宋 歌，雷 蕾，馬建立，馬俊嶺

(1.北京市房山區(qū)氣象局，北京 102488；2.北京市氣象臺(tái)，北京 100089；3.北京市城市氣象研究院，北京 100089)

0 引言

北京地形復(fù)雜，夏季強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，區(qū)域性暴雨、局地短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，對(duì)城市運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。夏季受西南季風(fēng)北上影響，暴雨頻發(fā)，2012年“7·21”，房山區(qū)成為北京特大暴雨重災(zāi)區(qū)，直接經(jīng)濟(jì)損失61億元。2018年“8·11”，大安山鄉(xiāng)軍紅路受暴雨影響發(fā)生大規(guī)模塌方，落石方量約30 000 m3。此外，冷渦等天氣背景下，山區(qū)也經(jīng)常受冰雹天氣的影響，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大的危害。2016年“6·30”強(qiáng)冰雹造成北京西南部房山區(qū)農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積0.5萬hm2，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.26億元。

目前在業(yè)務(wù)上，已有不少地區(qū)開始使用雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱“雙偏振雷達(dá)”)進(jìn)行災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、預(yù)警。與常規(guī)天氣雷達(dá)不同，雙偏振雷達(dá)能交替(或同時(shí))發(fā)射和接收水平和垂直的偏振波，即采用單發(fā)雙收(或雙發(fā)雙收)模式，除常規(guī)天氣雷達(dá)的反射率因子(R)、徑向速度(V)以及速度譜寬基本參量外，能探測(cè)到更多的偏振參量，如差分反射率因子(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(ρhv)、差傳播相移(?dp)以及差傳播相移率(KDP)。使用這些新的參量可以提高探測(cè)精度和識(shí)別冰雹的準(zhǔn)確率，了解一定區(qū)域內(nèi)降水粒子相態(tài)與形狀，確定雨滴譜參數(shù)等，并可將這些新物理量用于中小尺度云數(shù)值模式，提高預(yù)報(bào)時(shí)效及準(zhǔn)確率。為提高北京地區(qū)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)的精細(xì)化水平，自2015年開始，北京市氣象局陸續(xù)在房山、昌平、順義、密云、通州、懷柔、門頭溝區(qū)建設(shè)了7部X波段雙偏振雷達(dá)，并建設(shè)了配套的組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)外利用雙偏振雷達(dá)開展的研究主要集中在降水及云粒子相態(tài)識(shí)別[3-7]、強(qiáng)對(duì)流降水估測(cè)應(yīng)用[8-10]、雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)衰減訂正[11-13]、龍卷和冰雹等強(qiáng)對(duì)流過程觀測(cè)[14-16]等方面。北京地區(qū)的X波段雙偏振雷達(dá)投入使用時(shí)間不長(zhǎng)，還未在短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的應(yīng)用中進(jìn)行深入的分析總結(jié)。因此迫切需要研究它在對(duì)流性天氣中的特征，從而進(jìn)一步提升災(zāi)害性天氣臨近預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 資料與方法

本文資料有：①鄉(xiāng)鎮(zhèn)信息員上報(bào)和測(cè)站冰雹記錄資料、房山區(qū)加密雨量站資料，用來篩選2018年冰雹、暴雨天氣過程。②北京房山X波段雙偏振雷達(dá)資料，包括ZDR、ρhv、KDP等。用來分析冰雹、強(qiáng)降水的觀測(cè)特征，總結(jié)在短臨預(yù)報(bào)、預(yù)警中可利用的信息。③北京觀象臺(tái)常規(guī)SA多普勒天氣雷達(dá)資料(以下簡(jiǎn)稱“SA雷達(dá)”)。用來與雙偏振雷達(dá)觀測(cè)特征進(jìn)行對(duì)比。北京房山X波段雷達(dá)站位于北京西南部，北京觀象臺(tái)SA雷達(dá)站位于北京南部，2站直線距離約27 km。

