一次冰雹云天氣過(guò)程不同波段雷達(dá)回波對(duì)比分析

曹 水,鄒書(shū)平,曾 勇,楊 亭,楊 哲

(1.貴州省冰雹防控工程技術(shù)中心,貴州 貴陽(yáng) 550081;2.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心,貴州 貴陽(yáng) 550081;3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽(yáng) 550081;4.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

貴州省地處云貴高原，境內(nèi)多高原山地，地形復(fù)雜多變，小范圍的短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等災(zāi)害性天氣頻發(fā)。省內(nèi)固定式新一代天氣雷達(dá)多建設(shè)在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)高海拔的地方，在相對(duì)低海拔地區(qū)出現(xiàn)小范圍災(zāi)害性天氣時(shí)，雷達(dá)低仰角觀測(cè)過(guò)程中容易出現(xiàn)雷達(dá)波束被山體遮擋和出現(xiàn)觀測(cè)盲區(qū)等情況，增加了短時(shí)臨近災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和人工防雹等工作的難度。移動(dòng)方艙式X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱移動(dòng)X波段天氣雷達(dá))與固定式新一代天氣雷達(dá)相比，具有優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性、可維護(hù)性、全天候連續(xù)觀測(cè)能力和運(yùn)行穩(wěn)定等工作能力，可為固定式新一代天氣雷達(dá)填補(bǔ)低層觀測(cè)空缺、為山區(qū)及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域提供精細(xì)的觀測(cè)資料作補(bǔ)充，同時(shí)在小范圍災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和人工防雹作業(yè)指揮等方面具有很好的指導(dǎo)意義[1-2]。

移動(dòng)方艙式X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱移動(dòng)X波段天氣雷達(dá))于2017年4月進(jìn)入貴州，為進(jìn)一步更好的驗(yàn)證移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)在冰雹云降雹過(guò)程中的觀測(cè)效果，本研究通過(guò)移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)和貴陽(yáng)C波段新一代多普勒天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá))對(duì)冰雹云觀測(cè)過(guò)程中，雷達(dá)回波特征變化進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)觀測(cè)效果。

由于不同云雨粒子的Z值范圍很大，通常又用dBz度量云雨的強(qiáng)度，其定義為：

dBz=10lg(Z/Z0)，Z0=1 mm6/m3。

這樣用dBz表示回波強(qiáng)度，它只取決于氣象目標(biāo)物本身，與雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)距離無(wú)關(guān)[4]。

1 雷達(dá)主要參數(shù)對(duì)比

本文使用的移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)采用波導(dǎo)開(kāi)關(guān)和功分器實(shí)現(xiàn)雙發(fā)雙收和單發(fā)雙收工作方式，發(fā)射水平和垂直兩種極化方式的電磁波。這兩種不同極化狀態(tài)的電磁波照射到各種降水粒子上，其后向散射回波中包含了粒子的狀態(tài)信息，雷達(dá)根據(jù)回波的這些性質(zhì)，對(duì)雙偏振參數(shù)的估算，推導(dǎo)出降雨量、降水粒子的形狀、尺寸、指向、相態(tài)和滴譜分布和降水類型。移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)相比貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)具有發(fā)射功率低、天線直徑小和可移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，而且短波段對(duì)弱氣象目標(biāo)物有靈敏的探測(cè)能力。雖然長(zhǎng)波段雷達(dá)仍然是今后對(duì)大尺度天氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要選擇，但研究X波段雷達(dá)對(duì)科學(xué)提升防災(zāi)減災(zāi)能力有重要意義[5]。兩部雷達(dá)主要參數(shù)見(jiàn)(表1)。

