貴州中部冰雹的雙偏振雷達(dá)參量特征與識(shí)別

李 瑋，李 皓，劉 偉，李懷志

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

冰雹是貴州危害較大的主要災(zāi)害性天氣之一,全省因冰雹造成的受災(zāi)農(nóng)作物面積平均在5.3～13.3萬(wàn)hm2之間，重災(zāi)年的受災(zāi)面積在13.3萬(wàn)hm2以上，貴州的冰雹還具有生成發(fā)展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災(zāi)害重、防范難度大的特點(diǎn)，使得冰雹災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布滯后，響應(yīng)時(shí)間短，有效應(yīng)對(duì)困難，常造成農(nóng)作物受災(zāi)，甚至人畜傷亡，因此及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別冰雹云，對(duì)于人工防雹作業(yè)有著十分重要的意義。近年來(lái)，雙偏振雷達(dá)日益成為改善測(cè)量雷暴云中粒子相態(tài)的一種新方法，它測(cè)得的水平反射率(ZH)、差分反射率因子(ZDR)、差傳播相移率(KDP)、相關(guān)系數(shù)(ρhv) 等參量與水成物粒子類型、形狀及分布等要素密切相關(guān)[1]。國(guó)內(nèi)張鴻發(fā)、劉黎平等在雙偏振雷達(dá)探測(cè)冰雹和估算降水方面做了大量工作[2-3]，王致君等提出了雙偏振雷達(dá)在人工影響天氣作業(yè)指揮及效果檢驗(yàn)方面的應(yīng)用前景[4]。本文利用選取2017年4月16日貴陽(yáng)市修文縣冰雹天氣過(guò)程，分析了降雹時(shí)的4種偏振參量特征，同時(shí)分別用的多普勒雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)進(jìn)行了冰雹識(shí)別，并用地面降雹資料進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2 天氣背景分析

2017年4月16日08時(shí)(圖1)，高空，位于貝加爾湖南側(cè)的高空槽，在河套地區(qū)分裂出一個(gè)短波槽，短波槽東移攜帶冷空氣影響貴州省。地面，重慶到四川南部有一冷鋒，貴州位于冷鋒前低壓區(qū)域，鋒前存在暖濕平流，冷暖氣流在貴州交匯，有利于強(qiáng)對(duì)流的生成。貴州區(qū)域0℃層高度在4 500 m附近，處于貴州有利于產(chǎn)生冰雹的高度。從16日08時(shí)貴陽(yáng)探空T-logp圖(圖2)可以看到，在850～500 hPa的大氣層結(jié)中，下層的水汽含量大于上層的水汽含量，這種下濕上干的配置有利于對(duì)流的生成。08時(shí)的對(duì)流抑制能量CIN值為16.9 J/kg，CAPE值為145.4 J/kg，將08時(shí)地面氣溫用14時(shí)地面實(shí)況氣溫替換后發(fā)現(xiàn)CAPE值為1 269.5 J/kg，說(shuō)明實(shí)際上整層大氣中具有很大的不穩(wěn)定能量，有利于對(duì)流發(fā)展。

圖1 2017年4月16日08時(shí)高低空配置圖Fig.1 Weather system configuration for both high and low altitude at 8∶00 on April 17,2017

圖2 2017年4月16日08時(shí)貴陽(yáng)探空T-logp圖Fig.2 Guiyang sounding chart at 8∶00 on April 17,2017

3 冰雹云的偏振參量特征分析

2017年4月16日修文六屯和久長(zhǎng)在15時(shí)48-49分降雹,圖3a～3d中紅圈中為對(duì)應(yīng)的冰雹云回波偏振參量。

水平反射率ZH反映了降水粒子的數(shù)目和尺寸大小，不受雷達(dá)常數(shù)影響的散射特征量,類似于多普勒雷達(dá)水平方向的反射率因子。從圖3a可知，在降雹時(shí)，強(qiáng)回波中心的值達(dá)到了55 dBz，表明此時(shí)在云體中云粒子尺寸較大，或粒子數(shù)較多。

