姜繼祥，劉麗薇

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江157000；2.綏化市氣象局，黑龍江綏化152002）

關(guān)于多普勒天氣雷達(dá)設(shè)立降雪偵測(cè)模式的設(shè)想

姜繼祥1，劉麗薇2

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江157000；2.綏化市氣象局，黑龍江綏化152002）

1　雪的生成

雪花的產(chǎn)生，它必須依托同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做晶核，使水分子在冷空氣作用下圍著它一層又一層地凝結(jié)，晶核就從中央向外長(zhǎng)大。形成一顆雪晶體大約要用5 min時(shí)間，在這段時(shí)間里，造雪環(huán)境中的氣流始終升降浮沉，動(dòng)蕩不定，但水蒸氣必須保持等量作用于晶核的周邊?？罩性茖拥暮穸取穸?、溫度對(duì)雪花的形態(tài)有極大的影響，星形雪花的形成要求較大的濕度，而濕度較小的云層易于形成片狀、粉末狀雪花。其實(shí)雪花的個(gè)體是極其微小的，直徑在0.5-3 mm之間，5000顆雪花放在精密天平上才不過1克。雪花產(chǎn)生于云層中的這些小晶核，如果周圍水汽濃度較大，那么增長(zhǎng)過程中不僅體積會(huì)增大，形狀也會(huì)改變，最常見的就是天空中飄落的六邊形雪花。形成雪花之前的冰晶受周圍環(huán)境的影響，位于底面上的正六邊形和側(cè)面長(zhǎng)方體的晶體生長(zhǎng)速度出現(xiàn)差異，形狀也相應(yīng)發(fā)生變化，比如氣溫會(huì)給結(jié)晶的表面帶來微妙變化，接近0℃時(shí)底面水平擴(kuò)展成六邊形，-5℃時(shí)形成針狀，降到-5-（-10）℃時(shí)側(cè)面上開始生成正六棱柱體及側(cè)面鏤空的六棱柱體，-15℃時(shí)形成樹枝狀，在降至-10-（-21）℃時(shí)，正六邊形又開始擴(kuò)展，繼而再生成六棱柱體。周圍水蒸氣含量較少時(shí)，生成過程也較慢，而且不易出現(xiàn)復(fù)雜形狀。相反，水蒸氣含量越大，生成速度越快形狀也越復(fù)雜。被人們稱做"雪花"的樹枝狀雪晶往往生成于-15℃左右、含有大量水蒸氣的環(huán)境中。盡管晶體的形成速度取決于溫度及水蒸氣濃度，但空氣中的其他氣體也會(huì)影響它的形成。實(shí)驗(yàn)表明，在只有水蒸氣的真空空間里形成的冰晶幾乎都有單三棱柱體，而在天空中形成的晶體則呈現(xiàn)針狀和六棱柱形狀。經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算可以再現(xiàn)冰晶向六個(gè)方向延伸的形狀，而中途分解，呈現(xiàn)樹枝狀的原因卻始終無法解釋。

2　雪的定性分析

雪的定性就是通過天氣雷達(dá)在對(duì)天氣過程的掃描過程中確定空中要降落的是雨還是雪，以及偵測(cè)出是大雪、中雪或者是小雪。通過上面對(duì)雪的生成過程可以看出對(duì)雪的定性分析是十分困難的，特別是生成初期兩種物體都是以顆粒狀存在，無法正確區(qū)分出來。現(xiàn)在所有的雷達(dá)偵測(cè)理論都是建立在被探測(cè)體是圓形或者橢圓形物體的基礎(chǔ)上，而對(duì)于被偵測(cè)物體是片狀物體到底如何表述還沒有一個(gè)通用的理論。

回波極化信息的收集可以作為日后鑒別雨、雪、冰雹的方法，氣象雷達(dá)向空間輻射的電磁波信號(hào)，除有一定的波長(zhǎng)、波形、強(qiáng)度特征外，還具有一定的極化形式，球型粒子和非球粒子后向散射的極化方式與入射波極化方式的區(qū)別是不同的，所以能夠通過極化方式的提取，來識(shí)別降雨，降雪的特征。只是目前回波極化信息的獲取常采用雙偏振體制的天氣雷達(dá)，所以對(duì)這方面的研究還有待進(jìn)一步深入。

3　雪的定量分析

因?yàn)檠┱麄€(gè)生命周期的演化過程受著周圍氣壓、濕度、大氣壓力等影響，增加了雪形狀的厚度性。形狀的復(fù)雜性決定著回波面積的大小也就決定著回波強(qiáng)度的大小。單個(gè)雨滴體積不會(huì)變得很大，當(dāng)它大到一定程度就會(huì)分裂，而雪從小顆粒形狀開始如果有合適的溫度、濕度等其他因素會(huì)變成"鵝毛大雪"，回波面積的增大不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。另外就是雪中的含水量大小，北方的雪因?yàn)樾纬裳r(shí)當(dāng)?shù)厣峡諠穸容^小等原因，所以往往含水量較小，對(duì)于雷達(dá)的偵測(cè)都是有難度的。如果空氣中的濕度較大，特別是在南方濕度很大的狀況下形成的雪它含有的水份就很大。這兩種雪既使單位體積里的個(gè)數(shù)是一樣的那么對(duì)于雷達(dá)回波顯示的強(qiáng)度dBz也應(yīng)該是不一樣的，綜上所述可以看出對(duì)雪定量的難度。

