郭曉坤，郭喜樂

（1.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn)511510；2.成都信息工程大學(xué)，四川成都610225；3.鶴山市氣象局，廣東鶴山529700）

清遠(yuǎn)雙偏振雷達(dá)偏振量產(chǎn)品的初步釋用

郭曉坤1，2，郭喜樂3

（1.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn)511510；2.成都信息工程大學(xué)，四川成都610225；3.鶴山市氣象局，廣東鶴山529700）

介紹了差分反射率因子ZDR、傳播相移差ΦDP、差分傳播相移率KDP和協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv等基本產(chǎn)品，并結(jié)合相應(yīng)的雷達(dá)實(shí)況圖進(jìn)行釋用。研究表明，差分反射率因子ZDR與降水強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系；傳播相移差ΦDP因其累積效應(yīng)的特點(diǎn)不便于降水區(qū)定位，需搭配參考的差分傳播相移率KDP也只有在降水超過一定值后才能較好表現(xiàn)出作用；協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv在實(shí)際應(yīng)用中可用于對融化層進(jìn)行識別，但無法判斷降水物的具體形態(tài)。各偏振量產(chǎn)品需通過結(jié)合常規(guī)雷達(dá)產(chǎn)品及雙偏振二次產(chǎn)品，才能很好地體現(xiàn)雙偏振雷達(dá)的真正價(jià)值。

應(yīng)用氣象；雙偏振雷達(dá)；回波；清遠(yuǎn)

多普勒天氣雷達(dá)通過測量降水粒子的反射率、速度和譜寬的分布，實(shí)現(xiàn)對降雨的預(yù)報(bào)和探測［1］，但不能區(qū)分各種降雨類型。而雙偏振天氣雷達(dá)利用極化技術(shù)和降水粒子回波的極化特性［2］，通過發(fā)射水平和垂直極化電磁波，接收與發(fā)射共極化的回波，測量雷達(dá)的差分反射率因子ZDR、傳播相移差ΦDP、差分傳播相移率KDP和協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv等，估算出降水粒子的形狀、尺寸和分布情況，進(jìn)行降水的分類和識別［3-4］。通過分析各參數(shù)具體應(yīng)用效益，是本研究的主要內(nèi)容。

1 差分反射率因子ZDR

其中，h為水平偏振，“Zh”即水平偏振的反射率因子（dBz）；“v”表示垂直偏振，“Zv”即垂直偏振的反射率因子（dBz）。ZDR表達(dá)的是一個(gè)探測空間平均粒子的形狀，主要依賴于粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布，即降水粒子在水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子上粒子尺度的差異。表1為雙偏振多普勒雷達(dá)探測到粒子的3種基本形態(tài)模型。

表1 粒子基本形態(tài)模型

當(dāng)Zh—Zv≈0時(shí)，ZDR≈0，此時(shí)粒子近似球形，小雨滴和下落受翻轉(zhuǎn)作用的大冰雹便屬于該類型。若某一區(qū)域?qū)?yīng)高dBz值［5-6］和低ZDR值，那么該區(qū)域出現(xiàn)冰雹的概率將很大。

當(dāng)Zh—Zv＞0時(shí)，ZDR＞0，此時(shí)粒子以扁橢圓形為主，如下落中的大雨滴由于空氣阻力作用便呈扁平狀，而融化中的冰雹因冰相向液相轉(zhuǎn)化，也逐漸趨向于扁橢圓形［7-8］。

當(dāng)Zh—Zv＜0時(shí)，ZDR＜0，此時(shí)粒子以豎向橢圓形為主，如大氣中的冰晶。

圖1為清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程從低到高仰角探測到的ZDR回波實(shí)況圖。低仰角回波圖上清遠(yuǎn)地區(qū)的ZDR值普遍超過1 dBz，最大值甚至超過了3.5 dBz，說明清遠(yuǎn)地區(qū)上空的降水粒子呈扁橢圓狀，屬于大雨滴粒子。而通過不同仰角的觀測還可以發(fā)現(xiàn)在測站周圍，不同高度上都有由ZDR高值區(qū)組成的環(huán)形帶，說明在環(huán)形帶所處位置有較大的扁橢圓狀粒子。而實(shí)況測得清遠(yuǎn)地區(qū)大部分自動(dòng)站（表略）在對應(yīng)時(shí)段的1 h累積雨量基本超過20 mm，與ZDR回波實(shí)況圖有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程從低到高仰角探測到的ZDR回波實(shí)況（單位：dBz）

