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        基于一次降水轉(zhuǎn)換過程的單、雙偏振雷達(dá)對比分析

        2024-12-31 00:00:00解彥維姚宏偉尹東浩劉芳
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年10期

        摘 要:利用ERA5再分析資料及常規(guī)觀測資料、單偏振雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)等觀測資料,分析2022年11月11日—12日長春市一次雨雪轉(zhuǎn)換天氣的降水相態(tài)演變特征,以及單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)的對比分析。結(jié)果表明:單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高,在低仰角基本反射率,單偏振雷達(dá)受非氣象回波干擾較多,不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū);單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°~240°區(qū)域存在明顯遮擋;雙偏振雷達(dá)的分差反射率和粒子分類產(chǎn)品可以較準(zhǔn)確地反映降水相態(tài),分差反射率的大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合,是降水落區(qū)的存在。差分傳播相移和差分傳播相移率變化趨勢與降水量變化基本一致,在降水加強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象,且提前于降水量變化20~30 min,對降水強(qiáng)度的增強(qiáng)具有提前指示意義。

        關(guān)鍵詞:單偏振雷達(dá);雙偏振雷達(dá);降水相態(tài)

        中圖分類號(hào):P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2024)10–0-03

        降水相態(tài)是東北地區(qū)秋冬和冬春過渡季節(jié)降水預(yù)報(bào)的重要因素之一,相同的降水量,出現(xiàn)降水和出現(xiàn)降雪造成的影響截然不同[1]。降水相態(tài)及其轉(zhuǎn)換時(shí)間預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)和重點(diǎn),有關(guān)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的研究由來已久,并已取得一定的研究成果[2-9]。冬季水凝物粒子與夏季粒子在偏振參量特征上差別較大,且冬季小雨、雪等粒子偏振參量特征相近,因此識(shí)別難度較大。當(dāng)前,利用雙線偏振雷達(dá)觀測冬季降雪過程的研究較少,東北區(qū)域關(guān)于此方面的研究幾乎是空

        白[10-13]。因此,以吉林省長春市一次雨雪轉(zhuǎn)換天氣為研究對象,研究其降水相態(tài)演變特征及對比分析單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 資料來源

        歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)。其時(shí)間間隔為1 h,水平分辨率為0.25°×0.25°,該數(shù)據(jù)資料用于環(huán)流背景和物理量診斷。

        地面小時(shí)常規(guī)觀測資料。該資料用于分析研究時(shí)段的小時(shí)降水量和地面溫度。

        天擎小時(shí)雨雪實(shí)況資。該資料用于分析研究時(shí)段研究區(qū)域的降水相態(tài)。

        單偏振、雙偏振雷達(dá)的基本反射率、雙偏振參量等的PUP數(shù)據(jù)。該資料用于分析降水過程的雷達(dá)數(shù)據(jù)特征及對比分析單偏振和雙偏振雷達(dá)基本反射率特征。

        2 天氣實(shí)況與環(huán)流背景

        2.1 天氣實(shí)況

        2022年11月11日07:00—11月12日19:00,長春市出現(xiàn)了從液態(tài)到混合態(tài)再到固態(tài)降水的天氣過程。從圖1可知,降水主要集中在11日21:00—12日19:00,

        其中長春站和雙陽站降水量較多,達(dá)到30 mm以上,公主嶺最少,僅有3.3 mm。

        圖1" 2022年11月11日07:00—12日19:00長春市降水量

        從吉林省小時(shí)雨雪實(shí)況(圖2)可以看出,11月12日02:00前,長春市的降水相態(tài),以雨為主;04:00開始,長春市的降水相態(tài)以雪為主。根據(jù)時(shí)間分布來看,此次降水過程以混合態(tài)降水和固態(tài)降水為主。

        2.2 天氣形勢分析

        11月11日20:00,500 hPa高空槽在巴湖,吉林省位于槽前,850 hPa切變線位于吉林省西部;12日

        03:00,高空槽東移,切邊線位于吉林省的中部地區(qū)。11日19:00,850 hPa比濕值在6 g/kg左右。綜上,此次降水受高空槽和低空切變線的影響,同時(shí),配合較好的水汽和上升運(yùn)動(dòng)。

        3 雷達(dá)資料分析

        3.1 對比分析單偏振雷達(dá)與雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征

        3.1.1 不同仰角基本反射率產(chǎn)品對比

        基于Rose 2.0對2022年11月11日21:18雙偏振雷達(dá)水平基本反射率和單偏振基本反射率的0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°、6.0°6個(gè)不同仰角的基本反射率分析可知,同一塊雷達(dá)降水回波在0.5°(圖3紅圈內(nèi))和1.5°仰角單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高,平均高5 dBz;在2.4°、3.3°仰角時(shí),該回波在雙偏振雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品中已經(jīng)不明顯,而在單偏振雷達(dá)的基本反射率產(chǎn)品中仍可以看到20 dBz以上的回波;在4.3°和6.0°仰角時(shí),單偏振雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品中基本看不到回波,而在雙偏振雷達(dá)的基本反射率產(chǎn)品上仍可以看到20 dBz的回波。同時(shí),從0.5°和1.5°的低仰角基本反射率產(chǎn)品可以看出,單偏振雷達(dá)受低空非氣象回波的干擾較多,導(dǎo)致不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū),而雙偏振雷達(dá)能夠較好地反映雷達(dá)回波強(qiáng)度和落區(qū)。

        a.02:00;b.04:00

        圖2" 2022年11月12日吉林省小時(shí)雨雪實(shí)況

        a.單偏振雷達(dá);b.雙偏振雷達(dá)