表1 兩部雷達(dá)主要參數(shù)對(duì)比Tab.1 The Two Radars of Main Parameters Comparison

2 資料選取和預(yù)處理方法

本文選取2018年3月12日貴州清鎮(zhèn)、修文境內(nèi)出現(xiàn)的一次冰雹天氣過(guò)程，因移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)最大探測(cè)距離、山體遮擋等問(wèn)題，選取雷達(dá)數(shù)據(jù)為19時(shí)33分—21時(shí)33分之間的體掃基數(shù)據(jù)。在等高面反射率因子和組合反射率對(duì)比分析過(guò)程中，本文只分析辛店(20時(shí)05分)和暗流(20時(shí)33分)的兩次降雹數(shù)據(jù)。降雹點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1，降雹數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖1 雷達(dá)站與降雹點(diǎn)分布圖Fig.1 The Radar Station and Hail Points

表2 降雹數(shù)據(jù)記錄表
Tab.2The Hail Data recrod chart

降雹點(diǎn)名稱經(jīng)度/°N緯度/°E降雹時(shí)間冰雹直徑/mm辛店106.229426.826420∶0514暗流106.352526.816720∶3314谷堡106.493326.847820∶595修文106.598126.851121∶276

兩部雷達(dá)采用不同的體掃模式(表3)，且兩部雷達(dá)波長(zhǎng)不同，探測(cè)距離不等、電磁波衰減和降水系統(tǒng)變化等因素影響，很難進(jìn)行同步觀測(cè)，為了盡可能的減小觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的差異，選取貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。在雷達(dá)資料處理過(guò)程中對(duì)地物回波及其他雜波進(jìn)行識(shí)別處理，以消除非氣象回波對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的干擾。

3 雷達(dá)回波對(duì)比分析

在分析兩部雷達(dá)回波空間分布和時(shí)間連續(xù)性時(shí)，為了更好的顯示兩部雷達(dá)在相同觀測(cè)區(qū)域的回波強(qiáng)度分布特征，本文選取等高平面反射率(CAPPI)、組合反射率(CR)和最大回波強(qiáng)度值3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 兩部雷達(dá)體掃模式對(duì)比Tab.3 The Volume scan Modes Comparisons of Two Radar

在進(jìn)行對(duì)比分析之前，本文對(duì)兩部雷達(dá)回波的定位準(zhǔn)確性方面進(jìn)行了一次比較(表4)，通過(guò)地面降雹點(diǎn)經(jīng)緯度與雷達(dá)站經(jīng)緯度，根據(jù)三角函數(shù)推導(dǎo)可得出兩部雷達(dá)與降雹點(diǎn)的實(shí)際距離，并利用雷達(dá)顯示軟件找出雷達(dá)回波強(qiáng)中心點(diǎn)位置，從兩部雷達(dá)的回波中發(fā)現(xiàn)，兩部雷達(dá)在辛店和修文的誤差在4～6 km左右，但在暗流和谷堡處，貴陽(yáng)C波段雷達(dá)的誤差為1 km之內(nèi)，誤差較小。

3.1 等高平面反射率因子(CAPPI)對(duì)比分析

雷達(dá)等高平面反射率因子(CAPPI) 能夠直觀的描述出降水云系的垂直與水平特征，是對(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行詳細(xì)分析的必要手段[6-7]。

表4 移動(dòng)X波段、貴陽(yáng)C波段雷達(dá)與降雹點(diǎn)的實(shí)際距離和雷達(dá)地圖軟件中回波中心顯示距離(單位：km)Tab.4 The actual distance between the moving x-band radar and the C band radar and the hail point and the display distance of echo center in radar map software(Unit:km)

圖2、圖3分別是貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)01分、20時(shí)30分)和移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)03分、20時(shí)33分)3 km、4 km、5 km的CAPPI對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比兩部雷達(dá)CAPPI發(fā)現(xiàn)，在高度3 km時(shí)，移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)探測(cè)到強(qiáng)回波中心靠近雷達(dá)處有一塊遮擋回波，當(dāng)高度在5 km時(shí)，遮擋回波消失。

圖2 a:貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)01分)與b:移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)03分)CAPPI對(duì)比圖Fig.2 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CAPPI

