李 云 沃偉峰 方艷瑩

(寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

新一代多普勒天氣雷達(dá)不僅能探測(cè)氣象目標(biāo)的位置和強(qiáng)度,還能探測(cè)目標(biāo)的徑向速度和速度譜寬,得到大氣風(fēng)場(chǎng)信息，對(duì)短臨天氣尤其是對(duì)突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣如雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷、下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)揮了重要作用,是防災(zāi)減災(zāi)氣象保障必不可少的工具[1]。但新一代多普勒天氣雷達(dá)只發(fā)射和接收水平偏振電磁波,對(duì)降水系統(tǒng)內(nèi)部水凝物粒子相態(tài)的識(shí)別能力和對(duì)降水的估測(cè)能力非常有限。具有雙線偏振功能的多普勒天氣雷達(dá)可以同時(shí)發(fā)射水平和垂直方向的電磁波,可探測(cè)水平偏振反射率因子ZH、差分反射率ZDR、相關(guān)系數(shù)CC、差分傳播相移率KDP等與降水粒子類(lèi)型、形狀和分布等要素密切相關(guān)的參數(shù),對(duì)降水粒子的相態(tài)識(shí)別、空間分布、降水估測(cè)等都有較好的指示意義[2-3]。雙偏振天氣雷達(dá)是新一代天氣雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),自2011年至2014年底美國(guó)完成了其境內(nèi)158部WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)的雙偏振功能升級(jí)改造[3],我國(guó)近年來(lái)也逐漸開(kāi)展了雙偏振雷達(dá)的升級(jí)改造工程。2019年2月寧波新一代多普勒天氣雷達(dá)升級(jí)改造完成并投入應(yīng)用,分辨率達(dá)到250 m,采用業(yè)務(wù)應(yīng)用廣泛的雙發(fā)雙收(SHV)模式,利用模糊邏輯算法，對(duì)強(qiáng)對(duì)流降水粒子進(jìn)行相態(tài)識(shí)別。

由于S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在我國(guó)業(yè)務(wù)應(yīng)用不久,對(duì)其偏振參量產(chǎn)品的研究應(yīng)用還處于初始階段,尤其是一線業(yè)務(wù)人員對(duì)其認(rèn)識(shí)還較少。本文通過(guò)介紹雙偏振雷達(dá)的主要偏振參量產(chǎn)品以及已有的研究成果,并利用寧波雙偏振雷達(dá)探測(cè)資料，分別對(duì)一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程和熱帶氣旋的降水過(guò)程，進(jìn)行降水粒子相態(tài)識(shí)別以及強(qiáng)度分析等應(yīng)用研究,為業(yè)務(wù)人員在開(kāi)展雙偏振多普勒天氣雷達(dá)應(yīng)用方面，提供一些參考和幫助。

1 差分反射率ZDR

偏振雷達(dá)的偏振(或極化)是指電磁波在傳播時(shí)其電場(chǎng)的振動(dòng)方向,電場(chǎng)在水平方向振動(dòng)的稱(chēng)為水平偏振波,在垂直方向振動(dòng)的稱(chēng)為垂直偏振波,常規(guī)天氣雷達(dá)只發(fā)射一種偏振波即水平偏振波,雙偏振雷達(dá)可同時(shí)發(fā)射水平和垂直兩種電磁波。在實(shí)際中粒子并非總是球形,反射率在不同極化方向上會(huì)產(chǎn)生差異,差分反射率ZDR就是用來(lái)描述雷達(dá)水平和垂直反射率因子的差別,計(jì)算公式為:

(1)

其中ZH是水平偏振的反射率因子,Zv是垂直偏振的反射率因子。差分反射率ZDR表達(dá)了一個(gè)探測(cè)空間體(距離庫(kù))平均的粒子形狀,ZDR大小與粒子的尺寸和軸比(粒子的半短軸和半長(zhǎng)軸的比率,表示扁平率)有關(guān),ZDR單位為dB,典型取值范圍為-2～6 dB[4]。

研究表明[3]，粒子直徑大于1 mm的雨滴都是非球形的,可以近似為扁球體,雨滴越大越扁。小雨滴近似于球形,ZH≈ZV,ZDR接近于0;大雨滴的ZH>ZV,ZDR>0,雨滴越大,ZDR越大。理論上對(duì)S波段雷達(dá)而言，當(dāng)雨滴直徑分別為2 mm、4 mm、6 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的ZDR值分別為0.5 dB、2.1 dB和3.8 dB;大氣中豎向橢圓形的冰晶ZH

