新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達在黃南州冰雹中的應用分析

邢子毅 嚴繼云 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年黃南州境內出現的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）、相關系數（CC）等參數的特征差異進行分析。結果表明：黃南地區發生冰雹時段的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ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8時，出現冰雹的可能性大；當ZH＞60 dBz、ZDr＜0、KDP在0～1.0 deg/km、ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93時，冰雹出現的可能性極大，同時，水平反射率因子和相關系數的大值對應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和中高層強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區也是地區出現強冰雹的重要特征之一。

關鍵字：雷達；雙偏振參量；冰雹；災害性天氣

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

冰雹是影響黃南州的重要災害性天氣之一，局地性強，危害性大，往往給人民生命財產安全和經濟發展造成較大損失。傳統多普勒天氣雷達對冰雹的監測和識別能力有限，加上高原地區冰雹多發，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，國內外學者針對雙偏振雷達應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、自相關系數在降雹前可以對云中的雹區進行直接、有效的判斷，對冰雹的預報具有重要的指示意義[1]。出現冰雹的地區具有水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDr小、相關系數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表征入流區的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高度冰雹區對應的反射率因子（ZH）均＞65 dBz，差分反射率因子（ZD）介于-2.6～1.5 dB，相關系數介于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中位數越大、差分反射率因子ZDr中位數越小且基本為正值，但在-10～-20 ℃層，大冰雹的ZDr中位數易呈現負值；相關系數CC中位數隨冰雹增大或高度降低而減小；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可出現負值，小冰雹ZDr＞0 dB的情況較多，特大冰雹ZDr接近0 dB[4]。基于此，統計了黃南州2022年出現的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、落區分散、時空尺度小和持續時間短的特點，因此很難確定實際降雹地點、開始時間和結束時間，降雹相關信息均由臺站業務人員監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）、相關系數（CC）、差分傳播相移率（KDP）等參數。由表1可知，從時間分布來看，降雹天氣均發生在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同仁隆務鎮、年都乎鄉出現2022年最強冰雹天氣，其中隆務鎮冰雹持續時間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，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。冰雹發生地同仁、澤庫、河南距離雷達均在100 km之內，在有效探測范圍內，同理ZDR、ΦDP、KDP、CC也應是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，結果表明：在冰雹發生時段，ZH在34～69 dBz；通過分析不同個例可知，第1、3、4、6、8、9、10、11個中冰雹發生時段反射率因子中位數均在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；所有個例中冰雹發生時段的ZDR中位數均＜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）、相關系數（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，從不同個例冰雹發生時段的ΦDP分析來看，所有冰雹的ΦDP中位數在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，有利于冰雹識別。相關系數CC與粒子形狀、粒子密度有關，對11個冰雹個例的相關系數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同仁市隆務鎮、年都乎鄉出現年度最強冰雹天氣，其中隆務鎮冰雹持續時間為25 min，最大直徑為25 mm。

冰雹發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，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，相關系數（CC）范圍在0.75～0.95，差分傳播相移ΦDP范圍在3.6～21.8 deg。結合雷達圖分析可知，水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移率（KDP）及相關系數（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構圖，圖中清晰顯示了低層反射率因子強梯度區，尤其是龐大的強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區，屬于典型的雹暴結構。

4 結論

對2022年黃南州境內出現的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）、相關系數（CC）、差分傳播相移率（KDP）等參數的特征差異以及雷達回波剖面特征進行分析。結果表明：（1）黃南地區發生冰雹時段的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ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8時，出現冰雹的可能性大；ZH＞60 dBz，ZDr＜0時，KDP在0～1.0 deg/km，ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93時，冰雹出現的可能性極大，并且水平反射率因子和相關系數的大值對應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和中高層強回波懸垂和該回波懸垂下面的弱回波區也是出現強冰雹的重要特征之一。

參考文獻

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