1.1 雙偏振雷達(dá)資料介紹

差分反射率因子(ZDR)：

ZDR=10lg(Zhh/Zvv)

(1)

式中Zhh和Zvv分別為水平偏振的雷達(dá)反射率因子和垂直偏振的雷達(dá)反射率因子。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，它的大小還與粒子的形態(tài)有關(guān)。雨滴呈扁旋轉(zhuǎn)的橢球，Zhh>Zvv，故ZDR>0；冰雹由于翻轉(zhuǎn)作用，總體效果接近球形，ZDR值在零值附近。

差分傳播相移(?dp)及差分傳播相移率(KDP)：

?dp=?hh-?vv

(2)

式中?hh和?vv分別表示水平及垂直偏振發(fā)射波通過相同長(zhǎng)度的降水區(qū)后，散射回天線處的相位值。它的大小既與粒子形狀、相態(tài)、取向有關(guān)，也與通過降水區(qū)的長(zhǎng)度有關(guān)。?dp經(jīng)過降水區(qū)時(shí)，是單調(diào)累積遞增，當(dāng)?dp增加到很大時(shí)，很難用其描述降水區(qū)的變化，因此需要引入KDP。設(shè)rm與rn是降水區(qū)中相鄰2個(gè)距離庫的中心離雷達(dá)的距離，?dp(rm)及?dp(rn)是從該2庫分別獲得的差分傳播相移，則KDP定義式：

(3)

式中，KDP反映降水粒子濃度和大小，以及降水粒子成分構(gòu)成。

相關(guān)系數(shù)(ρpv)：指先后間隔1個(gè)脈沖周期T接收到的回波水平偏振分量與垂直偏振分量之間的相關(guān)程度。粒子的形狀和空間取向以及降水粒子的數(shù)量是影響其值的主要因素。

1.2 個(gè)例篩選

考慮到X波段雙偏振雷達(dá)探測(cè)距離短，以及衰減的影響，選取距離X波段雷達(dá)站較近的15次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，包含3次冰雹天氣過程以及12次雨強(qiáng)>20 mm·h-1的強(qiáng)降雨過程。

2 強(qiáng)對(duì)流天氣X波段雙偏振雷達(dá)特征分析

2.1 冰雹天氣

6月30日冰雹天氣過程：受高空槽后冷空氣和切變線共同影響，6月30日北京房山區(qū)中部、西南部地區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雹，最大冰雹直徑1～2 cm。

15時(shí)前后在雷達(dá)站西南部有回波單體生成，快速加強(qiáng)發(fā)展并向東北方向移動(dòng)，同時(shí)在其后側(cè)不斷有回波生成，前側(cè)回波強(qiáng)度不斷加強(qiáng)。此次冰雹強(qiáng)度強(qiáng)，且范圍較大，S波段雷達(dá)和X波段雷達(dá)的反射率因子和垂直累積液態(tài)水含量表現(xiàn)一致：在相同高度上，最大回波強(qiáng)度均大于65 dBz，且均有明顯的入流缺口特征(圖1)；垂直累積液態(tài)水含量均大于60 kg·m-2，回波頂高超過14 km，預(yù)示著出現(xiàn)冰雹的可能性很大。而X波段雷達(dá)的偏振參量表明， 2.4°仰角強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)的ZDR較小，為-1～3 dB，KDP為4～8 °·km-1，ρhv顯著降低為0.7～0.9(圖2)，由此結(jié)合反射率因子等信息，可判斷強(qiáng)回波區(qū)域有降雹，且在降雹時(shí)伴有降水。

圖1 2018年6月30日16時(shí)北京觀象臺(tái)SA雷達(dá)(1.5°仰角)和北京房山X波段雷達(dá)(3.4°仰角)反射率因子對(duì)比

圖2 2018年6月30日16時(shí)30分X波段雷達(dá)2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