圖2為清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程接近尾聲時(shí)探測到的ZDR回波實(shí)況圖。從回波整體的ZDR值來看，清遠(yuǎn)地區(qū)上空主要以小雨粒子為主。因?qū)嶋H觀測中小雨不可能是完全的球形，故實(shí)測的ZDR值會略大或略小于0，呈現(xiàn)出如圖2所示的回波圖。實(shí)況測得的清遠(yuǎn)地區(qū)（表略）對應(yīng)時(shí)段的雨量以小雨為主，與ZDR回波實(shí)況圖也有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程接近尾聲時(shí)探測到的ZDR回波實(shí)況（單位：dBz）

2 傳播相移差ΦDP

其中，Φhh是水平偏振回波的相位（°）；Φvv是垂直偏振回波的相位（°）。同一個(gè)粒子對于雙偏振多普勒雷達(dá)發(fā)出的水平和垂直偏振波所反饋回來的相位變化是不同的，而造成其差值與降水區(qū)的特性有關(guān)，傳播相移差ΦDP即表示該差值的參量。ΦDP與粒子的形狀相關(guān)，當(dāng)ΦDP=0時(shí)粒子成圓球形；當(dāng)ΦDP＞0時(shí)粒子成橫橢圓形；當(dāng)ΦDP＜0時(shí)粒子成豎橢圓形；

ΦDP還與粒子的密度有關(guān)，同一探測區(qū)域內(nèi)粒子的密度越大，ΦDP值越大。圖3為2015年10月5日暴雨過程對應(yīng)時(shí)次探測到的ΦDP回波實(shí)況圖，相位顯著增大的高ΦDP值區(qū)與清遠(yuǎn)強(qiáng)降水區(qū)域有一定的對應(yīng)關(guān)系。但由于ΦDP具有累積效應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中不便于降水區(qū)的定位，因此需要引入差分傳播相移率KDP。

圖3 清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程ΦDP回波實(shí)況（單位：dBz）

3 差分傳播相移率KDP

其中，r1和r2分別為測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2與雷達(dá)的距離（m）；KDP是水平極化波和垂直極化波傳播常數(shù)的差。KDP的差異包含各向同性粒子和各向異性粒子的差異，但因?yàn)楦飨蛲粤Ｗ訉τ谒綐O化波和垂直極化波能產(chǎn)生相近的位移，故KDP的差異主要?dú)w因于各向異性粒子組成的差異。一般來說，KDP隨介電常數(shù)和橢圓率的增大而增大。相對于反射率因子而言，KDP對粒子分布的變化不敏感，它的測量值不受部分波束阻擋和各向同性粒子的影響，但它依賴于粒子數(shù)的密度。KDP的特點(diǎn)是與降水率成正比，可用來估測降水，而且與反射率估算降水相比，KDP測算降水還具有不受冰雹影響的特點(diǎn)。

圖4為2015年10月5日暴雨過程對應(yīng)時(shí)次探測到的KDP回波實(shí)況圖，圖中KDP的高值區(qū)與清遠(yuǎn)強(qiáng)降水區(qū)有相當(dāng)好的對應(yīng)關(guān)系。但圖4中除了高值區(qū)對應(yīng)較為準(zhǔn)確外，其余地區(qū)與實(shí)況的相關(guān)性則弱很多，部分研究也表明KDP只有在降水超過一定值后，才能較好表現(xiàn)出作用，單獨(dú)使用的效果并不明顯［9］。

