X波段双偏振天气雷达在冰雹识别中的应用

张雄 倪闻 张淑敏

摘 要：利用铜川YLD1-D型X波段全固态双偏振多普勒天气雷达和西安C波段多普勒天气雷达（CINRAD/SA）对2017年盛夏的强对流冰雹天气进行对比分析，结果表明：除反射率因子（R）、垂直累计液态含水量（VIL）等常用产品对冰雹有指示意义外，铜川X波段双偏振雷达产品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子识别（HCL）等产品对冰雹具有较好的指示性，此外冰雹潜势预测（HPF）和零延迟相关系数（RHV）也可作为判断冰雹的辅助产品。

关键词：X波段；双偏振；冰雹；粒子识别；差分反射率因子

中图分类号：S166 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180631059

1 研究目的和意义

铜川位于关中平原向陕北黄土高原的过渡地带，境内山峦叠嶂沟壑纵横地形复杂，短时强降水、冰雹、雷暴等灾害性天气频发，在此背景下铜川引进了YLD1-D型X波段全固态双偏振多普勒天气雷达，该雷达具有全天候、免维护及产品丰富等优点，但业务人员在实际使用中发现其产品众多应用不便，本文旨在通过对铜川X波段天气雷达与西安C波段雷达对比分析，找出铜川YLD1-D型X波段天气雷达在强对流天气中的优势产品，最大限度的发挥该雷达在冰雹等灾害性天气中的作用，为预报预警和防灾减灾提供更多的技术支撑和决策依据。

2 雷达常规产品分析

2017年7月14日铜川市北部宜君县彭镇一带出现雷雨冰雹，最大冰雹直径约20mm，降雹时间在20：20左右，彭镇区域自动站显示20：00—21：00降水量18.0mm，结合当日08：00探空图分析（图略），在TlogP曲线上呈明显的上干下湿“喇叭口”形，说明本次过程是典型的干对流，更容易产生冰雹而不是短时强降水。从雷达1.5°仰角反射率因子来看，西安雷达（图1）在宜君彭镇一带回波强度达到65dbz左右，铜川雷达回波强度较西安雷达偏弱但最强回波（图2）也达55dbz以上，表明对流云系统发展非常旺盛。

从两部雷达的基本速度（图略）也可以看出，宜君彭镇附近有明显的辐合区，西安雷达上速度辐合的特征非常明显。两部雷达的垂直累计液态水含量VIL（图略）也表明该地区含水量非常高（西安雷达最大VIL值为48kg/m2），但在降雹区下方另一块强回波中VIL值同样很大，但却未出现冰雹，这就给仅使用雷达常规产品判断冰雹带来一定困难[1]。

3 X波段雷达特有产品分析

铜川X波段雷达提供了44种细分产品，经过对2017年7月14日冰雹和2017年7月27日飑线过境（出现软雹）两次对流云团的观测分析，确定了几种对冰雹强对流天气具有较好指示意义的产品分析如下。

3.1 粒子识别（HCL）

图2为2017年7月14日20：25铜川X波段雷达不同仰角粒子识别产品，在实际降雹区（图中红圈处）能识别出小冰雹、大冰雹，表明粒子识别产品对冰雹判断有较好的指示意义，且在2.4°仰角中（图3）识别效果好于1.5°仰角（图4），这也说明该对流云发展高度较高。对图中小冰雹和大冰雹细分可以看出，实际降雹区与图中识别的大冰雹区对应关系更好，即粒子识别产品对大冰雹的识别优于小冰雹或软雹。图中降雹区的西北方向也识别出小冰雹，但实际未出现冰雹，说明铜川X波段雷达对距离雷达较远处（经测算为半径>50km）的回波识别误差增大。

3.2 差分反射率因子（ZDR）

根据差分反射率因子的定义可知[2]，其值趋近于零时可以辅助判断冰雹或软雹的存在区域。在2017年7月14日降雹时，差分反射率因子（ZDR）指示性较好，1.5°仰角上（图5）降雹区与ZDR零值（白色区域）对应较好，2.4°仰角上（图6）ZDR在降雹区零值以内出现大片负值区，而实际降雹区与零值区（包括负值区）几乎重合，这种情况同样出现在2017年7月27日的降雹过程中（图略）。差分反射率因子的定义并不能很好的解释ZDR负值区与冰雹落去基本吻合这一现象，这两者之间的对应关系还需进一步在业务实践中对比观测确定。

3.3 冰雹潜势预测（HPF）和零延迟相关系数（RHV）

通过对多次降雹时HPF产品的统计显示，降雹时该值为31%～37%左右，但实际观测中并不是该值越大出现降雹可能越大，以2017年7月14日冰雹为例，在未降雹区冰雹潜势预测值甚至大于降雹区，因此该产品仅是判断冰雹的辅助产品。

当回波垂直发展非常旺盛时，零延迟相关系数（RHV）减小并趋向0.5（图略），在本文两次降雹中RHV在强回波区取值在0.6～0.75左右，相对周围云层（反射率因子小于45dbz时RHV迅速接近1.00）降雹区RHV明显偏小。但实际使用中强对流积云回波与强回波到无回波的回波梯度大值区RHV值均明显减小，造成应用不便，即RHV也只能作为冰雹的辅助判别指标。

4 结论

2部雷达中反射率因子、垂直累计液态含水量（VIL）等常用产品对铜川区域强对流均有较好指示，但直接判断冰雹仍有诸多干扰。

X波段雷达产品中的差分反射率因子（ZDR）、粒子识别（HCL）2种产品对冰雹的指示性较好。但当回波发展非常强盛时差分反射率因子会从零过渡到负值，而ZDR负值区与降雹區的对应关系还需大量观测分析确定；粒子识别产品对距离雷达站50km以外的回波识别误差增大。

冰雹潜势预测（HPF）产品可以作为判断冰雹的辅助，当其大于31%时可以结合其他产品判断是否有冰雹出现；零延迟相关系数（RHV）小于0.75时可结合其他指标判断冰雹的出现，但不可作为单一指标使用。

参考文献

[1]胡明宝，高太长，汤达章.多普勒天气雷达资料分析与应用[M].北京：解放军出版社，2000.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006.

作者简介：张雄（1985-），男，陕西周至人，本科，气象预报工程师，研究方向：中短期天气预报及服务。