通過(guò)寧波雙偏振雷達(dá)2019年以來(lái)的多次過(guò)程應(yīng)用發(fā)現(xiàn),結(jié)合反射率因子后，差分反射率ZDR可以有效識(shí)別粒子的相態(tài)和尺寸。圖1為2019年3月21日11∶02(北京時(shí),下同)強(qiáng)對(duì)流的0.5°仰角反射率因子和偏振參量回波圖。由圖1a可見(jiàn)，在風(fēng)暴單體中心出現(xiàn)了ZH>60 dBZ的強(qiáng)反射率因子核心(圖1a中白色方框區(qū)域),對(duì)應(yīng)差分反射率(圖1c)，在ZDR大值中出現(xiàn)了ZDR的較小值,尤其是在65 dBZ以上的區(qū)域,ZDR為0～-1.4 dB,說(shuō)明此處出現(xiàn)了冰雹,且冰雹的周?chē)谴笥陞^(qū),實(shí)測(cè)此地出現(xiàn)了直徑1～2 cm的冰雹。在風(fēng)暴單體的外圍ZH<35 dBZ的區(qū)域(如黑色方框包圍區(qū)域),ZDR值在-0.3～1 dB之間,說(shuō)明粒子較接近球形,為小雨滴區(qū),但每一個(gè)小雨滴并不為完全的球形,有的ZDR值略小于0;在風(fēng)暴反射率因子>35 dBZ的區(qū)域,ZDR普遍出現(xiàn)了1 dB以上的值,說(shuō)明對(duì)流風(fēng)暴主體部分雨滴較大,同時(shí)在核心區(qū)的前側(cè)，ZDR值最大達(dá)到了4～5 dB,說(shuō)明在風(fēng)暴單體的前側(cè)出現(xiàn)了大雨滴,此處大雨滴的形成是粒子大小篩選和長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)的結(jié)果[3]。

圖1 2019年3月21日11∶02強(qiáng)對(duì)流的0.5°仰角反射率因子和偏振參量回波圖(a.ZH、b.KDP、c.ZDR、d.CC)

圖2為2019年10月1日14∶54 1918號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”的0.5°仰角反射率因子和偏振參量圖(此時(shí)“米娜”中心位于寧波雷達(dá)東南130 km附近,7級(jí)風(fēng)圈半徑為200～330 km)。圖2a中反射率因子強(qiáng)度多在35～50 dBZ之間,但差分反射率ZDR值(圖2b)非常小,均在-0.5～1 dB之間,在2019年其他的熱帶氣旋降水中，也都顯示存在如此特征(圖略),說(shuō)明熱帶氣旋基本是由小于等于2 mm的小雨滴組成,這是熱帶降水的一個(gè)典型特征,可能是由于缺少冰相的增長(zhǎng)過(guò)程造成的[3]。

圖2 2019年10月1日14∶54 1918號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”的0.5°仰角反射率因子和偏振參量圖(a.ZH、b.ZDR、c.KDP、d.CC)

另外，ZDR也可以用來(lái)識(shí)別對(duì)流風(fēng)暴中的上升氣流位置。在強(qiáng)的上升氣流區(qū),雨滴會(huì)被上升氣流帶到0 ℃層以上,產(chǎn)生過(guò)冷水滴,過(guò)冷水滴的ZDR仍為正值,就會(huì)在0 ℃層以上ZDR為0或負(fù)值的區(qū)域出現(xiàn)正的ZDR值,同時(shí)可以在風(fēng)暴單體中觀測(cè)到正的ZDR呈垂直柱狀分布,也就是ZDR柱[5，8-9],正的ZDR頂端可以延伸到0 ℃層以上1～2 km,ZDR柱常出現(xiàn)在風(fēng)暴發(fā)展達(dá)到成熟階段前。圖3為2019年3月21日9∶49強(qiáng)對(duì)流1.5°仰角差分反射率ZDR圖和沿風(fēng)暴移動(dòng)方向的ZDR垂直剖面。由圖3a可知，在1.5°仰角(4.3 km左右高度)仍有ZDR的大值區(qū),最大值達(dá)4.19 dB,從ZDR垂直剖面圖(圖3b)可知1 dB值伸展到了5.5 km高度(約-10 ℃層高度),結(jié)合反射率因子(圖略)可知，此ZDR柱剛好位于風(fēng)暴單體前側(cè)入流區(qū)。

