邢子毅 嚴(yán)繼云 郭安欣

摘 要：利用黃南州新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達資料，對2022年黃南州境內(nèi)出現(xiàn)的11個直徑＞5 mm的冰雹個例進行研究與分析，通過對雙偏振雷達參量水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDr）、差分傳播相移率（KDP）、差分傳播相移（ΦDP）、相關(guān)系數(shù)（CC）等參數(shù)的特征差異進行分析。結(jié)果表明：黃南地區(qū)發(fā)生冰雹時段的ZH在34～69 dBz、ZDr在-3.87～4.87 dB、KDP在0～8.6 deg/km、ΦDP在0～153.7 deg、CC＞0.56；當(dāng)ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8時，出現(xiàn)冰雹的可能性大；當(dāng)ZH＞60 dBz、ZDr＜0、KDP在0～1.0 deg/km、ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93時，冰雹出現(xiàn)的可能性極大，同時，水平反射率因子和相關(guān)系數(shù)的大值對應(yīng)較小的差分反射率因子、差分傳播相移率、差分傳播相移，有利于冰雹識別；低層反射率因子強梯度區(qū)和中高層強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區(qū)也是地區(qū)出現(xiàn)強冰雹的重要特征之一。

關(guān)鍵字：雷達；雙偏振參量；冰雹；災(zāi)害性天氣

中圖分類號：P412.25 文獻標(biāo)志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

冰雹是影響黃南州的重要災(zāi)害性天氣之一，局地性強，危害性大，往往給人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟發(fā)展造成較大損失。傳統(tǒng)多普勒天氣雷達對冰雹的監(jiān)測和識別能力有限，加上高原地區(qū)冰雹多發(fā)，黃南州新一代天氣雷達于2022年1月開始試行，是青海省最為先進的新一代雙偏振天氣雷達之一。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對雙偏振雷達應(yīng)用于探測冰雹的個例分析較多，其中典型個例分析居多。相比常規(guī)多普勒雷達，雙偏振多普勒天氣雷達的差分反射率因子、傳播常數(shù)、自相關(guān)系數(shù)在降雹前可以對云中的雹區(qū)進行直接、有效的判斷，對冰雹的預(yù)報具有重要的指示意義[1]。出現(xiàn)冰雹的地區(qū)具有水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDr小、相關(guān)系數(shù)CC小的特征，ZDr值為-1.0～0.5 dB，CC值＜0.85；超級單體在近地層還出現(xiàn)表征入流區(qū)的CC谷、ZDr柱、差分相移率KDP柱等特征[2]。典型降雹時次具有明顯的三體散射特征，1.5～5.5 km高度冰雹區(qū)對應(yīng)的反射率因子（ZH）均＞65 dBz，差分反射率因子（ZD）介于-2.6～1.5 dB，相關(guān)系數(shù)介于0.80～0.96[3]。處于相同高度時，冰雹越大雷達水平反射率因子ZH中位數(shù)越大、差分反射率因子ZDr中位數(shù)越小且基本為正值，但在-10～-20 ℃層，大冰雹的ZDr中位數(shù)易呈現(xiàn)負值；相關(guān)系數(shù)CC中位數(shù)隨冰雹增大或高度降低而減??；大冰雹或特大冰雹基本特征是ZH大、CC小、ZDr小，CC可低至0.7 以下，所有冰雹的ZDr、KDP可出現(xiàn)負值，小冰雹ZDr＞0 dB的情況較多，特大冰雹ZDr接近0 dB[4]?；诖耍y(tǒng)計了黃南州2022年出現(xiàn)的11次冰雹個例，利用黃南州新一代雙偏振天氣雷達的雷達參量進行研究與分析。

