天气雷达层状云降水中Z-R关系的优化与检验分析

曾培培 刘晓迎 杜明哲

摘 要：新一代天气雷达联合雨量站数据进行定量降水估测过程中，雷达回波强度和雨量站观测值较好的匹配是准确拟合出[Z-R]关系的关键。普遍使用的[Z-R]关系式为[Z=300R1.4]。事实上，雷达反射率因子是由降水粒子谱分布决定的，不同的粒子谱分布会得到不同的雷达反射率因子。本文采用Parsivel激光雨滴谱仪，并联合天气雷达资料，分析南京区域层状云降水过程，统计计算了南京地区当地新的[Z-R]关系，目的是提高南京地区雷达估测降水的准确度。

关键词：[Z-R]关系;天气雷达;检验

中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0128-05

Abstract： In the quantitative precipitation estimation of the new generation weather radar combined with the rainfall station data， the better matching of the radar echo intensity and the rainfall station observation is the key to accurately fit the Z-R relationship.The commonly used Z-R relationship is as follows：[Z=300R1.4].In fact， the radar reflectivity factor is determined by the spectral distribution of the precipitation particles， and different particle spectral distributions will result in different radar reflectivity factors. In this paper， the Parsivel laser raindrop spectrometer and weather radar data were used to analyze the precipitation process of stratiform clouds in Nanjing area， and the new Z-R relationship in Nanjing area was calculated. The purpose was to improve the accuracy of radar precipitation estimation in Nanjing area.

Keywords： Z-R relationship;weather radar;test

1 雷达资料来源

文中选取两台雷达。一台在南京溧水区五王山，是双偏振多普勒天气雷达，为S波段。其是由解放军理工大学气象海洋学院设置的，将其标记为雷达A，采用的数据是原始体扫的基数据。雷达A海拔高度为232m，经纬度为119.033°E，31.606°N，雷达波束宽度是0.94°，库长500m，具有双发双收的功能。另一台是来自南京江北龙王山的S波段多普勒天气雷达，称为雷达B，海拔高度为138.8m，经纬度为118.69°E，32.19°N，波束宽度0.95°，库长1km。

雷达A扫描的最低波束在院内观测点的上空大约700m，共扫描9层，最低仰角为0.5°，体扫一次需要8～10min，旋转360°从最低仰角到最高仰角扫描，最低仰角扫描完成一次约1min，雨滴谱资料的时间分辨率也是1min。在资料对比分析时，以雷达资料的时间作為参照时间，雨滴谱来匹配雷达时间，并取1min作为时间平均的间隔。

在地球坐标系中，设置M点和N点，将其经纬度设置为[Mα1，β1]，[Nα2，β2]。N点相对于M点的距离[R0]和方位角[θ]分别为：

气象学院与五王山雷达站的相对位置如图1所示。图中起点是气象学院（118.819°E，31.972°N），为B点，A点是五王山雷达。将A点的经纬度代入公式（1），即可算出五王山雷达资料采样点距气象学院45.2km，方位角为334.0°。

2 降水云的分类

本文依据降水云团的结构对降水进行分类，将其分为对流性降雨、层状云降雨以及混合型降雨。通过阈值法[2]来判断降水云团的性质，当雷达体扫描产品中垂直最大回波强度小于38dBZ判定为层状云降水，大于38dBZ判定为对流性降水。本文选用2016年5月20日至21日、2013年6月7日至8日、2013年7月5日的降水过程进行分类分析。

其中，2016年5月20日至21日降水，Parsivel所测雨滴谱时间序列图如图4所示。开始时间是2016年5月20日14：00，结束时间是2016年5月21日21：00，共31h，每个柱子表示当前时段的降水率，以20日14：00为第1小时。从图4可以看出，降水率大的时次集中在20日14：00到19：00以及21日的时次。21日有2h数据缺测，分别为21日12：00和17：00。

图5为2016年5月20日至21日4个时刻仰角为0.5°的第一层的多普勒雷达B的PPI图，图中的圆圈标注表示解放军理工大学气象学院位置。可见，20日的降雨系统从西南向东北方向移动，在下午14：00经过气象学院。其中，图5（a）为20日14：16的PPI图，此时气象学院的雷达回波强度大约为20dBZ;图5（b）为20日16：14的PPI图，此时气象学院的雷达回波强度介于25～30dBZ;图5（c）为20日21：44的PPI图，此时气象学院的雷达回波强度在30dBZ左右;图5（d）为20日22：09的PPI图，此时气象学院的雷达回波强度介于30～35dBZ。四个时刻的雷达回波强度均小于38dBZ，根据阈值法可以判断此次降水过程是层状云降水。

依据这个降水类型分类法，进行层状云与对流云的分类，并分别进行雷达[Z-R]关系的检验和优化工作。

3 雷达[Z-R]关系的优化和检验

对于不同过程、不同地点的[Z-R]关系，之前有学者做了研究，每个观测点的[Z-R]关系拟合如表1[2]所示。

3.1 层状云降水[Z-R]关系检验与优化

2013年6月7—8日的降水过程，主要影响系统是江淮气旋，导致大气具有不稳定的大气层结。此外，动力条件充足，并伴有充沛的水汽条件。2016年5月19—21日的降水过程主要是受高原槽东移影响，影响江南、华南及贵州东南部等地，致其出现大到暴雨、局地大暴雨，同时伴有雷暴大风和短时强降水等强对流天气现象。南京地区20日阵雨转中雨，21日小到中雨。

6月8日的雷达反射率和雨强在雷达A的PPI上的显示如图6所示，分别为2013年6月8日11：17、11：24、11：49、12：11。图右侧是雷达反射率色标。从图上可以看出，四个时刻雷达反射率最高为20～30dBZ。根据降水云分类可知是层状云降水。

4 结论

①拟合南京地区层状云降雨的[Z-R]关系式为：[Z=226R1.54]，与常用经验[Z-R]关系相比，能够更准确地估测南京地区降水。

②雷达的后向散射功率与降水粒子谱直接相关，但同样的反射率因子所对应的雨滴谱却千差万别。因此，雷达估测雨强需要降水谱资料作为参考，确定云系的降水类型和特征，选择合适的[Z-R]关系。

③按照降水类型划分雨滴谱和雷达资料，将对流云降水和层状云降水分别建立[Z-R]关系式可以更准确地估测雨强。

参考文献：

[1] Kessler E . On the Distribution and Continuity of Water Substance in Atmospheric Circulations[J]. Meteorological Monographs，1969（32）：1-84.

[2]陈磊.2009—2010年江淮梅雨锋暴雨雨滴谱特征的观测分析[D].南京：南京信息工程大学，2011.

[3]Seliga T A， Bringi V N. Potential Use of Radar Differential Reflectivity Measurements at Orthogonal Polarizations for Measuring Precipitation[J].J.appl.meteor，1976（15）：69-76.

[4]吳林林.利用雨滴谱对移动双偏振雷达进行质量控制及降水估测[D].北京：中国气象科学研究院，2014.

[5]俞小鼎.强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警[J].气象科技进展，2011（3）：31-41.