基于风廓线雷达的降水云分类方法在海南地区的应用

2020-05-04邢峰华黄菲婷黄彦彬李光伟毛志远黄光瑞

海南大学学报（自然科学版） 2020年1期

邢峰华，黄菲婷，黄彦彬，李光伟，毛志远，黄光瑞

(1.海南省人工影响天气中心，海南海口 570203；2.海南省气象服务中心，海南海口 570203；3.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口 570203)

对于不同类型的热带降水云体，其宏观及微观物理过程具有各自的特点，对其进行详细研究、辨别，有助于更好地展开天气预报等工作.例如，张培昌等[1]的研究发现，对于零度层亮带的准确探测有助于降水类型的分类，因零度层亮带是层状云降水的一个明显的特征.Rao等[2]认为：当采用天气雷达进行雷达定量降水估测(以下简称QPE)时，针对不同的降水云体类型采用不同的算法来提高QPE的准确率是很有必要的；在人工影响天气的工作中，对于微物理性质不同的云体进行不同的播云催化策略可以显著提高人影作业效果，取得更大的社会经济效益.因此，对不同类型的降水云体进行分类研究对于气象业务、科研工作均有重要意义.

国内外对于降水云分类工作已经取得一些研究成果.Tokay A等[3]的研究发现，在对流性降水过程中，降水云中的gamma粒子谱有明显的跃迁，因此可以将其作为识别对流性降水的重要指标.David等[4]利用飞机探测设备来探测云中垂直气流，研究对流云及层状云降水的区别；Michael等[5]将降水天气环境下的雷达及自动站的探测数据作为训练集合，引入了神经网络来判断降水云类型.

现阶段，对于降水云的分类国内主要是采用天气雷达资料来开展，阮征等[6]使用风廓线仪资料研究了测站上空的降水回波垂直结构、云微物理参量等，探讨了风廓线仪资料的潜在应用领域；白卡娃等[7]使用天气雷达数据，针对夏季南京周边地区的降水云系特征开展了分类统计，区分出了几种不同类型的典型特征；杨有林等[8]结合雷达回波强度面积谱来识别降水云类型；肖佩等[9]使用偏振模式的Ka波段毫米波云雷达对北京地区降水云特征展开了统计分析.然而，经大量研究发现，相比于天气雷达，风廓线雷达在探测垂直方向上的大气运动状态、剖析云系结构分布以及云系粒子相态变化等方面均有较好的表现.古红萍等[10]使用风廓线雷达数据对北京一次强降水天气过程的垂直结构进行了详细分析，表明风廓线雷达对分析此次暴雨系统复杂的垂直结构有很大帮助；钟刘军等[11]对风廓线雷达进行精度定标，证明定标后的风廓线雷达所得到的降水云体探测数据与天气雷达基本一致；王令等[12]利用北京局风廓线雷达垂直方向的探测资料，研究了垂直风场信息在数值预报中的应用效果；李峰等[13]使用对流层II型风廓线雷达资料对一次多相态天气过程进行了多参量特征分析，证明风廓线雷达可以很好地描述降水过程的细节变化；黄钰等[14]使用风廓线雷达谱参数数据对北京地区降水云进行了分类研究；翟亮等[15]结合风廓线雷达和雨滴谱仪研究了北京地区弱雨雪天气的特征.

风廓线雷达对降水云体垂直结构精细化探测的研究已经广泛开展，但是，国内外利用风廓线雷达对降水云进行分类的研究却相对较少.海口市位于海南省北端，属于热带季风气候，常年降水充沛，具有典型的低纬度天气特征.海口站风廓线雷达测站内现有天气雷达及探空雷达等设备，可以实时获取当地的各种观测数据，使用海口站风廓线雷达来展开热带地区降水云体的相关研究具备较为可靠的代表性.鉴于海口地区风廓线雷达2017年的数据收集较为完整，且数据质量较好，因此为加强对我国热带地区降水云分类的研究，本文以风廓线雷达(海南省海口市)的观测资料为基础(连续12个月，2017年1月～12月)，分析了海口地区不同季节、不同天气条件下的降水云典型特征，提出了基于风廓线雷达(海口)探测数据(回波强度、垂直速度及谱宽)的降水云体分类方法，并利用该分类方案对2017年的两次较典型的降水天气过程(深厚型对流云和混合云系)进行了分析，研究了不同发展阶段降水云体的类型、结构演变以及相应的雷达探测数据的变化特征.