圖3 a.2019年3月21日9∶49強(qiáng)對(duì)流的1.5°仰角差分反射率ZDR圖、b.沿風(fēng)暴移動(dòng)方向的ZDR垂直剖面

2 相關(guān)系數(shù)CC

相關(guān)系數(shù)CC用來(lái)描述水平和垂直極化的回波信號(hào)變化的相似度,可用于區(qū)分降水和非降水、數(shù)據(jù)質(zhì)量改善以及雷達(dá)取樣體內(nèi)水凝物粒子的均勻性識(shí)別,取值范圍為0～1.00[4]。相關(guān)系數(shù)CC與取樣體中降水粒子的均質(zhì)性密切相關(guān),均質(zhì)性越好,相關(guān)系數(shù)越大,可用來(lái)判斷水凝物相態(tài)的均一性。如果取樣體只包含雨或雪,則CC值接近1,如果取樣體既包含雨滴又包含冰雹,則相關(guān)系數(shù)會(huì)明顯降低。對(duì)于S波段雷達(dá)來(lái)說(shuō),尺寸較大的干冰雹CC值常小于0.85,干的小冰雹CC值在0.9～0.95之間,濕冰雹CC值在0.9～0.96之間。CC常常受到地物雜波和旁瓣回波的影響,非氣象目標(biāo)CC值較低,值得注意的是由于衰減,在強(qiáng)降水的后側(cè)，CC會(huì)出現(xiàn)明顯的低值。同時(shí)，在反射率因子小于20 dBZ以及波速展寬在長(zhǎng)距離后,CC會(huì)出現(xiàn)不可靠值[3]。

如圖1 d所示，在強(qiáng)對(duì)流單體核心區(qū)外圍,相關(guān)系數(shù)基本為接近1的值,說(shuō)明此處為相態(tài)均一的液態(tài)降水回波。在風(fēng)暴核心區(qū),在ZH大、ZDR<0的區(qū)域,CC值出現(xiàn)了下降,在0.85～0.95之間,說(shuō)明出現(xiàn)了干的小冰雹。同時(shí)在白色方框的前側(cè)、風(fēng)暴的V形缺口處,出現(xiàn)了CC值小于0.7的低值區(qū),說(shuō)明此處為非氣象回波,可能是強(qiáng)上升氣流夾卷的碎片造成的粒子隨機(jī)取向,引起了隨機(jī)散射相位差異。在“米娜”臺(tái)風(fēng)降水中，整個(gè)觀測(cè)范圍相關(guān)系數(shù)CC值均為1,說(shuō)明為相態(tài)均一的液態(tài)降水回波區(qū)(圖2 d)。

相關(guān)系數(shù)CC和差分反射率ZDR還可以用來(lái)識(shí)別融化層,尤其是在中高仰角。當(dāng)高空的冰晶、雪花和軟雹下降到0 ℃層附近時(shí)，表面會(huì)發(fā)生融化,在融化過(guò)程中,液態(tài)水的相對(duì)增加導(dǎo)致介電常數(shù)的增大,對(duì)電磁波的反射能力增大,這導(dǎo)致雷達(dá)反射率、差分反射率增大。同時(shí)，融化層附近既包含固態(tài)的冰晶、雪花，也包含液態(tài)的雨滴和外包水膜的固態(tài)粒子,相關(guān)系數(shù)CC會(huì)明顯減小,出現(xiàn)一個(gè)CC低值環(huán)區(qū),融化層以下轉(zhuǎn)為以液態(tài)雨滴為主,CC又增大。如圖4a所示,2019年3月21日上午在雷達(dá)站周?chē)?.9～3.6 km高度附近出現(xiàn)了CC低值環(huán),環(huán)內(nèi)為相態(tài)均一的降雨,環(huán)外為固態(tài)的冰晶、雪花或霰粒子(軟雹),CC值都接近1。如圖4b所示，在同樣高度上，出現(xiàn)了明顯的ZDR環(huán)狀大值區(qū)；在此環(huán)狀高度以上,為ZDR<0的負(fù)值區(qū),表明此處為球形或縱向橢圓形的冰晶、雪花、霰粒子或干冰雹。環(huán)狀大值區(qū)的出現(xiàn)，說(shuō)明此處固態(tài)的冰晶、雪花或冰雹開(kāi)始融化,出現(xiàn)外包水膜,ZDR增大。從圖4可知,對(duì)融化層的識(shí)別，采用相關(guān)系數(shù)CC，比采用差分反射率ZDR更清晰,這是由于融化層下雨滴會(huì)產(chǎn)生ZDR正值。另外，ZH、CC和ZDR相互配合，也可以用來(lái)識(shí)別雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖4 2019年3月21日上午融化層識(shí)別(a.CC、b.ZDR)