從雙偏振雷達(dá)相態(tài)識(shí)別產(chǎn)品上看(圖3)，該強(qiáng)回波上空1～8 km內(nèi)識(shí)別出大量小冰雹，其中2～6 km高度上識(shí)別出大冰雹，說明高空部分小雹在強(qiáng)上升氣流中不斷增長(zhǎng)為大雹。此外，3 km以下識(shí)別出雨夾雹，1～2 km處識(shí)別出大冰雹，預(yù)示空中的大雹在下降，與地面降雹實(shí)況觀測(cè)較為吻合。近地面除了雨夾雹外還有大范圍的大雨區(qū)，對(duì)應(yīng)雷達(dá)反射率因子強(qiáng)，自動(dòng)站雨強(qiáng)大，張坊站15—16時(shí)降雨量達(dá)12.2 mm。綜合分析，X波段雙偏振雷達(dá)的豐富信息在6月30日這次過程中能很好地監(jiān)測(cè)和預(yù)警地面可能出現(xiàn)的冰雹、強(qiáng)降水等多種災(zāi)害性天氣，為預(yù)警的發(fā)布提供有效的可參考信息。

圖3 2018年6月30日16時(shí)30分X波段雷達(dá)相態(tài)識(shí)別剖面

6月13日冰雹天氣過程：在相同高度上X波段雷達(dá)最大回波強(qiáng)度較SA雷達(dá)偏強(qiáng)(與衰減訂正有關(guān))。SA雷達(dá)1.5°仰角有入流缺口、有界弱回波區(qū)特征，但X波段雷達(dá)未表現(xiàn)出類似特征。X波段雷達(dá)垂直累積液態(tài)水含量達(dá)60～70 kg·m-2，明顯大于SA雷達(dá)的45～50 kg·m-2，2部雷達(dá)探測(cè)的強(qiáng)回波頂高均大于10 km。降雹時(shí)段X波段雷達(dá)2.4°仰角ZDR為負(fù)值；對(duì)應(yīng)的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～5°·km-1。但是由于降雹區(qū)域靠近雷達(dá)的區(qū)域有較大范圍降水，造成嚴(yán)重的電磁衰減，因此ZDR出現(xiàn)大片小于-2 dB的失真區(qū)域；對(duì)應(yīng)的ρhv和KDP也出現(xiàn)明顯虛假值，給判定降雹區(qū)域造成一定困難。

6月26日冰雹天氣過程：在相同高度上衰減訂正后的X波段雷達(dá)最大回波強(qiáng)度較SA雷達(dá)偏強(qiáng)約5 dBz。X波段雷達(dá)垂直累積液態(tài)水含量50～60 kg·m-2，較SA雷達(dá)35～40 kg·m-2明顯偏大。降雹區(qū)域X波段雷達(dá)2.4°仰角ZDR在-2～3 dB，對(duì)應(yīng)的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～8°·km-1，偏振量較好地指示了降雹。此外，在ZDR和KDP取值較大的區(qū)域，對(duì)應(yīng)地面有明顯降雨，自動(dòng)站小時(shí)雨量>20 mm。

綜上3次冰雹天氣，X波段雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)一般較SA雷達(dá)強(qiáng)度偏強(qiáng)。ZDR較小，接近0 dB，或在0 dB附近，有時(shí)為負(fù)值；ρhv也較低，在0.9左右。但是，如果在冰雹天氣中伴有強(qiáng)降雨，強(qiáng)回波附近ZDR和KDP取值較大。此外，由于強(qiáng)降水造成的電磁衰減也往往給冰雹判別造成困難。

2.2 強(qiáng)降雨天氣

以2018年1次強(qiáng)降雨過程為例，分析偏振參量的特征。受高空槽和副高外圍暖濕氣流的共同影響，7月15日夜間北京地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，局地大暴雨，個(gè)別點(diǎn)達(dá)特大暴雨，最大降雨288.7 mm(北京東北部的密云區(qū)西白蓮峪站)，最大小時(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在該站，16日02—03時(shí)降雨117.0 mm(圖4)。