1 风廓线雷达性能及资料简介

降水云分类的观测资料来自位于海南省海口市的风廓线雷达(110.15°E，20.00°N)，属于边界层LC型雷达，站址海拔高度为65.0 m.采样周期为6 min，采用分别指向东、南、西、北、中5个方向和倾斜波束倾斜夹角为15°的五波束探测模式[14].该雷达采用高、低两个模式探测，低模式采样起始高度为150 m，终止高度为7 590 m，高模式采样起始高度为150 m，终止高度为15 270 m.表1为风廓线雷达的典型参数.

表1 海口风廓线雷达典型参数

图1 海南岛东方站天气雷达和海口站风廓线雷达的分布图

图1为海南岛东方站天气雷达和海口站风廓线雷达的分布图，从该图中可以清晰地看出，海口站风廓线雷达距离东方站天气雷达188 km，本研究中该天气雷达可以用于对风廓线雷达观测质量的对比分析.

图2为2017年9月10日13时至19时东方站天气雷达和海口站风廓线雷达同时观测海口风廓线雷达测站上空降水云体的回波强度时序图.从图2中可以清晰看出，东方站天气雷达探测到的海口风廓线雷达上空降水云体回波强度时序图与海口站风廓线雷达的探测结果大体吻合，但是在垂直结构上存在差异，回波强度数值上天气雷达数值偏小，可能原因是东方站天气雷达距离海口站风廓线雷达测站188公里(如图1所示)，由于距离因素使得天气雷达在风廓线雷达测站上空的波束展宽，其探测波束空间增大后由于对回波强度的平滑作用而致使其探测回波强度相对真实强度有所降低(对流云情况下该现象尤其明显)，且天气雷达在垂直方向的分辨率较低所致.总体来说，海口站风廓线雷达垂直精度更高，对降水云体回波强度时序演变的探测较精细，可以准确描述降水云体的演变规律.

图2 2017年9月10日东方天气雷达

本文使用数据为海口市风廓线雷达2017年1月1日～12月31日各层次垂直速度、速度谱宽及功率谱密度每6分钟一次的观测数据.本文研究不涉及水平风速、风向，所以只采用风廓线雷达垂直波束的数据进行分析.本文使用的风廓线雷达观测数据已经由雷达管理部门进行基本质量控制，包括观测资料一致性检验、极值检验、重大降水过程资料合理性检验等，符合中国气象局雷达资料的质量要求，数据真实可靠.

降水天气条件下，初始获得的径向垂直速度主要由降水粒子及大气环境垂直运动贡献，采用双峰识别算法提取出降水粒子速度以及大气环境的垂直运动速度，二者相减即可求得静止大气降水下落的平均速度；此外，钟刘军等[11]研究表明，风廓线雷达经定标后的返回信号功率谱经过快速傅里叶变换(以下简称FFT)处理，可以得到降水云体的回波强度，详细计算方法如下：

风廓线雷达经过FFT处理后，可以及时得到信号的功率谱密度Si(v)，其中i=1，2，3，…n，n是进行FFT转换的取样点数.由雷达气象方程可知，风廓线雷达降水返回信号的回波强度Z：

(1)

其中，C为常数，数值由风廓线雷达参数确定；R为返回信号所处位置距离风廓线雷达的距离.由公式(1)可知，对风廓线雷达参数校准定标后，可以根据公式计算出风廓线雷达回波强度.

定义本文中粒子的垂直速度方向向下为正，向上为负.此外，文中所采用数据的时间全部为北京时.