3 差分傳播相移率KDP

在雨中水平極化的電磁波相比垂直極化的要慢一點(diǎn),不同極化方向上的傳播路徑存在相位差,用?DP表示,?DP與粒子的形狀和密度有關(guān),當(dāng)粒子為圓球形時(shí)，?DP=0,當(dāng)粒子為橫橢圓形時(shí)，?DP>0;當(dāng)粒子成豎橢圓形時(shí)，?DP<0;?DP還與粒子的密度有關(guān),同一探測(cè)區(qū)域內(nèi)粒子的密度越大,?DP值越大。差分傳播相移率KDP指水平偏振和垂直偏振脈沖沿著某一段傳播路徑的相位差與路徑長(zhǎng)度之比。KDP的計(jì)算公式為:

(2)

式中,r1和r2分別為測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2與雷達(dá)的距離,KDP是單位距離的?DP,一般典型取值范圍是-0.5～8°/km[4]。KDP對(duì)冰雹和波速阻擋不敏感,與降水率線性相關(guān),可以用來(lái)估測(cè)降水,KDP正值越大,扁平粒子越多,降水量越大。理論上,當(dāng)雨滴直徑小于4 mm時(shí),KDP的值幾乎是0;只有當(dāng)雨滴直徑大于4 mm時(shí),KDP隨著雨滴直徑的增加而明顯增加,同時(shí)降雨強(qiáng)度越大,KDP越大。干冰雹的KDP較小,接近0或是負(fù)值,通常在-0.5～0.5°/km之間,大的冰雹KDP波動(dòng)很大,有時(shí)不能獲得符合質(zhì)量控制的KDP值,S波段多普勒雷達(dá)當(dāng)CC<0.80時(shí),不計(jì)算KDP,KDP會(huì)出現(xiàn)缺值;另外對(duì)于S波段雷達(dá),直徑較小的濕冰雹，KDP值會(huì)出現(xiàn)很大的正值[4]。

圖5為2019年3月21日10∶12和11∶02反射率因子ZH及差分傳播相移率KDP圖。在反射率因子ZH<35 dBZ的區(qū)域(圖5a、5c中黑色方框),KDP在-0.1～0.1°/km之間(圖5b、5d中黑色方框),說(shuō)明此處雨滴為小雨滴且雨強(qiáng)較小。在接近風(fēng)暴核心區(qū),隨著反射率因子的增大,KDP逐漸增大,在ZH>40 dBZ以上區(qū)域，出現(xiàn)KDP>0.5°/km的值,在50 dBZ以上區(qū)域,出現(xiàn)KDP>1°/km的值,說(shuō)明出現(xiàn)大雨滴且雨強(qiáng)較大。10∶12和11∶02在風(fēng)暴的核心區(qū)，0.5°仰角最強(qiáng)反射率因子高達(dá)71 dBZ(圖5a、5c),兩個(gè)時(shí)刻還分別出現(xiàn)了三體散射和旁瓣回波,據(jù)此可判斷應(yīng)有2 cm以上的大冰雹出現(xiàn),但從圖5b可知,10∶12在反射率大于等于65 dBZ的區(qū)域,出現(xiàn)了KDP>5°/km的明顯偏大的KDP值,最大達(dá)到11.2°/km,說(shuō)明此時(shí)這個(gè)中心是大量密集的直徑小于12 mm的濕冰雹,且伴有強(qiáng)降水,這與實(shí)況相符,信息員報(bào)告出現(xiàn)了1 cm以下的冰雹,附近測(cè)站分鐘雨強(qiáng)達(dá)2.7 mm。11∶02雖然反射率因子強(qiáng)度和形狀與10∶12的相似,但從KDP來(lái)看，強(qiáng)核心區(qū)南側(cè)出現(xiàn)了KDP的空缺(圖5 d),且核心區(qū)KDP極大值為5.2°/km,明顯小于10∶12的核心值,結(jié)合ZDR和CC可知，此處以干冰雹為主,雨強(qiáng)較10∶12的減小，強(qiáng)降水范圍較10∶12的縮小,附近測(cè)站降水分鐘雨強(qiáng)為0.7 mm。這表明KDP可以幫助識(shí)別區(qū)分干濕冰雹和強(qiáng)降水。