現(xiàn)在CINRAD/CC天氣雷達(dá)降水掃描模式中降雨量使用的公式是：

Z=200R1.6

R是每小時(shí)降雨量。

如果使用降雪模式應(yīng)該將此公式進(jìn)行修改，可能的公式為：

R是雪融后的降雨量。

國(guó)家關(guān)于降雪量的定義：對(duì)于降雪量，在氣象上是有嚴(yán)格的規(guī)定的，用一定標(biāo)準(zhǔn)的容器，將收集到的雪融化后測(cè)量出的量度。氣象上對(duì)于雪量有嚴(yán)格的規(guī)范。如同降雨量一樣，是指一定時(shí)間內(nèi)所降的雪量，有24 h和12 h的不同標(biāo)準(zhǔn)。在天氣預(yù)報(bào)中通常是預(yù)報(bào)白天或夜間的天氣，這主要是指12 h的降水量，各種基本降雪量的標(biāo)準(zhǔn)：

零星小雪＜0.1 mm；0.1 mm≤小雪＜0.25 mm；

0.25mm≤中雪＜3 mm；3 mm≤大雪＜5 mm；

暴雪：≥5 mm。

降雪量是指將雪轉(zhuǎn)化成等量的水的深度，與積雪厚度可按照1：15的比例換算。如此計(jì)算，97.7 mm降雪量約為1.5 m厚的積雪。

那么在終端中色標(biāo)的顏色就應(yīng)該進(jìn)行重新的規(guī)定，因?yàn)榘凑者@個(gè)公式算出的dBz值和降雨模式下算出的dBz值是不一樣的。

R=0.01 mm/h dBz=-7

R=0.1 mm/h dBz=13

R=0.25 mm/h dBz=21

R=3 mm/h dBz=43

R=5 mm/h dBz=47

在實(shí)際雷達(dá)運(yùn)行中還要注意的一個(gè)雷達(dá)常數(shù)中的參數(shù)就是復(fù)折射指數(shù)，這個(gè)值在現(xiàn)代多普勒天氣雷達(dá)被設(shè)置為0.93（液態(tài)降水），按照復(fù)折射的概念，如果將其用在偵測(cè)雪的過程中時(shí)這個(gè)值應(yīng)該比0.93小許多，但是至于小多少現(xiàn)在還沒有看見任何文章關(guān)于這方面的定論?，F(xiàn)在看這個(gè)值雖然比0.93小但是從雷達(dá)常數(shù)這個(gè)值來看應(yīng)該不會(huì)有太大的變化（指數(shù)量級(jí)的差別），所以建議用測(cè)雨的這個(gè)復(fù)折射指數(shù)來作為測(cè)雪過程中的系數(shù)。

降雪和降雨這兩種天氣過程有很大的不同。降雨在全國(guó)各地的形式是差不多的，雨的體積太小C波段或者S波段就測(cè)不出來，大了就自行一分為二了。但是雪的生成初期與“鵝毛大雪”相差很大，所對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度也會(huì)有很大不同。使用上面這個(gè)降雪量公式的應(yīng)該按照各地的實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。

在雨加雪的天氣過程中，雪的個(gè)體體積及和雨的比例不算大，天氣過程會(huì)向純雨或者純雪過度。在雨和雪的混合天氣過程中，根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)可以知道雨的回波強(qiáng)度應(yīng)該比雪的回波強(qiáng)很多，因此這種天氣過程應(yīng)該還是按正常降水模式1或降水模式2去偵測(cè)。

上面給出的關(guān)于降雪偵測(cè)模式的設(shè)計(jì)僅僅是一個(gè)比較粗略的設(shè)想，因?yàn)樾枰紤]的還應(yīng)該有雪對(duì)雷達(dá)信號(hào)的衰減處理、雷達(dá)對(duì)雪的專門的信號(hào)處理設(shè)置等等。只是現(xiàn)在對(duì)降雪還不是很清楚的這種情況下單獨(dú)重新指定有別與降雨模式1或者降雨模式2那樣的體掃也不太可能，所以在這些方面可以先套用降雨模式去做，那么在硬件上現(xiàn)在也就不需要進(jìn)行什么改動(dòng)，只需對(duì)終端軟件進(jìn)行相應(yīng)修改即可。

1002-252X（2016）03-0025-02

2016-6-1

姜繼祥（1962-），男，黑龍江省牡丹江市人，成都?xì)庀髮W(xué)院，?？粕?，工程師.