圖4 2018年7月15日20時(shí)—16日08時(shí)北京降雨量分布(單位：mm)

這次降水過程自北京西南部向北影響全市，因此X波段雷達(dá)能監(jiān)測(cè)到降雨發(fā)生前和降雨初期的狀況。15日19時(shí)前后，有零散降雨回波在西南部生成，SA雷達(dá)1.5°仰角最大回波強(qiáng)度維持在55～60 dBz，X波段雷達(dá)在相同高度最大回波強(qiáng)度60～65 dBz(3.4°仰角)。23時(shí)前后，大范圍片狀降水回波從西南方向進(jìn)入房山區(qū)，X波段雷達(dá)開始出現(xiàn)電磁衰減，強(qiáng)降雨區(qū)后部回波強(qiáng)度顯著偏弱，甚至出現(xiàn)完全遮擋的“V”型缺口空白區(qū)域(圖5)。02時(shí)降雨開始顯著加強(qiáng)，2.4°仰角的強(qiáng)降雨回波區(qū)，ZDR最大值大于3dB，KDP最大值大于8°·km-1，ρhv大于0.96，對(duì)應(yīng)地面最大5 min雨強(qiáng)超過10 mm(圖6)。由于衰減，在強(qiáng)降雨回波后部出現(xiàn)ZDR負(fù)值、KDP接近0、ρhv小于0.9。

圖5 2018年7月16日01是30分X波段雷達(dá)(2.4°仰角)反射率因子

圖6 2018年7月16日02時(shí)06分X波段雷達(dá)2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

根據(jù)房山國(guó)家氣象觀測(cè)站雨滴譜觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得知：在強(qiáng)降雨時(shí)段(16日03—04時(shí)，小時(shí)降水量19.5 mm)，雨滴直徑范圍在0～7 mm之間，粒子最大下落速度可達(dá)13 m·s-1，且雨滴直徑與下落速度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。03時(shí)00—05分，5 min降水量達(dá)到最大值7.6 mm。在這一時(shí)段(圖7)，直徑在0～3 mm范圍的粒子濃度最大。對(duì)比X波段雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)一步分析：根據(jù)X波段雷達(dá)波長(zhǎng)，參考趙城城等[17]對(duì)大雨滴直徑的計(jì)算方法，將直徑在1.3 mm以上的雨滴定義為大雨滴。那么由圖7可見，這一時(shí)段的降雨中既存在大量的小雨滴，同時(shí)也有數(shù)量較多的直徑約1.3～3 mm的大雨滴，并且還有少量的直徑達(dá)4～7 mm的非常大的雨滴。ZDR的取值主要取決于采樣體積內(nèi)降水粒子的直徑，研究表明[19-21]：直徑大于1.3 mm的雨滴對(duì)應(yīng)的ZDR取值范圍在1.3 dB以上。從X波段雷達(dá)的觀測(cè)來看，03時(shí)前后，房山站附近ZDR取值約為1.5～2.0 dB，由此也可以判斷在此區(qū)域，降水粒子有大雨滴存在。此外，偏振參量KDP的取值與降水粒子的直徑與濃度均相關(guān)，而該時(shí)刻KDP可達(dá)6～7°·km-1，綜合雨滴譜的特征，判斷此區(qū)域濃度大的小雨滴和直徑大的大雨滴共同造成了地面的強(qiáng)降雨。

圖7 2018年7月16日03時(shí)05分房山站5 min雨滴譜觀測(cè)

此外，針對(duì)選取的12個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，相同高度上X波段雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度也同樣較SA雷達(dá)略偏強(qiáng)。并且，當(dāng)出現(xiàn)大范圍降水且降水強(qiáng)度較大時(shí)，X波段雷達(dá)探測(cè)方向上，在強(qiáng)降水的后方會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減導(dǎo)致回波強(qiáng)度偏弱，甚至出現(xiàn)大片無回波區(qū)域(缺口)，分析時(shí)應(yīng)結(jié)合SA雷達(dá)進(jìn)行判斷。

