貴州春季一次強冰雹天氣過程雙線偏振雷達觀測分析

曾勇 曹水 楊哲

摘要? ? 為探索X波段雙線偏振雷達對冰雹云識別效果，對貴州春季一次強冰雹天氣過程偏振雷達降水識別進行分析。結果表明，雙線偏振雷達能夠從水平反射率因子識別出冰雹云，在有效探測范圍內能夠獲取冰雹粒子真實回波信息。偏振雷達的降水類型識別能夠正確識別冰雹，同時識別到冰雹落區與實際降雹落區基本一致。在人工防雹作業時，可以利用雙線偏振雷達識別冰雹云，獲得科學作業時機和作業部位。

關鍵詞? ? 冰雹云;雙線偏振雷達;偏振參量;降水粒子識別;貴州省

中圖分類號? ? P458.121.2? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）12-0178-03

Abstract? ? In order to explore the recognition effect of X-band dual-linear polarization radar on hail clouds，the polarization radar precipitation identification during a severe hail weather process in spring in Guizhou Province was analyzed.The results showed that the dual-linear polarization radar could recognize hail clouds from horizontal reflectance factor and obtain the real echo information of hail particles within the effective detection range.The recognition of precipitation type by polarization radar could correctly identify hail，and the hail falling area identified by polarization radar was basically consistent with the actual hail falling area.In the artificial hail suppression operation，the hail cloud could be identified by using dual linear polarization radar，and the timing and location of the scientific operation could be obtained.

Key words? ? hail cloud;dual linear polarization radar;polarization parameter;precipitation particle recognition;Guizhou Province

貴州地處云貴高原東側，屬典型的山區省份，特殊的地理環境和地形地貌造成冷暖空氣交匯活動頻繁，氣象災害頻發，冰雹災害尤為嚴重[1-2]。在全球氣候變暖趨勢下，一方面貴州省冰雹不僅頻次增多而且災害程度日趨嚴重，冰雹災害損失慘重，特別是對農業生產影響比較突出，輕則使農作物減產，重則絕收;另一方面全省冰雹明顯呈現突發性、季節性、區域性的變化特點。據有關資料統計，貴州省每年因冰雹災害造成的經濟損失達千萬元甚至逾億元，農田受災高達數萬畝[3]。

新一代天氣雷達作為探測強對流天氣的有效工具，為冰雹天氣的監測預警預報提供有力支撐，但其只能獲取冰雹云雷達回波的宏觀特征，缺少對冰雹云發展過程微物理特征觀測。雙線偏振雷達是在新一代天氣雷達基礎上發展起來的新型雷達探測裝備，除新一代天氣雷達能提供的雷達產品之外，雙線偏振雷達能夠提供識別冰雹和降水的偏振參量產品[4-5]。國內外專家和學者針對不同波段雙線偏振雷達開展觀測試驗，結果表明，雙線偏振雷達在冰雹識別和定量降水估測效果較好[6-7]。本研究主要基于X波段雙線偏振雷達探測數據，對2018年4月21日發生在貴州中部一次強冰雹天氣過程冰雹識別進行分析，以促進雙線偏振雷達在冰雹監測與人工防雹中的應用，為防災減災提供支撐。

1? ? 資料與方法

雷達資料采用貴州省人工影響天氣辦公室2017年引進的X波段雙線偏振雷達觀測數據，其有效探測距離為75 km。因冰雹過程伴隨強雷電導致雷達站在首次降雹之前斷電，因此探測數據從21：27—22：21之間10個體掃數據，不影響后續2次降雹的分析。探空資料為貴陽探空站當日20：00（北京時間，下同）L波段探空雷達資料。降雹資料來自地面天氣報文和人工影響天氣作業站點觀測記錄。對雷達資料的分析主要基于偏振雷達終端處理軟件，對相關雷達參量進行數理統計分析。

2? ? 天氣實況與環境場分析

2018年4月21日20：34—22：47，貴州中部出現冰雹天氣過程，清鎮市新店鎮（21：15）、衛城鎮（21：39）、王莊鄉（21：46）先后出現降雹，最大冰雹直徑為王莊鄉20 mm，對農作物造成一定損害。

2018年4月21日20：00，650 hPa的中低層有明顯的條件不穩定，對流有效位能CAPE值為358.39 J/kg，低層有少量的對流抑制能量，0 ℃層位于4.6 km左右，-20 ℃層位于8.0 km高度;對流層底部有較淺薄的干層，820～650 hPa之間是顯著的濕層;400 hPa為20 m/s以上的大風，且隨高度升高風速變大，中低層（500 hPa以下）為東南風隨高度順時針旋轉為西北風，有暖平流，500 hPa以上風向為穩定的西北風，風速達到36 m/s;在700 hPa濕度較大的情況下，K指數為43 ℃，SI指數為-3.49 ℃，表明對流層中層和中低層存在熱力不穩定層結。