        圖3" 0.5°仰角基本反射率

        3.1.2 單偏振雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)遮擋情況對比

        對比分析2022年11月12日多時(shí)刻的雙偏振雷達(dá)和單偏振雷達(dá)的0.5°基本反射率,以及1 h累計(jì)降水量可知,單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°~240°區(qū)域存在明顯遮擋,導(dǎo)致回波到達(dá)此區(qū)域后無法較準(zhǔn)確地分析回波的強(qiáng)度和落區(qū),而雙偏振雷達(dá)不存在遮擋問題,可以清晰地看到回波的強(qiáng)度和落區(qū)。

        3.2 雙偏振產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析

        3.2.1 基本反射率與質(zhì)控后的基本反射率

        對比降水集中時(shí)段的19(公司出廠的基本反射率產(chǎn)品)和019(經(jīng)過進(jìn)一步質(zhì)控后的基本反射率產(chǎn)品),

        19的顯示范圍為75 km,距離分辨率為300 m(圖4a),

        019的顯示范圍為199 km,距離分辨率為150 m(圖4b),

        表明經(jīng)過質(zhì)控后的數(shù)據(jù)不僅測距范圍大,且在同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間的最小可區(qū)分距離小。由于測距范圍大,019能夠全面觀察降水回波的變化,19可以更精細(xì)地分析長春市區(qū)降水回波情況。

        3.2.2 差分反射率

        差分反射率(ZDR)與粒子的形狀密切相關(guān),分析12日12:52的差分反射率產(chǎn)品可知,長春市的差分反射率為0~-3 dB,此時(shí)的降水粒子形態(tài)為橢球形,絕對值越大則形狀越尖,在降水相態(tài)上表現(xiàn)為干雪,水平基本反射率大值區(qū)與差分反射率的大值區(qū)基本對應(yīng)。

        3.2.3 相關(guān)系數(shù)

        相關(guān)系數(shù)(CC)可用于識(shí)別氣象回波、非氣象回波及降水相態(tài)。冰雹和濕雪的CC值為0.80~0.97;純雨和純雪的CC值>0.97;HCL中的濕雪區(qū)域?qū)?yīng)的CC值較小,基本在0.80~0.97;100~150 km距離圈內(nèi)的純雪區(qū)對應(yīng)的CC值均較大,基本>0.97。此外,低空靠近雷達(dá)50 km距離圈內(nèi)的純雨,在12日11:44的2.4°仰角相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品圖中可以看到明顯的零度層環(huán),與同時(shí)刻的基本反射率中的零度層亮帶對應(yīng)。

        圖4" 2022年11月12日09:56 19(a)和019(b)基本反射率

        3.2.4 差分傳播相移、差分傳播相移率

        差分傳播相移(φDP)與傳播距離有關(guān),與粒子在水平、垂直方向的大小有關(guān),與粒子的疏密度有關(guān),對精確降水估計(jì)很有效,對雷達(dá)的標(biāo)校、衰減和波束部分阻擋不敏感,差分相移突然增大的區(qū)域表明降水回波有變強(qiáng)的趨勢。而差分傳播相移率(KDP)與傳播距離無關(guān),與粒子在水平垂直方向的大小有關(guān),與粒子數(shù)密度有關(guān),反映降水回波中的純液態(tài)含水量。

        這兩個(gè)參量均可以提高降水強(qiáng)度的估測,例如,在08:19的基本反射率圖(圖略)中圈出部分沒有較強(qiáng)的回波,在同時(shí)刻的φDP產(chǎn)品圖(圖略)中圈中區(qū)域存在明顯增大的區(qū)域,KDP產(chǎn)品在第二和第三象限內(nèi)存在正值區(qū)域,表明兩個(gè)區(qū)域內(nèi)回波中有液態(tài)水存在,在08:53的基本反射率雷達(dá)的第三四象限內(nèi)存在兩個(gè)較強(qiáng)降水回波區(qū),相對應(yīng)φDP和KDP產(chǎn)品同樣位置也存在同樣增強(qiáng)的大值區(qū)。

        綜上所述,差分傳播相移和差分傳播相移率增強(qiáng)與降水強(qiáng)度的加強(qiáng)存在正相關(guān)關(guān)系,且具有超前指示意義。

        4 結(jié)論

        (1)單偏振雷達(dá)比雙偏振雷達(dá)的基本反射率值偏高,在低仰角基本反射率,單偏振雷達(dá)受非氣象回波干擾較多,不能較好地判斷回波的強(qiáng)度和落區(qū)。單偏振雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在210°~240°區(qū)域存在明顯遮擋。

        (2)雙偏振雷達(dá)的HCL、CC、ZDR產(chǎn)品可以較準(zhǔn)確地反映降水相態(tài),ZDR的大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合,存在較強(qiáng)降水落區(qū)。同時(shí),CC和HCL可以反映出零度層亮帶。

        (3)φDP和KDP變化趨勢與降水量變化基本一致,

        在降水加強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象,且提前降水量變化20~

        30 min,對降水強(qiáng)度的增強(qiáng)具有提前指示意義。

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        收稿日期:2024-07-09

        作者簡介:解彥維(1990—),男,吉林長春人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)闅庀罂茖W(xué)。

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