2 降水云体分类方法

2.1 辨别降水时刻首先需要从风廓线雷达回波强度数据中设定阈值，实时辨别降水数据.本文认为风廓线雷达回波强度≥20 dBZ(Rao et al[2]的研究表明此时对应的降水约为0.54 mm/h)，同时垂直速度≥1 m/s的时刻即可认为发生降水.

2.2 冷云/暖云降水云的辨别通过阈值法来识别降水云体的降水顶高，从而辨别降水云体的性质属于冷云或暖云降水云.根据Kirankumar et al[17]的研究，本文认为满足风廓线雷达回波强度≥20 dBZ且垂直速度≥1 m/s，同时其下方相邻5个距离库的风廓线雷达回波强度及垂直速度均达到上述标准，降水云体最大高度定义为降水顶高.假如测得降水顶高低于当天零度层高度(本文零度层高度由位于海口站的探空数据取得)，则可认为该降水云体类型属于暖云降水云，反之，则为冷云降水云.

2.3 将暖云降水云细分为浅薄对流型降水云或者浅薄层状型降水云通过观察降水云体中是否出现对流可将暖雨降水云细分为浅薄对流性降水云或者浅薄层状云降水云.根据Kirankumar et al[17]归纳的识别对流的原理，并结合海口地区的热带天气特点，提出了在海口地区判断对流的阈值指标：在3.5 km高度层以下，如果雷达反射率≥40 dBZ或者垂直速度≥5 m/s或者垂直速度≤-1 m/s，则可认为该时刻雷达测站上方出现了浅薄对流型降水云，反之，即可认为出现浅薄层状型降水云.

2.4 将冷云降水云细分为深厚对流型降水云或者深厚层状型降水云类似地，根据上述判断对流的规则来辨别冷雨降水云是否包含对流，值得注意的是，由于该型降水云发展较为深厚，在高空也有可能出现对流[12-14]，所以对于该型降水云是否包含对流的判别标准应进行适当补充：在3.5 km高度层以下，雷达反射率≥40 dBZ或者垂直速度≥6 m/s或者垂直速度≤-1 m/s；在6 km高度层以上，雷达反射率≥40 dBZ或者垂直速度≥4 m/s或者垂直速度≤-1 m/s.如果该时刻数据符合上述标准，则判定为深厚对流型降水云，反之，则为深厚层状型降水云.

2.5 针对混合型降水云进一步分类根据排除法原则，如果发现降水云不满足上述任何标准，基本可确定是混合型降水云.针对混合型降水云，将通过识别云中是否出现零度层亮带来对其细化区分为混合I型及混合II型降水云.根据零度层亮带特性，当冰晶粒子进入亮带内部后，在融化层附近融化转变为水滴粒子，其速度及速度谱宽变化率较大，当水滴粒子下落掉出亮带范围后，其下降速度及速度谱宽趋于稳定，因此，可以用垂直速度及速度谱宽的变化率来检验零度层亮带是否存在.因为海口地属热带地区，零度层亮带高度较高，故只需对风廓线雷达廓线数据在特定高度范围内(3.5 km～6.5 km)从低到高逐层检索，当雷达连续测得超过5个观测时次(一个观测时次为6分钟)中，高空每360米(3个距离库)的垂直速度梯度≥2 m/s 且速度谱宽梯度≥1 m/s，并且满足该标准的最大高度回波强度≥20 dBZ、垂直速度≥1 m/s，则可认为该时刻降水云中出现零度层亮带.如果混合型降水云中出现零度层亮带，则将该类混合型降水云归类为混合I型降水云(同时包含有对流云及层状云特性)，反之则归类为混合Ⅱ型降水云(对流及层状云特性均未出现).