ZDR為差分反射率因子,受粒子外形的影響,它反映了降水粒子的空間取向和長(zhǎng)短軸之比，表征云中粒子偏離球形的大小以及在水平和垂直方向上的取向程度，對(duì)于液態(tài)粒子，ZDR>0，且雨滴越大，ZDR的值越大，雨區(qū)ZDR值在0～5.0 dB之間;而冰雹在下落過(guò)程中翻滾和形狀不規(guī)則，認(rèn)為其是各向同性的，它的ZDR值較小，甚至可以出現(xiàn)負(fù)值，從圖3b可知與強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)的區(qū)域ZDR值出現(xiàn)了0～-2的負(fù)值區(qū)，該負(fù)值區(qū)和ZH的強(qiáng)回波中心有較好的吻合，且從云體發(fā)展到發(fā)生降雹之前，其值有一個(gè)快速?gòu)恼冐?fù)、負(fù)值區(qū)變大的過(guò)程，表明云內(nèi)部出現(xiàn)了相態(tài)為橢球狀或錐球狀的冰雹粒子，冰雹粒子數(shù)快速增加。

KDP為差分傳播相移,反映了各種偏振參量在傳播途徑上,由于傳播系數(shù)不同所導(dǎo)致相位的變化，值的大小反映出液態(tài)含水量的多少，而液態(tài)水和冰雹的取值范圍有較大的區(qū)別，有研究表明[3]，KDP的大小和降水強(qiáng)度成正比，而冰雹粒子區(qū)域的KDP比較小，接近于零。從圖3c可以看到云內(nèi)存在0.1～0.3(°)/km之間和1.0～4.0(°)/km的區(qū)域，因此云中既存在著冰雹粒子，也存在雨滴，與地面觀測(cè)到的雨中夾雹的現(xiàn)象相吻合。

ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波之間的零滯后相關(guān)系數(shù)，反映云水粒子前后形狀和尺寸，降雨和干雪的水平和垂直信號(hào)相關(guān)性較好，因此，ρhv值較大時(shí)(>0.98)對(duì)應(yīng)的是降雨和干雪;ρhv值相對(duì)較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的是融化層中冰雹和濕雪，圖3d可以看到ρhv在0.85～0.98之間，屬于濕雹或濕雪粒子的取值區(qū)間。

(a)水平反射率ZH (b)差分反射率ZDR

(c)差分傳播相移KDP (d)相關(guān)系數(shù)ρhv圖3 2017年4月16日修文六屯和久長(zhǎng)冰雹云回波偏振參量Fig.3 Polarization parameters of Hail cloud echo in Xiuwen Liutun and Jiuchang on April 16,2017

4 基于多普勒雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)的冰雹識(shí)別

4.1 基于多普勒雷達(dá)的冰雹識(shí)別

以多普勒雷達(dá)為基礎(chǔ)的貴州春季冰雹云識(shí)別指標(biāo)是從大量的歷史冰雹個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析得出的，該指標(biāo)在我省從國(guó)家人影中心引進(jìn)的云降水精細(xì)化分析系統(tǒng)(CPAS)中運(yùn)用：

①雷達(dá)回波強(qiáng)度在45 dBz以上；

②回波頂高在8 km以上，降雹前有明顯增高的現(xiàn)象；

③降雹垂直累積液態(tài)水含量VIL出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；

④ 45 dBz回波在0 ℃層高度以上，發(fā)展到對(duì)流云中上部時(shí)，可能發(fā)生冰雹；超過(guò)-20 ℃層高度時(shí)，將有大冰雹發(fā)生的可能。

2017年4月16日修文六屯和久長(zhǎng)在15時(shí)48-49分降雹，貴陽(yáng)多普勒雷達(dá)在15時(shí)15分發(fā)現(xiàn)了初生回波并發(fā)展(圖4中紅圈中為對(duì)應(yīng)的冰雹云回波)，圖4a，在15時(shí)26分，根據(jù)上述指標(biāo)識(shí)別該對(duì)流云為冰雹云：從圖4c可以看到，此時(shí)雷達(dá)組合反射率因子在45 dBz以上，從垂直剖面圖6a可知回波頂高發(fā)展到8 km，從圖5 VIL演變的情況來(lái)看，垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，從4月16日貴陽(yáng)08時(shí)探空資料得到的0 ℃層和-20 ℃層分別為4 830 m和7 260 m，均滿足各項(xiàng)，因此認(rèn)為15時(shí)26分該對(duì)流單體為冰雹云。