圖5 2019年3月21日10∶12和11∶02反射率因子ZH及差分傳播相移率KDP圖(a.10∶12 ZH、b.10∶12 KDP、c.11∶02 ZH、d.11∶02 KDP)

在1918號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”的降水中,從差分反射率ZDR可知，熱帶氣旋降水粒子尺寸較小(圖2b),從KDP來(lái)看(圖2c),也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在ZH<40 dBZ的區(qū)域，差分傳播相移率KDP<0.2°/km,說(shuō)明雨滴和雨強(qiáng)都很小；但在ZH>40 dBZ以上的區(qū)域,雖然ZDR仍然較小,但KDP值卻明顯增大,達(dá)到0.5°/km以上；在ZH達(dá)到45～50 dBZ的區(qū)域,ZDR<1 dB,但此處KDP值達(dá)到了0.5～1.4°/km,附近鎮(zhèn)海站出現(xiàn)了39.3 mm/h的強(qiáng)降水,說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域雖然粒子尺寸較小,但是粒子密度較大,仍會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的降水回波。這表明KDP在估測(cè)強(qiáng)降水時(shí)可以單獨(dú)作為判據(jù)使用,但需注意KDP在降水超過(guò)一定量時(shí)才能較好地發(fā)揮作用,對(duì)于大雨以下的識(shí)別作用不太明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,將不同仰角ZDR和反射率因子進(jìn)行同步對(duì)比分析,對(duì)于降水粒子相態(tài)和尺寸的識(shí)別,具有較好的應(yīng)用效果。當(dāng)降水粒子為液態(tài)時(shí),差分反射率因子ZDR與降水粒子的尺寸有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,雨滴越大,ZDR越大,在熱帶氣旋降水中，ZDR值較小,顯示粒子尺寸較小;采用ZDR結(jié)合水平反射率因子ZH，可以識(shí)別冰雹區(qū),ZDR小(≤0 dB)、ZH強(qiáng)(≥55 dBZ),是冰雹的典型特征;同時(shí)，ZDR也可以用來(lái)識(shí)別上升氣流的位置。

(2)相關(guān)系數(shù)CC主要反映同一個(gè)距離庫(kù)內(nèi)粒子相態(tài)的均一性,當(dāng)降水粒子為一致的液態(tài)(雨)或固態(tài)(干雪、冰晶或霰粒子)時(shí),CC值接近1;CC可以用來(lái)識(shí)別融化層(雨雪混合相態(tài),CC值會(huì)降低),當(dāng)出現(xiàn)干的小冰雹時(shí)，CC值通常為0.90～0.95,大冰雹CC值通常小于0.85。注意單獨(dú)使用CC特征圖無(wú)法判斷降水物的具體相態(tài),需要結(jié)合基本反射率因子、ZDR等其他產(chǎn)品，CC才能較好地發(fā)揮作用。

(3)差分傳播相移率KDP與降水強(qiáng)度有關(guān),KDP越大,雨強(qiáng)越大,KDP大值區(qū)可以為強(qiáng)降水的落區(qū)提供判別依據(jù),使預(yù)報(bào)更精準(zhǔn);當(dāng)出現(xiàn)干冰雹時(shí)，KDP的值接近0或是負(fù)值,當(dāng)相關(guān)系數(shù)CC<0.8時(shí),KDP常出現(xiàn)空缺,這一特征可以用來(lái)識(shí)別大冰雹。當(dāng)反射率因子ZH<40 dBZ時(shí),KDP的值都較小,可分辨性較弱,單獨(dú)使用的效果并不明顯。

(4)值得關(guān)注的是當(dāng)冰雹在下降過(guò)程中未完全融化、具有外包水膜時(shí)，由于介電常數(shù),ZDR和KDP會(huì)呈現(xiàn)較大的值,其中ZDR可以達(dá)到3 dB以上,KDP可以達(dá)到7～11°/km以上。

綜上所述,雙偏振天氣雷達(dá)可以很好地描述粒子的尺寸、降水強(qiáng)度以及識(shí)別降水粒子的類(lèi)型,尤其對(duì)冰雹區(qū)的探測(cè)、預(yù)警以及強(qiáng)降水的估測(cè)，比常規(guī)多普勒雷達(dá)有明顯的提高。在使用過(guò)程中，要結(jié)合反射率因子強(qiáng)度以及多種偏振參量一起使用,才能更好地體現(xiàn)雙偏振雷達(dá)的真正價(jià)值。