3 个例分析

3.1 深厚对流型降水云系个例2017年8月18日海南岛地区出现了一次大范围降水过程，属于一次典型的深厚对流型降水云系个例.图3中紫线代表气压场，红线代表温度场.从8月18日08:00时500hPa(图3a)和925 hPa(图3b)的天气形势图中可以看出，8月18日副热带高压脊线偏南，海南岛处于副高边缘位置，海南岛高、低层均受暖湿东南气流影响，水汽条件较好，且从图3中可知，海南岛所处华南区域已经出现风场辐合，大气较不稳定，易出现降水天气，当天午后出现了海陆风辐合，形成较大范围的雷阵雨天气.

图3 2017年8月18日08:00 500hPa(a)和925hPa(b)天气形势

图4为2017年8月18日海口站天气雷达回波强度时序图，图中红圈位置为海口站风廓线雷达站址.从图4中可以清晰看到，当天海口地区共有三次降水云系过境，第一次为11:00左右过境海口站风廓线雷达上空，从回波强度特征中可以看到，这次过境基本属于对流云系影响，垂直发展旺盛，强度较大，迅速由西南向东北方向移动；第二次为12:00左右过境海口站风廓线雷达上空，这次降水云系在回波强度及垂直方向发展方面均比第一次稍弱；第三次为15:55左右，有一股弱的对流云系过境海口站风廓线雷达上空，这次云系面积较小，垂直发展更弱，由东北向西南方向移动.

图4 2017年8月18日海南省海口站天气雷达回波强度(dBZ)时序图

图5为2017年8月18日风廓线雷达回波强度、垂直速度、谱宽和降水云系类型时序图，从降水云系类型图(图5d)中可以看出，11:00左右有一股弱对流云开始过境风廓线雷达上空，从天气雷达回波图(图5a)中可以看出是深厚对流型降水云系前端的弱对流云影响，回波强度较弱，降水粒子(图5b)前期以弱的上升运动为主，后期随着云系主体过境，逐渐转为下沉运动，速度谱宽(图5c)在1.5 m/s左右.

从11:18开始直到12:18左右，降水主体过境风廓线雷达上空，从降水云系类型(图5d)上来看主要为深厚对流型降水云系影响，可以看出云系垂直发展非常旺盛，云顶可达9 km以上，对流运动较为强烈，低层回波强度(图5a)较上层更大，大片强回波(>40 dBz)区域覆盖测站上空，最大值可达50 dBZ左右，推测原因是此时云系开始出现降水，粒子反射率增大所致.降水粒子垂直速度(图5b)以下沉为主，低层最大速度超过8 m/s,高层垂直速度相对较小，但是普遍超过4 m/s；从谱宽(图5c)上来看，整体数值较大，达到2 m/s以上，尤其以6 km至8 km高度区间谱宽数值最大，甚至可达3.5 m/s，推测此次降水云系中高层对流运动较为强烈,云中粒子不均匀性较为明显，且受到大气垂直运动的展宽影响，从而导致谱宽增大.从回波强度图及垂直速度图中可以看出，本次降水主体实际由两部分组成，第一部分为11:18到11:30左右，第二部分为11:30到11:50左右，两部分中间有一个短暂的回波强度减弱迹象，从回波强度图上可以很清楚看到本次深厚对流型降水云系的垂直结构.

12:18开始，第二波降水云系过境风廓线雷达上空，从降水云系类型上看主要是浅薄对流型降水云系的影响，从回波强度(图5a)上看，本次降水云系垂直方向发展有一个逐渐加强的过程，刚开始过境的时候云顶高度只达5.5 km左右，随着云系加强逐渐向上延伸至9 km以上，但是回波强度上整体呈减弱趋势，从垂直速度图(图5b)上可以看出，此次浅薄对流云系过程前期垂直方向降水粒子运动剧烈，最大速度可达9 m/s左右，从高层逐渐传导到低层，随后呈减弱趋势，逐渐减弱消失，且速度谱宽(图5c)总体来说数值普遍不高，低层基本在1.5 m/s左右，高层更是在1 m/s以下，可以看出此次浅薄对流云过程对流运动并不强烈，垂直方向上粒子运动整体偏弱.