圖4 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的雷達(dá)回波Fig.4 Radar echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

圖5 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的VIL演變Fig.5 The evolution of hail formation,development,and falling on April 16th

圖6 4月16日冰雹識(shí)別、降雹時(shí)的垂直結(jié)構(gòu)Fig.6 The vertical structure of hail detection and falling on April 16th

4.2 基于雙偏振雷達(dá)的冰雹識(shí)別

與此同時(shí)，位于清鎮(zhèn)的X波段雙偏振雷達(dá)也進(jìn)行了觀測(cè)和識(shí)別，采用的是模糊邏輯相態(tài)識(shí)別(FHC)[5]，將雷達(dá)觀測(cè)參數(shù)矩陣X通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換為降水粒子類型矩陣Y。X和Y之間的關(guān)系可以采用隸屬函數(shù)的方式來(lái)建立(具體方法略),最后輸出小雨、小雹、干雪等14種粒子識(shí)別類型。15時(shí)15分偏振雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了該回波的生成(圖7～圖8中紅圈中為對(duì)應(yīng)的冰雹云回波偏振參量)，15時(shí)21分用基于偏振雷達(dá)的冰雹微物理模型指標(biāo)，通過(guò)X波段雙偏振雷達(dá)冰雹云監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，識(shí)別該對(duì)流單體為冰雹云，從圖8a中可以看到，此時(shí)云體中出現(xiàn)了冰水混合物和小冰雹。半個(gè)小時(shí)后，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，15時(shí)48-49分，修文縣久長(zhǎng)鎮(zhèn)降雹，密度為7粒/m2，半徑為2 mm，雙偏振臨近的一個(gè)觀測(cè)時(shí)次15時(shí)51分也識(shí)別出云體內(nèi)的冰水混合物和小冰雹(圖8b)，與實(shí)際降雹時(shí)間、地點(diǎn)、冰雹大小相吻合。

圖7 4月16日冰雹發(fā)生、發(fā)展、降雹的雙偏振雷達(dá)回波Fig.7 The DPR echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

圖8 4月16日冰雹識(shí)別,a:15時(shí)21分,b:15時(shí)51分Fig.8 The hail detection on April 16th,a:15∶21,b:15∶51

5 結(jié)論

①高空槽和地面冷鋒的共同影響，冷暖氣流在貴州交匯，有利于強(qiáng)對(duì)流的生成。大氣不穩(wěn)定條件和水汽的下濕上干的配置是導(dǎo)致本次冰雹過(guò)程的主要原因。

②通過(guò)對(duì)2017年4月16日這次降雹過(guò)程分析，X波段雙偏振雷達(dá)能夠較好的反映冰雹云的回波特征，在降雹時(shí)的偏振參量ZH達(dá)到了55 dBz，強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)的區(qū)域ZDR值出現(xiàn)了0～-2的負(fù)值區(qū)，KDP在-0.1～0.3(°)/km之間和1.0～4.0(°)/km的區(qū)域，ρHV在0.85～0.98之間；

③從基于多普勒雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)的冰雹識(shí)別對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法都識(shí)別出該對(duì)流單體為冰雹云，多普勒雷達(dá)對(duì)冰雹云的判斷主要是基于云體的宏觀特征，如回波強(qiáng)度大小、回波頂高、強(qiáng)回波中心的位置等，雙偏振雷達(dá)則注重于云內(nèi)粒子的形態(tài)；從識(shí)別的時(shí)間來(lái)看，雙偏振雷達(dá)提早5 min識(shí)別出冰雹云，這對(duì)于人工防雹作業(yè)是非常重要的，但這僅是一次個(gè)例，實(shí)效性還有待在未來(lái)的工作中積累大量的個(gè)例來(lái)驗(yàn)證。