X波段雙偏振天氣雷達在冰雹識別中的應(yīng)用

張雄 倪聞 張淑敏

摘 要：利用銅川YLD1-D型X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達和西安C波段多普勒天氣雷達（CINRAD/SA）對2017年盛夏的強對流冰雹天氣進行對比分析，結(jié)果表明：除反射率因子（R）、垂直累計液態(tài)含水量（VIL）等常用產(chǎn)品對冰雹有指示意義外，銅川X波段雙偏振雷達產(chǎn)品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子識別（HCL）等產(chǎn)品對冰雹具有較好的指示性，此外冰雹潛勢預(yù)測（HPF）和零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）也可作為判斷冰雹的輔助產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：X波段；雙偏振；冰雹；粒子識別；差分反射率因子

中圖分類號：S166 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180631059

1 研究目的和意義

銅川位于關(guān)中平原向陜北黃土高原的過渡地帶，境內(nèi)山巒疊嶂溝壑縱橫地形復(fù)雜，短時強降水、冰雹、雷暴等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，在此背景下銅川引進了YLD1-D型X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達，該雷達具有全天候、免維護及產(chǎn)品豐富等優(yōu)點，但業(yè)務(wù)人員在實際使用中發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品眾多應(yīng)用不便，本文旨在通過對銅川X波段天氣雷達與西安C波段雷達對比分析，找出銅川YLD1-D型X波段天氣雷達在強對流天氣中的優(yōu)勢產(chǎn)品，最大限度的發(fā)揮該雷達在冰雹等災(zāi)害性天氣中的作用，為預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供更多的技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

2 雷達常規(guī)產(chǎn)品分析

2017年7月14日銅川市北部宜君縣彭鎮(zhèn)一帶出現(xiàn)雷雨冰雹，最大冰雹直徑約20mm，降雹時間在20：20左右，彭鎮(zhèn)區(qū)域自動站顯示20：00—21：00降水量18.0mm，結(jié)合當日08：00探空圖分析（圖略），在TlogP曲線上呈明顯的上干下濕“喇叭口”形，說明本次過程是典型的干對流，更容易產(chǎn)生冰雹而不是短時強降水。從雷達1.5°仰角反射率因子來看，西安雷達（圖1）在宜君彭鎮(zhèn)一帶回波強度達到65dbz左右，銅川雷達回波強度較西安雷達偏弱但最強回波（圖2）也達55dbz以上，表明對流云系統(tǒng)發(fā)展非常旺盛。

從兩部雷達的基本速度（圖略）也可以看出，宜君彭鎮(zhèn)附近有明顯的輻合區(qū)，西安雷達上速度輻合的特征非常明顯。兩部雷達的垂直累計液態(tài)水含量VIL（圖略）也表明該地區(qū)含水量非常高（西安雷達最大VIL值為48kg/m2），但在降雹區(qū)下方另一塊強回波中VIL值同樣很大，但卻未出現(xiàn)冰雹，這就給僅使用雷達常規(guī)產(chǎn)品判斷冰雹帶來一定困難[1]。

3 X波段雷達特有產(chǎn)品分析

銅川X波段雷達提供了44種細分產(chǎn)品，經(jīng)過對2017年7月14日冰雹和2017年7月27日颮線過境（出現(xiàn)軟雹）兩次對流云團的觀測分析，確定了幾種對冰雹強對流天氣具有較好指示意義的產(chǎn)品分析如下。

3.1 粒子識別（HCL）

圖2為2017年7月14日20：25銅川X波段雷達不同仰角粒子識別產(chǎn)品，在實際降雹區(qū)（圖中紅圈處）能識別出小冰雹、大冰雹，表明粒子識別產(chǎn)品對冰雹判斷有較好的指示意義，且在2.4°仰角中（圖3）識別效果好于1.5°仰角（圖4），這也說明該對流云發(fā)展高度較高。對圖中小冰雹和大冰雹細分可以看出，實際降雹區(qū)與圖中識別的大冰雹區(qū)對應(yīng)關(guān)系更好，即粒子識別產(chǎn)品對大冰雹的識別優(yōu)于小冰雹或軟雹。圖中降雹區(qū)的西北方向也識別出小冰雹，但實際未出現(xiàn)冰雹，說明銅川X波段雷達對距離雷達較遠處（經(jīng)測算為半徑>50km）的回波識別誤差增大。

3.2 差分反射率因子（ZDR）

根據(jù)差分反射率因子的定義可知[2]，其值趨近于零時可以輔助判斷冰雹或軟雹的存在區(qū)域。在2017年7月14日降雹時，差分反射率因子（ZDR）指示性較好，1.5°仰角上（圖5）降雹區(qū)與ZDR零值（白色區(qū)域）對應(yīng)較好，2.4°仰角上（圖6）ZDR在降雹區(qū)零值以內(nèi)出現(xiàn)大片負值區(qū)，而實際降雹區(qū)與零值區(qū)（包括負值區(qū)）幾乎重合，這種情況同樣出現(xiàn)在2017年7月27日的降雹過程中（圖略）。差分反射率因子的定義并不能很好的解釋ZDR負值區(qū)與冰雹落去基本吻合這一現(xiàn)象，這兩者之間的對應(yīng)關(guān)系還需進一步在業(yè)務(wù)實踐中對比觀測確定。

3.3 冰雹潛勢預(yù)測（HPF）和零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）

通過對多次降雹時HPF產(chǎn)品的統(tǒng)計顯示，降雹時該值為31%～37%左右，但實際觀測中并不是該值越大出現(xiàn)降雹可能越大，以2017年7月14日冰雹為例，在未降雹區(qū)冰雹潛勢預(yù)測值甚至大于降雹區(qū)，因此該產(chǎn)品僅是判斷冰雹的輔助產(chǎn)品。

當回波垂直發(fā)展非常旺盛時，零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）減小并趨向0.5（圖略），在本文兩次降雹中RHV在強回波區(qū)取值在0.6～0.75左右，相對周圍云層（反射率因子小于45dbz時RHV迅速接近1.00）降雹區(qū)RHV明顯偏小。但實際使用中強對流積云回波與強回波到無回波的回波梯度大值區(qū)RHV值均明顯減小，造成應(yīng)用不便，即RHV也只能作為冰雹的輔助判別指標。

4 結(jié)論

2部雷達中反射率因子、垂直累計液態(tài)含水量（VIL）等常用產(chǎn)品對銅川區(qū)域強對流均有較好指示，但直接判斷冰雹仍有諸多干擾。

X波段雷達產(chǎn)品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子識別（HCL）2種產(chǎn)品對冰雹的指示性較好。但當回波發(fā)展非常強盛時差分反射率因子會從零過渡到負值，而ZDR負值區(qū)與降雹區(qū)的對應(yīng)關(guān)系還需大量觀測分析確定；粒子識別產(chǎn)品對距離雷達站50km以外的回波識別誤差增大。

冰雹潛勢預(yù)測（HPF）產(chǎn)品可以作為判斷冰雹的輔助，當其大于31%時可以結(jié)合其他產(chǎn)品判斷是否有冰雹出現(xiàn)；零延遲相關(guān)系數(shù)（RHV）小于0.75時可結(jié)合其他指標判斷冰雹的出現(xiàn)，但不可作為單一指標使用。

參考文獻

[1]胡明寶，高太長，湯達章.多普勒天氣雷達資料分析與應(yīng)用[M].北京：解放軍出版社，2000.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2006.

作者簡介：張雄（1985-），男，陜西周至人，本科，氣象預(yù)報工程師，研究方向：中短期天氣預(yù)報及服務(wù)。