一次冰雹云天气过程不同波段雷达回波对比分析

2020-06-12邹书平

中低纬山地气象 2020年2期

曹水,邹书平,曾勇,杨亭,杨哲

(1.贵州省冰雹防控工程技术中心,贵州贵阳 550081;2.贵州省大气探测技术与保障中心,贵州贵阳 550081;3.贵州省人工影响天气办公室,贵州贵阳 550081;4.贵州省气象灾害防御技术中心,贵州贵阳 550081)

0 引言

贵州省地处云贵高原，境内多高原山地，地形复杂多变，小范围的短时强降水、冰雹等灾害性天气频发。省内固定式新一代天气雷达多建设在观测区域内高海拔的地方，在相对低海拔地区出现小范围灾害性天气时，雷达低仰角观测过程中容易出现雷达波束被山体遮挡和出现观测盲区等情况，增加了短时临近灾害性天气预报预警和人工防雹等工作的难度。移动方舱式X波段全固态双偏振多普勒天气雷达(以下简称移动X波段天气雷达)与固定式新一代天气雷达相比，具有优良的机动性、可维护性、全天候连续观测能力和运行稳定等工作能力，可为固定式新一代天气雷达填补低层观测空缺、为山区及重点监测区域提供精细的观测资料作补充，同时在小范围灾害性天气短时临近预报和人工防雹作业指挥等方面具有很好的指导意义[1-2]。

移动方舱式X波段全固态双偏振多普勒天气雷达(以下简称移动X波段天气雷达)于2017年4月进入贵州，为进一步更好的验证移动X波段天气雷达在冰雹云降雹过程中的观测效果，本研究通过移动X波段天气雷达和贵阳C波段新一代多普勒天气雷达(以下简称贵阳C波段天气雷达)对冰雹云观测过程中，雷达回波特征变化进行对比分析，验证移动X波段天气雷达观测效果。

由于不同云雨粒子的Z值范围很大，通常又用dBz度量云雨的强度，其定义为：

dBz=10lg(Z/Z0)，Z0=1 mm6/m3。

这样用dBz表示回波强度，它只取决于气象目标物本身，与雷达参数、目标距离无关[4]。

1 雷达主要参数对比

本文使用的移动X波段天气雷达采用波导开关和功分器实现双发双收和单发双收工作方式，发射水平和垂直两种极化方式的电磁波。这两种不同极化状态的电磁波照射到各种降水粒子上，其后向散射回波中包含了粒子的状态信息，雷达根据回波的这些性质，对双偏振参数的估算，推导出降雨量、降水粒子的形状、尺寸、指向、相态和滴谱分布和降水类型。移动X波段天气雷达相比贵阳C波段天气雷达具有发射功率低、天线直径小和可移动性等优势，而且短波段对弱气象目标物有灵敏的探测能力。虽然长波段雷达仍然是今后对大尺度天气系统监测的主要选择，但研究X波段雷达对科学提升防灾减灾能力有重要意义[5]。两部雷达主要参数见(表1)。

表1 两部雷达主要参数对比Tab.1 The Two Radars of Main Parameters Comparison

2 资料选取和预处理方法

本文选取2018年3月12日贵州清镇、修文境内出现的一次冰雹天气过程，因移动X波段天气雷达最大探测距离、山体遮挡等问题，选取雷达数据为19时33分—21时33分之间的体扫基数据。在等高面反射率因子和组合反射率对比分析过程中，本文只分析辛店(20时05分)和暗流(20时33分)的两次降雹数据。降雹点地理位置见图1，降雹数据见表2。

图1 雷达站与降雹点分布图Fig.1 The Radar Station and Hail Points

表2 降雹数据记录表
Tab.2The Hail Data recrod chart

降雹点名称经度/°N纬度/°E降雹时间冰雹直径/mm辛店106.229426.826420∶0514暗流106.352526.816720∶3314谷堡106.493326.847820∶595修文106.598126.851121∶276