1 資料與方法

冰雹探測資料來自黃南州C波段雙偏振雷達，包括2022年雷達觀測范圍內(nèi)11次直徑＞等于5 mm冰雹的降雹時間、地點和冰雹大小。由于降雹具有局地性強、落區(qū)分散、時空尺度小和持續(xù)時間短的特點，因此很難確定實際降雹地點、開始時間和結(jié)束時間，降雹相關(guān)信息均由臺站業(yè)務(wù)人員監(jiān)測及氣象信息員提供。研究的雷達參量有水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移（ΦDP）、相關(guān)系數(shù)（CC）、差分傳播相移率（KDP）等參數(shù)。由表1可知，從時間分布來看，降雹天氣均發(fā)生在8月，其中河南縣6次、澤庫縣4次、同仁縣2次，8月21日16：00～17：00同仁隆務(wù)鎮(zhèn)、年都乎鄉(xiāng)出現(xiàn)2022年最強冰雹天氣，其中隆務(wù)鎮(zhèn)冰雹持續(xù)時間25 min，冰雹最大直徑為25 mm。

2 參量分析

2.1 水平反射率因子（ZH）與差分反射率因子（ZDR）

水平反射率因子表示云團在某一仰角的強度，因此反射率因子越大，說明云團強度越強，通過比較冰雹云在0.5°、1.5°、2.4°三個仰角的差異性，得出同一時次在不同仰角上的反射率因子最大值相差僅在5 dBz之內(nèi)，隨著雷達探測距離的增加，雷達探測的回波高度也逐漸增加，由于黃南雷達海拔達3 886 m，因此0.5°仰角的水平反射率因子識別效果最佳。冰雹發(fā)生地同仁、澤庫、河南距離雷達均在100 km之內(nèi)，在有效探測范圍內(nèi)，同理ZDR、ΦDP、KDP、CC也應(yīng)是0.5°仰角最佳。

分別對0.5°仰角的水平反射率因子與差分反射率因子（圖1a、圖1b）對比分析，結(jié)果表明：在冰雹發(fā)生時段，ZH在34～69 dBz；通過分析不同個例可知，第1、3、4、6、8、9、10、11個中冰雹發(fā)生時段反射率因子中位數(shù)均在55 dBz以上，其中在第1、3、6、8、11個例中反射率因子均在60 dBz以上；差分反射率因子ZDR在-3.87～4.87 dB；所有個例中冰雹發(fā)生時段的ZDR中位數(shù)均＜2.5 dB，其中第1、2、3、4、5、7、9、10個例中ZDR最大值均＜1.0 dB，而第1、3、4、6、9個冰雹個例的ZDR值均＜0。由11個冰雹個例可知，大的水平反射率因子對應(yīng)接近0的差分反射率因子，有利于識別冰雹。

3.2 差分傳播相移率（KDP）、差分傳播相移（ΦDP）、相關(guān)系數(shù)（CC）

分析差分傳播相移率（KDP）（圖1c）可知，KDP在0～8.6 deg/km，除了第3個例KDP較大，其余個例KDP均＜8 deg/km，其中第2、4、5、6、7、9、10個例的KDP均＜2 deg/km，而第2、4、7、9個冰雹個例的KDP在0～1.0 deg/km；分析差分傳播相移（ΦDP）（圖1d）可知，ΦDP范圍在0～153.7 deg，從不同個例冰雹發(fā)生時段的ΦDP分析來看，所有冰雹的ΦDP中位數(shù)在0～110 deg，除了個例9，其余個例的ΦDP值均在60 deg以下，其中第2、3、4、5、6個例中ΦDP值在0～20 deg。此外，集中程度在各時次的值相差10 deg以內(nèi)，有利于冰雹識別。相關(guān)系數(shù)CC與粒子形狀、粒子密度有關(guān)，對11個冰雹個例的相關(guān)系數(shù)CC（圖1e）分析可知，處于0.5°仰角時，CC范圍在0.56～1.00，除個例1與個例6，其余冰雹的CC均＞0.8，其中第2、4、5、7、8、10個例的CC＞0.93，而第2、5、7、8個例的CC在0.98以上；從不同個例冰雹直徑可知，上述個例冰雹直徑明顯偏大，因此CC在0.5°仰角＞0.8，有利于冰雹識別，＞0.93有利于大冰雹的識別。

