不同强度云系的双偏振雷达特征

陈星登，郭泽勇，张弘豪，陈时东，殷宏南

(1.阳江市海陵试验区气象局，广东 阳江 529500；2.阳江市气象局，广东 阳江 529500；3.阳春市气象局，广东 阳春 529600)

引言

双偏振雷达与单偏振多普勒天气雷达相比可获得目标物的更多信息，不仅能同样获取到气象目标物的回波强度Z、平均径向速度V 等信息，还能获得差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数CC 等新的偏振参数［1-8］。国内外大量研究表明，对双偏振参数特征值进行细致分析与运算，可以识别降水类型和降水粒子的相态分布，这将大大提高对对流性天气系统的监测和预警能力，因此双偏振雷达是未来天气雷达的发展趋势，研究双偏振雷达在不同强度云系的特征具有重要的应用意义［9-10］。阳江新一代天气雷CINRAD/SA 于2016 年初完成双偏振雷达升级改造并投入业务使用，是国内首批业务化应用的双偏振雷达。本文利用阳江双偏振雷达对3 种不同强度云系的观测数据，通过对不同强度云系中双偏振参量的特征差异进行分析研究，为区分不同的降水系统，进行雷达质量控制，以及短时临近天气预报、相关预警等业务提供更多技术支撑。

1 天气过程及数据选取

选取2020 年3 月4 日一次层云降雨过程、2018年5 月9 日大暴雨过程以及2020 年3 月27 日一次冰雹过程共3 种不同强度的天气过程(表1)作为研究对象，资料数据为对应的阳江S 波段双偏振雷达基数据，包括反射率因子 (ZH)、差分反射率因子(ZDR)、相关系数(CC)、差分相移(ΦDP)和差分相移率(KDP)等。

表1 天气过程选取

2 三种不同强度云系的双偏振特征分析

为更好地对比分析三种不同降水云系的双偏振参数特征，应对雷达基数据进行初步的质量控制：所选取的三个过程距离雷达站点较近，选用较高仰角(如1.5 度以上)，这样可有效为避免地物杂波以及零度层亮带等非降水目标物的影响；其中信噪比SNR对双偏振参数影响很大，特别是ZDR与SNR 大小密切相关，对回波信号采用低信噪比剔除的方法［11］；杂波信号的ΦDP纹理特征明显，可据此进行剔除［12］。

2.1 层状云双偏振特征分析

图1 为层状云降雨过程中1.5°仰角的双偏振产品(图中“*”标记雷达站点位置)。ZH基本都在35dBz以下，对应ZDR接近于0，但距雷达较远形成一圈ZDR高值区，这是受融化层影响所致。CC 大于0.95，接近于1.0，KDP接近于0，属于典型的层云降水过程［13］。

图1 层云双偏振产品

根据层云回波范围、融化层高度等参数，为避免0℃层亮带、地物杂波等非气象信号的影响，选取了1.5°仰角，全部径向的20km～100km (距离库100-400)，计算了ZH-ZDR、ZH-KDP散点图(图中红色曲线为所有散点对应反射率ZDR、KDP的平均值变化曲线)。如图2 所示，当ZH＜25dBZ 时，ZDR平均值接近0，当ZH＞25dBZ，ZDR随ZH增大而在0～2dB 之间呈递增趋势；整体上层云回波KDP值比较小，变化也不大，集中在0 值附近。由差分相移和反射率因子距离廓线图也可以看出(图2c)，层云降水ΦDP波动小，沿着径向方向与初始相位保持一致，近距离处较大的ΦDP波动是由于受地物影响所致，观测结果与张羽等［13］的研究较为一致。

图2 层云双偏振特征

2.2 非降雹对流云双偏振特征分析

图3 为对流性强降雨的1.5°仰角的双偏振产品。在距离雷达西南方30～60km 处有两处强回波中心(如图A、B 处)，最大回波强度达60dBZ，强回波中心对应着差分反射率ZDR、KDP的大值，相关系数CC 均在0.95 以上，因此对应着大雨滴的强降水区［14-15］。计算全部径向的20km～100km 的ZH-ZDR、ZHKDP散点图以及雷达站至30km 处强中心(A)方位的差分相移和反射率因子距离廓线图(图4)。对流性强降水回波ZDR随着ZH增大而增大，可达2～4dB；当回波强度大于35dBZ 时，KDP和ΦDP均显著递增，其中KDP最大可到3.0°/km；ΦDP由40°左右的初始相位激增至近100°，表明KDP和ΦDP均对强降水十分敏感。整体观测结果与林文等［10］对于非降雹强对流单体的观测结果一致。

图3 对流云双偏振产品

图4 对流云双偏振特征

2.3 冰雹云双偏振特征分析

降雹单体数据3.3°仰角的双偏振雷达产品特征如图5 所示，对应回波强度最强区域(回波强度达到70dBZ 以上)可明显发现ZDR低值区(0dB)和CC 谷(小于0.9)，具有非常明显的冰雹特征［16-19］。同时KDP在此区域值比较大，到5°·km-1以上，说明该区域以融化小冰雹为主［20］。但少数冰雹区域对应KDP为空值(显示背景色)，这是由于对应距离库的相关系数小于0.85，导致KDP不参与计算因而显示背景色［21］。这表明KDP原始算法有明显缺陷，应当加以其他条件(如信噪比)作为约束，当相关系数小于0.85 但信噪比仍较大，此时仍需要计算KDP值而非显示背景色。

图5 降雹单体双偏振产品

分析ZH-ZDR、ZH-KDP散点图 (图6)，KDP随ZH变化与对流性降水情形一致，理论上随着ZH 的增大，当降水粒子以冰雹等为主时CC 会相对较低而没有计算KDP，所以图6b 中看到ZH强度只到60dBZ，而ZH大于60dBZ 时，KDP无数值。而在ZH小于60dBZ时，ZDR-ZH、ΦDP、ZH径向距离廓线变化与对流性降水过程相似，但在ZH大于62dBZ 后，ZDR迅速降低至0dB 附近。

图6 降雹单体双偏振特征

3 结论

通过分析研究阳江S 波段双偏振雷达在层状云、非降雹对流云和冰雹云等三种不同强度云系的双偏振特征，得到结论如下：

(1) 层状云的ZDR、KDP 接近0 值，ΦDP 随径向距离变化基本与初始相位保持一致，符合层云降雨的物理属性。

(2) 非降雹对流云中，ZDR、KDP 和ΦDP 随着回波强度的增大均显著递增，其中KDP 和ΦDP 变化尤为明显，表明其对强降水的敏感特征。

(3) 冰雹云在未产生冰雹时，ZDR、KDP 变化与强降水对流云的变化一致，随着回波强度的继续增大进而产生冰雹时，ZDR 迅速降低。少数冰雹区域对应KDP 为空值(显示背景色)表明KDP 原始算法存在明显缺陷，应当加以其他条件(如信噪比)作为约束。