20：00的環境場特征中雖然對流有效位能的數值不算很大，但在中低層均存在不穩定層結，低層具有垂直風切變和融化層較低幾個特征明顯的情況下，具備發生冰雹和雷暴大風的熱力和動力環境條件。

2? ? 冰雹識別結果分析

2.1? ? 雷達反射率因子

冰雹云特征是具有較強的反射率因子和強回波頂高。雙線偏振雷達能夠同時發射和接收水平和垂直極化電磁波，因而能夠獲取對不同粒子對水平和垂直極化電磁波的散射差異信息，從而對不同降水粒子進行區分和識別。圖2給出了主要時次6.7°仰角雷達水平反射率因子ZH分布。由圖2（a）可以看出，冰雹云在新店鎮降雹后的繼續發展，回波最大強度已達到65 dBZ，45 dBZ強回波頂高達到8.0 km。結合當日融化層高度為4.6 km，-20 ℃層高度為8.0 km，已經達到貴州冰雹云識別指標，可以確定為冰雹云。圖2（b）（c）分別對應衛城和王莊降雹，此時強度回波強度區域范圍擴展，是強冰雹云特征，在經歷2次降雹后，在22：21回波強度減弱，強回波趨于消散，冰雹云進入消亡階段。

2.2? ? 降水粒子識別

新一代天氣雷達盡管能夠對冰雹云回波宏觀特征進行分析，但宏觀參量不能反映冰雹云發展演變過程中云內微觀粒子在動力和微物理作用下增長特征，X波段雙線偏振雷達可解決這一難題，可以對雹云內各類水成物粒子進行有效識別。本部X波段雙線偏振雷達主要基于模糊邏輯法（FHC）對ZH（雷達水平反射率因子）、ZDR（差分反射率因子）、KDP（差分傳播相移）和ρhv（零滯后相關系數）4個偏振參量進行模糊化，構建各自的隸屬函數，降水類型作為輸出變量[8]，對主要觀測時次偏振雷達降水類型識別結果進行提取，結果如圖3所示。可以明顯看出，在21：27已經識別出大冰雹區與冰水混合區。在經歷2次降雹后，冰雹識別區域減小，是降雹對冰雹云內粒子的消耗。根據當日人工影響天氣作業站點觀測資料，偏振雷達識別冰雹云落區與實際觀測降雹落區基本一致，體現出雙線偏振雷達較新一代天氣雷達識別冰雹具有更好優勢，可以為人工防雹作業提供科學的作業時機和作業部位，達到防災減災目的。

3? ? 結論

對貴州春季一次強冰雹天氣過程X波段雙線偏振雷達觀測資料進行分析，結果表明，X波段雙線偏振雷達首先能從水平反射率因子識別冰雹云，其次通過模糊邏輯算法得到的降水粒子類型能有效識別大冰雹、小冰雹和冰水混合區。通過降雹過程地面觀測資料與偏振雷達觀測資料比對，雙線偏振雷達識別出冰雹落區與實際降雹落區基本一致，而且具有一定時間提前量。因此，在開展人工防雹作業時，可以先利用新一代天氣雷達對冰雹云進行提前預警，再利用雙線偏振雷達定點對目前區域進行觀測，識別冰雹云，獲得精準的作業時機和作業部位，從而為科學人工防雹作業提供支撐。

4? ? 參考文獻

[1] 萬雪麗，周明飛，曾莉萍，等.貴州春季強冰雹天氣定量化概念模型研究及試應用分析[J].貴州氣象，2017，41（2）：1-7.

[2] 周永水，汪超.貴州省冰雹的時空分布特征[J].貴州氣象，2009，33（6）：9-11.

[3] 張塞，范寶俊.中國災害報告（1949—1995）[M].北京：統計出版社，1995.

[4] 王曉藝，蘇德斌.基于X波段雙線偏振雷達的冰雹云降水粒子識別研究[J].成都信息工程大學學報，2018，33（4）：383-390.

[5] 何宇翔，肖輝，呂達仁.利用極化雷達分析層狀云中水凝物粒子性狀分布[J].大氣科學，2010，34（1）：23-34.

[6] 劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達估測混合區降雨和降雹方法的理論研究[J].大氣科學，2002（6）：761-772.

[7] LIU H，CHADRASEKAR V.Classification of hydrometeors based on polarimetric Radar measurements：Development of fuzzy logic and neuro-fuzzy systems and in situ verification[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2000（17）：140-164.

[8] 曹俊武，劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達識別冰雹區方法研究[J].氣象，2006（6）：13-19.