圖4 清遠(yuǎn)雷達(dá)2015年10月5日暴雨過程對應(yīng)時(shí)次探測到的KDP回波實(shí)況圖

4 協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv

ρhv表示協(xié)相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient，CC），描述的是水平和垂直極化回波信號變化的相似度，對粒子的橢圓率變化、傾斜角、形狀不規(guī)則性以及混合相態(tài)的降水是比較敏感的，也容易受到旁瓣回波和地物雜波的影響，但協(xié)相關(guān)系數(shù)與雷達(dá)的標(biāo)定、水凝物的濃度及傳輸?shù)挠绊憻o關(guān)［7］。協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv值在實(shí)際應(yīng)用中可用于對融化層進(jìn)行識別。如圖5所示，測站周圍形成了低ρhv值環(huán)，環(huán)的四周為高ρhv值，此時(shí)的融化層清晰可見。通過不斷提高仰角，融化層的位置也逐漸清晰明顯。若雷達(dá)探測到較低的ρhv值，則該區(qū)域可能出現(xiàn)地物雜波（0.4～0.7）或者冰雹（0.88～0.95）。因?yàn)槔走_(dá)產(chǎn)品生成前一般都是經(jīng)過去雜波處理［10-11］，所以CC回波實(shí)況圖上一般很難見到低ρhv值區(qū)域。另一方面，由于冰雹回波與普通降水回波ρhv值在色標(biāo)圖上差別往往只有1～2個(gè)色標(biāo)，單獨(dú)使用CC回波圖基本無法判斷降水物的具體形態(tài)。因此CC回波圖需結(jié)合其他雷達(dá)產(chǎn)品才能對目標(biāo)物的形態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的判別。

圖5 清遠(yuǎn)雷達(dá)CC回波實(shí)況（單位：dBz）

5 結(jié)論

1）差分反射率因子ZDR與降水強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合基本反射率因子還可以分析冰雹區(qū)。實(shí)際應(yīng)用過程中，結(jié)合基本反射率因子進(jìn)行同步對比，能更好地定位降雨區(qū)及降雨強(qiáng)度，并且在強(qiáng)對流天氣中對冰雹的判別有更好的依據(jù)，總體應(yīng)用較為方便。

2）傳播相移差φDP具有累積效應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中不便于降水區(qū)的定位，因此需要引入差分傳播相移率KDP。而差分傳播相移率KDP只有在降水超過一定值后，才能較好表現(xiàn)出作用，單獨(dú)使用的效果并不明顯。因此在強(qiáng)降水過程中，使用差分傳播相移率KDP能從另一個(gè)角度對降水區(qū)的定位提供依據(jù)，為預(yù)報(bào)提供更大的準(zhǔn)確性。

3）協(xié)相關(guān)系數(shù)ρhv在實(shí)際應(yīng)用中可用于對融化層進(jìn)行識別，單獨(dú)使用CC回波圖基本無法判斷降水物的具體相態(tài)，需結(jié)合其他雷達(dá)產(chǎn)品才能對目標(biāo)物的相態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的判別。

雙偏振雷達(dá)能夠較好地描述粒子的尺寸、形態(tài)、降水類型及天氣，對冰雹區(qū)的探測和預(yù)警效果也比常規(guī)雷達(dá)有明顯的提高。雖然各項(xiàng)雙偏振雷達(dá)基本產(chǎn)品在判別粒子相態(tài)和降水量預(yù)估上有一定的作用，但單獨(dú)使用其中一種物理量來進(jìn)行判別則存在一定的局限。通過結(jié)合常規(guī)雷達(dá)產(chǎn)品及雙偏振二次產(chǎn)品，才能更好地體現(xiàn)雙偏振雷達(dá)的真正價(jià)值。

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P49

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.011

2016-03-12

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)新型產(chǎn)品應(yīng)用分析（項(xiàng)目編號201504）

郭曉坤（1989年生），男，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail：317659272@qq.com

郭曉坤，郭喜樂.清遠(yuǎn)雙偏振雷達(dá)偏振量產(chǎn)品的初步釋用［J］.廣東氣象，2016，38（5）：45-48.