基于一次降水轉換過程的單、雙偏振雷達對比分析

摘 要：利用ERA5再分析資料及常規觀測資料、單偏振雷達、雙偏振雷達等觀測資料，分析2022年11月11日—12日長春市一次雨雪轉換天氣的降水相態演變特征，以及單偏振雷達和雙偏振雷達的對比分析。結果表明：單偏振雷達比雙偏振雷達的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，單偏振雷達受非氣象回波干擾較多，不能較好地判斷回波的強度和落區；單偏振雷達的產品數據在210°～240°區域存在明顯遮擋；雙偏振雷達的分差反射率和粒子分類產品可以較準確地反映降水相態，分差反射率的大值區與反射率因子大值區重合，是降水落區的存在。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，在降水加強時出現躍增現象，且提前于降水量變化20～30 min，對降水強度的增強具有提前指示意義。

關鍵詞：單偏振雷達；雙偏振雷達；降水相態

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

降水相態是東北地區秋冬和冬春過渡季節降水預報的重要因素之一，相同的降水量，出現降水和出現降雪造成的影響截然不同[1]。降水相態及其轉換時間預報是天氣預報的難點和重點，有關雨雪相態轉換的研究由來已久，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，因此識別難度較大。當前，利用雙線偏振雷達觀測冬季降雪過程的研究較少，東北區域關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換天氣為研究對象，研究其降水相態演變特征及對比分析單偏振雷達和雙偏振雷達，具有重要的現實意義。

1 資料來源

歐洲中期天氣預報中心提供的ERA5再分析數據。其時間間隔為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°，該數據資料用于環流背景和物理量診斷。

地面小時常規觀測資料。該資料用于分析研究時段的小時降水量和地面溫度。

天擎小時雨雪實況資。該資料用于分析研究時段研究區域的降水相態。

單偏振、雙偏振雷達的基本反射率、雙偏振參量等的PUP數據。該資料用于分析降水過程的雷達數據特征及對比分析單偏振和雙偏振雷達基本反射率特征。

2 天氣實況與環流背景

2.1 天氣實況

2022年11月11日07：00—11月12日19：00，長春市出現了從液態到混合態再到固態降水的天氣過程。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

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

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。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，配合較好的水汽和上升運動。

3 雷達資料分析

3.1 對比分析單偏振雷達與雙偏振雷達產品特征

3.1.1 不同仰角基本反射率產品對比

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

a.02：00；b.04：00

圖2" 2022年11月12日吉林省小時雨雪實況

a.單偏振雷達；b.雙偏振雷達

圖3" 0.5°仰角基本反射率

3.1.2 單偏振雷達和雙偏振雷達遮擋情況對比

對比分析2022年11月12日多時刻的雙偏振雷達和單偏振雷達的0.5°基本反射率，以及1 h累計降水量可知，單偏振雷達的產品數據在210°～240°區域存在明顯遮擋，導致回波到達此區域后無法較準確地分析回波的強度和落區，而雙偏振雷達不存在遮擋問題，可以清晰地看到回波的強度和落區。

3.2 雙偏振產品數據分析

3.2.1 基本反射率與質控后的基本反射率

對比降水集中時段的19（公司出廠的基本反射率產品）和019（經過進一步質控后的基本反射率產品），

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），

表明經過質控后的數據不僅測距范圍大，且在同一方向上兩個大小相等點目標之間的最小可區分距離小。由于測距范圍大，019能夠全面觀察降水回波的變化，19可以更精細地分析長春市區降水回波情況。

3.2.2 差分反射率

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

3.2.3 相關系數

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

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

這兩個參量均可以提高降水強度的估測，例如，在08：19的基本反射率圖（圖略）中圈出部分沒有較強的回波，在同時刻的φDP產品圖（圖略）中圈中區域存在明顯增大的區域，KDP產品在第二和第三象限內存在正值區域，表明兩個區域內回波中有液態水存在，在08：53的基本反射率雷達的第三四象限內存在兩個較強降水回波區，相對應φDP和KDP產品同樣位置也存在同樣增強的大值區。

綜上所述，差分傳播相移和差分傳播相移率增強與降水強度的加強存在正相關關系，且具有超前指示意義。

4 結論

（1）單偏振雷達比雙偏振雷達的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，單偏振雷達受非氣象回波干擾較多，不能較好地判斷回波的強度和落區。單偏振雷達的產品數據在210°～240°區域存在明顯遮擋。

（2）雙偏振雷達的HCL、CC、ZDR產品可以較準確地反映降水相態，ZDR的大值區與反射率因子大值區重合，存在較強降水落區。同時，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，

在降水加強時出現躍增現象，且提前降水量變化20～

30 min，對降水強度的增強具有提前指示意義。

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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，高級工程師，研究方向為氣象科學。