圖3 a:貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)30分)與b:移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)33分)CAPPI對(duì)比圖Fig.3 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶30) and Mobile X-band Weather Radar (20∶33) in CAPPI

提取兩部雷達(dá)在3 km、4 km、5 km高度層中的反射率因子回波強(qiáng)度值(表5)，從表中可以看到移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)比貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)的反射率因子強(qiáng)度值小，其中最大值相差18 dBz，平均值相差15 dBz。分析原因可能由以下兩點(diǎn)造成[8-10]：

①移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)波長(zhǎng)一般為3 cm，比C波段天氣雷達(dá)波長(zhǎng)短，由于波束穿過(guò)回波區(qū)時(shí)發(fā)生反射和散射等現(xiàn)象，雷達(dá)波束產(chǎn)生衰減，探測(cè)能力下降，雷達(dá)回波值偏??；

②需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)定和設(shè)置合理的掃描模式，在最大程度上對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的描述和精確的探測(cè)。

表5 3 km、4 km、5 km CAPPI最大反射率因子(單位：dBz)Tab.5 The Radar Maximum reflectivity factor of 3 km,4 km and 5 km CAPPI(Unit:dBz)

3.2 組合反射率(CR)對(duì)比分析

組合反射率(CR)是用體積掃描得到的反射率三維數(shù)據(jù)處理得到的、反映監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)降水云體中最大回波強(qiáng)度值水平分布的圖像產(chǎn)品。

圖4、圖5是貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)01分、20時(shí)30分)和移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)03分、20時(shí)33分)組合反射率對(duì)比圖。從兩部雷達(dá)組合反射率圖中可以看出，移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)在強(qiáng)回波中心的前部有一塊靠近雷達(dá)站的回波，分別有一塊強(qiáng)度在30～40 dBz左右的回波。兩部雷達(dá)回波強(qiáng)度在降雹中心區(qū)及回波強(qiáng)度值較大的區(qū)域具有一定的相似性。

圖4 a:貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)01分)與b:移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)03分)CR對(duì)比圖Fig.4 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CR

圖5 a:貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)(20時(shí)31分)與b:移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)(20時(shí)33分)CR對(duì)比圖Fig.5 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CR

3.3 最大回波強(qiáng)度值對(duì)比分析

圖6是兩部雷達(dá)回波最大強(qiáng)度值隨時(shí)間變化的折線圖。通過(guò)回波強(qiáng)度時(shí)序變化趨勢(shì)，結(jié)合表2的降雹時(shí)間，兩部雷達(dá)的最大回波強(qiáng)度具有一定的一致性波動(dòng)起伏的變化特征。

圖6 2018年3月12日19時(shí)27分—21時(shí)22分雷達(dá)回波最大強(qiáng)度時(shí)序變化圖Fig.6 The Radar Echo Maximum Strength of Temporal Variation(2018-03-12 19∶27—21∶22)

4 結(jié)論與討論

本文未對(duì)兩部雷達(dá)進(jìn)行共同掃描區(qū)域分析，且兩部雷達(dá)波束、掃描方式和探測(cè)方向不同，所以兩部雷達(dá)在對(duì)同一探測(cè)范圍內(nèi)的云體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，雷達(dá)回波強(qiáng)度值對(duì)比結(jié)果存在差異。

兩部雷達(dá)回波存在一定的空間分布相似性，空間分布特征為越靠近回波強(qiáng)中心區(qū)，空間分布越相似，最大回波強(qiáng)度隨降雹時(shí)間發(fā)生變化，具有一定的一致性波動(dòng)起伏變化特征；但是移動(dòng)X波段天氣雷達(dá)可以觀測(cè)到更靠近地面云體，對(duì)貴陽(yáng)C波段天氣雷達(dá)低空探測(cè)盲區(qū)起到一定的補(bǔ)充作用。

在下一步的研究中，考慮先對(duì)兩部雷達(dá)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)定，并確定雷達(dá)共同探測(cè)區(qū)域后再進(jìn)行對(duì)比分析。