉林長春人，高級工程師，研究方向?yàn)闅庀罂茖W(xué)。