两部雷达采用不同的体扫模式(表3)，且两部雷达波长不同，探测距离不等、电磁波衰减和降水系统变化等因素影响，很难进行同步观测，为了尽可能的减小观测数据在时间上的差异，选取贵阳C波段天气雷达体扫数据为基准。在雷达资料处理过程中对地物回波及其他杂波进行识别处理，以消除非气象回波对真实数据的干扰。

3 雷达回波对比分析

在分析两部雷达回波空间分布和时间连续性时，为了更好的显示两部雷达在相同观测区域的回波强度分布特征，本文选取等高平面反射率(CAPPI)、组合反射率(CR)和最大回波强度值3个方面进行对比分析。

表3 两部雷达体扫模式对比Tab.3 The Volume scan Modes Comparisons of Two Radar

在进行对比分析之前，本文对两部雷达回波的定位准确性方面进行了一次比较(表4)，通过地面降雹点经纬度与雷达站经纬度，根据三角函数推导可得出两部雷达与降雹点的实际距离，并利用雷达显示软件找出雷达回波强中心点位置，从两部雷达的回波中发现，两部雷达在辛店和修文的误差在4～6 km左右，但在暗流和谷堡处，贵阳C波段雷达的误差为1 km之内，误差较小。

3.1 等高平面反射率因子(CAPPI)对比分析

雷达等高平面反射率因子(CAPPI) 能够直观的描述出降水云系的垂直与水平特征，是对雷达资料进行详细分析的必要手段[6-7]。

表4 移动X波段、贵阳C波段雷达与降雹点的实际距离和雷达地图软件中回波中心显示距离(单位：km)Tab.4 The actual distance between the moving x-band radar and the C band radar and the hail point and the display distance of echo center in radar map software(Unit:km)

图2、图3分别是贵阳C波段天气雷达(20时01分、20时30分)和移动X波段天气雷达(20时03分、20时33分)3 km、4 km、5 km的CAPPI对比图。通过对比两部雷达CAPPI发现，在高度3 km时，移动X波段天气雷达探测到强回波中心靠近雷达处有一块遮挡回波，当高度在5 km时，遮挡回波消失。

图2 a:贵阳C波段天气雷达(20时01分)与b:移动X波段天气雷达(20时03分)CAPPI对比图Fig.2 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CAPPI

图3 a:贵阳C波段天气雷达(20时30分)与b:移动X波段天气雷达(20时33分)CAPPI对比图Fig.3 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶30) and Mobile X-band Weather Radar (20∶33) in CAPPI

提取两部雷达在3 km、4 km、5 km高度层中的反射率因子回波强度值(表5)，从表中可以看到移动X波段天气雷达比贵阳C波段天气雷达的反射率因子强度值小，其中最大值相差18 dBz，平均值相差15 dBz。分析原因可能由以下两点造成[8-10]：

①移动X波段天气雷达波长一般为3 cm，比C波段天气雷达波长短，由于波束穿过回波区时发生反射和散射等现象，雷达波束产生衰减，探测能力下降，雷达回波值偏小；

②需要根据现场实际情况进行雷达标定和设置合理的扫描模式，在最大程度上对天气系统进行及时准确的描述和精确的探测。

表5 3 km、4 km、5 km CAPPI最大反射率因子(单位：dBz)Tab.5 The Radar Maximum reflectivity factor of 3 km,4 km and 5 km CAPPI(Unit:dBz)

3.2 组合反射率(CR)对比分析

组合反射率(CR)是用体积扫描得到的反射率三维数据处理得到的、反映监测范围内降水云体中最大回波强度值水平分布的图像产品。

图4、图5是贵阳C波段天气雷达(20时01分、20时30分)和移动X波段天气雷达(20时03分、20时33分)组合反射率对比图。从两部雷达组合反射率图中可以看出，移动X波段天气雷达在强回波中心的前部有一块靠近雷达站的回波，分别有一块强度在30～40 dBz左右的回波。两部雷达回波强度在降雹中心区及回波强度值较大的区域具有一定的相似性。