表1 2018年強(qiáng)降雨個(gè)例SA雷達(dá)(1.5°仰角)與相同高度X波段雷達(dá)對(duì)比

此外，從X波段雷達(dá)偏振量統(tǒng)計(jì)來看(表2)，當(dāng)5 min雨量接近10 mm時(shí)(雨強(qiáng)非常大)，2.4°仰角的ZDR值可達(dá)5 dB以上，KDP值達(dá)8°·km-1以上，ρhv一般大于0.95，有時(shí)高達(dá)0.99。因此，在短臨預(yù)警監(jiān)測(cè)中，利用KDP的值，結(jié)合強(qiáng)反射率因子和比較大的ZDR，即可考慮發(fā)布分區(qū)暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)(1 h雨量超過30 mm)。

表2 2018年強(qiáng)降雨個(gè)例X波段雷達(dá)偏振量特征統(tǒng)計(jì)(2.4°仰角)

3 結(jié)論與討論

本文利用北京房山區(qū)單站X波段雙偏振雷達(dá)、觀象臺(tái)S波段常規(guī)天氣雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)品，對(duì)2018年夏季北京15個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行回波特征對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

①雙偏振雷達(dá)相對(duì)于常規(guī)雷達(dá)來說在降水粒子識(shí)別上具有明顯優(yōu)勢(shì)。臨近預(yù)報(bào)中可將反射率因子與偏振量結(jié)合使用進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣類型的判別，使之成為冰雹、強(qiáng)降水等天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警的強(qiáng)有力手段。

②X波段雷達(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)，若ZDR較小，接近0，有時(shí)為負(fù)值，ρhv明顯降低，約0.9左右，同時(shí)配合較高的反射率因子，可判別降雹。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的ZDR及KDP，結(jié)合ρhv降低，此時(shí)可能降雹的同時(shí)伴隨強(qiáng)降水。

③強(qiáng)降水X波段雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度最大可達(dá)60～65 dBz，同時(shí)具有較大的ZDR和KDP。較低的高度上ZDR>5 dB，KDP>8°·km-1，ρhv達(dá)0.95以上，能夠較好地指示地面將發(fā)生5 min達(dá)10 mm以上的強(qiáng)降水，這一特征在分鐘雨強(qiáng)的估計(jì)和暴雨預(yù)警信號(hào)發(fā)布時(shí)具有非常好的參考價(jià)值。

④目前單部X波段雷達(dá)的反射率因子強(qiáng)度、垂直累積液態(tài)水含量等相比較SA天氣雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)度偏強(qiáng)，并且在應(yīng)用中也有很明顯的局限性：電磁波波束經(jīng)過強(qiáng)降水區(qū)會(huì)發(fā)生衰減，致使探測(cè)路徑上強(qiáng)降水后部回波強(qiáng)度偏弱或缺失，嚴(yán)重影響對(duì)降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的估計(jì)。此外，當(dāng)較強(qiáng)降雨出現(xiàn)在距離雷達(dá)更近的區(qū)域時(shí)，偏振量會(huì)出現(xiàn)虛假值。但是，不可否認(rèn)相比SA雷達(dá)，X波段雷達(dá)不僅能探測(cè)到邊界層的對(duì)流觸發(fā)，同時(shí)由于1個(gè)體掃時(shí)間短，在時(shí)效性上也具備一定優(yōu)勢(shì)，能更早地發(fā)現(xiàn)對(duì)流單體的新生。因此，目前北京地區(qū)采用7部X波段雷達(dá)組網(wǎng)的方式，搭配使用原有的SA雷達(dá)，獲取較為準(zhǔn)確的探測(cè)信息，從而在強(qiáng)對(duì)流天氣過程中及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)布預(yù)報(bào)和預(yù)警。