图5 2017年8月18日风廓线雷达回波强度(dBZ)

15:55左右第三波降水云系开始短暂过境风廓线雷达上空，从降水云系类型(图5d)上看主要是浅薄对流型降水云系影响(图5d中出现的红点即为该时刻下的降水云系类型)，本次影响过程时间较短，大回波(>35 dBZ)区域主要集中在低层,高空有强回波区域短暂出现，总体来说，本次云系垂直运动较弱，垂直方向云系前期仅到5 km左右，后期短暂延伸至8 km左右，谱宽数值较小，基本在2 m/s以下，本次降水云系影响较弱.

3.2 混合I型降水云系个例2017年9月5日海南岛地区出现了一次典型混合I型降水云系过程.从9月5日08:00 500hPa(图6a)和925hPa(图6b)天气形势图中可以看出，9月5日海南岛附近存在弱的气压低槽，高低空风场均出现辐合，大气不稳定程度较高，受弱的南到西南暖湿气流影响，水汽条件较好，存在一定抬升运动，当天海南岛午后出现较大范围的雷阵雨天气.

图6 2017年9月5日08:00 500hPa(a)和925hPa(b)天气形势

(a)垂直速度(m/s) (b)谱宽(m/s) (c)和降水云系类型 (d)时序图

从降水类型(图7d)上看，本次降水云系主要为混合Ⅰ型云系影响，夹杂浅云系单体嵌入其中，从16:37左右开始，先是浅薄层状型降水云系过境风廓线雷达上空，从回波强度(图7a)上看此时低层回波较弱，平均仅20 dBZ左右，降水粒子垂直运动也很微弱，但是5 km以上高层存在弱回波区域过境，推测是此次混合Ⅰ型云系前端，回波强度超过20 dBZ，但是垂直速度(图7b)较小，仅在1 m/s左右，可知融化层以上垂直运动较弱.另外，在15:50左右从谱宽图(图7c)上面可以看出有一个明显的噪声信号出现，谱宽瞬间超过4 m/s且前后时次都没有此现象发生，推测应该是雷达出现随机噪声，不影响本次整体探测.

16:50左右本次降水云系主体过境风廓线雷达上空，大片强回波(>45 dBz)区域(图7a)覆盖测站上空，垂直方向上回波顶部伸展到9 km左右，且在5 km左右高度处有稳定零度层亮带出现，查询当天08:00海口探空数据得知零度层高度为5.06 km, 与本次探测基本吻合.零度层亮带的出现标志着本次混合Ⅰ型云系在融化层附近对流运动并不强烈，是连续性降水的特征之一，其出现的原因推测是本次降水云系中缓慢下沉的冰晶及雪花在零度层附件发生融化而使反射率增大的结果.从垂直速度图(图7b)上可以看出，垂直运动主要集中在零度层以下，最大可达到8 m/s以上，而零度层以上的垂直速度则非常小，普遍在2 m/s以下.谱宽方面(图7c)，可看到在5 km左右存在稳定的大值区域(>2 m/s)，推测原因是因为在零度层附近由于粒子发生融化、碰并使粒子密度发生变化，导致探测反射率不均匀性增大，粒子垂直速度离散程度较高，出现谱宽大值区域，而在零度层以下则谱宽普遍较小，说明本次混合I型云系垂直方向上整体来说对流运动并不强烈，且低层谱宽较高层略大.从18:15开始，云顶高度开始逐渐衰减，直至18:37左右本次降水云系整体移出风廓线雷达站点，降水云系影响趋于结束；从云系类型(图7d)来看，本次降水过程前期短暂探测到浅薄层状云的存在，中后期主要受混合I型降水云系夹杂浅薄对流云影响.

由此可知，对于混合Ⅰ型降水云体个例，采用风廓线雷达对降水云系进行分类识别，可以灵敏描述降水云系的变化，同时对云系的垂直精细化探测提供良好的补充.