3 冰雹個例分析

2023年8月21日16：00～17：00同仁市隆務(wù)鎮(zhèn)、年都乎鄉(xiāng)出現(xiàn)年度最強冰雹天氣，其中隆務(wù)鎮(zhèn)冰雹持續(xù)時間為25 min，最大直徑為25 mm。

冰雹發(fā)生時段及對流單體移動雷達參量變化（表1），以下時次均有冰雹出現(xiàn)，從不同參量分析可知，水平反射率因子（ZH）范圍在48.5～66.5 dBz，差分反射率因子（ZDR）范圍在-4.5～1.25 dB，差分傳播相移率（KDP）范圍在0～0.9 deg/km，相關(guān)系數(shù)（CC）范圍在0.75～0.95，差分傳播相移ΦDP范圍在3.6～21.8 deg。結(jié)合雷達圖分析可知，水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移率（KDP）及相關(guān)系數(shù)（CC）有利于冰雹天氣的識別，而差分傳播相移（ΦDP）由于范圍較大，雷達顯示所有值均在0～24 deg，很難識別出降雹的具體位置，對冰雹位置的識別較弱。

圖2為2022年8月21日16時36分黃南州CAD多普勒天氣雷達反射率因子三維結(jié)構(gòu)圖，圖中清晰顯示了低層反射率因子強梯度區(qū)，尤其是龐大的強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區(qū)，屬于典型的雹暴結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

對2022年黃南州境內(nèi)出現(xiàn)的11個直徑＞5 mm的冰雹個例進行研究與分析，通過對雙偏振雷達參量水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移 （ΦDP）、相關(guān)系數(shù)（CC）、差分傳播相移率（KDP）等參數(shù)的特征差異以及雷達回波剖面特征進行分析。結(jié)果表明：（1）黃南地區(qū)發(fā)生冰雹時段的ZH在34～69 dBz、ZDr在-3.87～4.87 dB、KDP在0～8.6 deg/km、ΦDP在0～153.7 deg、CC＞0.56；（2）當(dāng)ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8時，出現(xiàn)冰雹的可能性大；ZH＞60 dBz，ZDr＜0時，KDP在0～1.0 deg/km，ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93時，冰雹出現(xiàn)的可能性極大，并且水平反射率因子和相關(guān)系數(shù)的大值對應(yīng)較小的差分反射率因子、差分傳播相移率、差分傳播相移，有利于冰雹識別；（3）低層反射率因子強梯度區(qū)和中高層強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區(qū)也是出現(xiàn)強冰雹的重要特征之一。

參考文獻

[1] 鐘晨，張羽，高建秋，等.雙偏振多普勒天氣雷達在冰雹識別中的應(yīng)用[J].廣東氣象，2014，36（4）：76-80.

[2] 曹舒婭，孫偉，韋芬芬，等.雙偏振雷達在江蘇“7·6”降雹過程中的應(yīng)用分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報，2021，44（4）：549-557.

[3] 龔佃利，朱君鑒，王俊，等.2020年6月1日山東強雹暴過程雙偏振雷達觀測分析[J].海洋氣象學(xué)報，2021，41（3）：40-51.

[4] 吳舉秀，潘佳文，魏鳴，等.不同尺寸冰雹S波段雙偏振雷達偏振量特征統(tǒng)計[J].熱帶氣象學(xué)報，2022，38（2）：193-202.

[5] 黃中根，馬中元，諶蕓，等.江西兩次超級單體風(fēng)暴雷達回波特征分析[J]氣象與環(huán)境科學(xué)，2022，45（5）：39-48.

[6] 刁秀廣，李芳，萬夫敬.兩次強冰雹超級單體風(fēng)暴雙偏振特征對比[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2022，33（4）：414-428.

[7] 管理，戴建華，袁招洪，等.雙偏振雷達KDP足及ZDR弧的自動識別及應(yīng)用研究[J].氣象學(xué)報，2022，80（4）：578-591.

[8] 馮晉勤，張深壽，吳陳鋒，等.雙偏振雷達產(chǎn)品在福建強對流天氣過程中的應(yīng)用分析[J].氣象，2018，44（12）：1565-1574.