北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用

宋 歌，雷 蕾，马建立，马俊岭

(1.北京市房山区气象局，北京 102488；2.北京市气象台，北京 100089；3.北京市城市气象研究院，北京 100089)

0 引言

北京地形复杂，夏季强对流天气频发，区域性暴雨、局地短时强降水、冰雹、雷暴、大风等灾害性天气，对城市运行、经济社会发展以及人民生命财产安全产生严重威胁。夏季受西南季风北上影响，暴雨频发，2012年“7·21”，房山区成为北京特大暴雨重灾区，直接经济损失61亿元。2018年“8·11”，大安山乡军红路受暴雨影响发生大规模塌方，落石方量约30 000 m3。此外，冷涡等天气背景下，山区也经常受冰雹天气的影响，对农业生产造成较大的危害。2016年“6·30”强冰雹造成北京西南部房山区农业受灾面积0.5万hm2，经济损失达1.26亿元。

目前在业务上，已有不少地区开始使用双线偏振多普勒天气雷达(以下简称“双偏振雷达”)进行灾害天气的监测和预报、预警。与常规天气雷达不同，双偏振雷达能交替(或同时)发射和接收水平和垂直的偏振波，即采用单发双收(或双发双收)模式，除常规天气雷达的反射率因子(R)、径向速度(V)以及速度谱宽基本参量外，能探测到更多的偏振参量，如差分反射率因子(ZDR)、相关系数(ρhv)、差传播相移(Ødp)以及差传播相移率(KDP)。使用这些新的参量可以提高探测精度和识别冰雹的准确率，了解一定区域内降水粒子相态与形状，确定雨滴谱参数等，并可将这些新物理量用于中小尺度云数值模式，提高预报时效及准确率。为提高北京地区灾害性天气监测的精细化水平，自2015年开始，北京市气象局陆续在房山、昌平、顺义、密云、通州、怀柔、门头沟区建设了7部X波段双偏振雷达，并建设了配套的组网应用系统。

目前国内外利用双偏振雷达开展的研究主要集中在降水及云粒子相态识别[3-7]、强对流降水估测应用[8-10]、双偏振雷达数据衰减订正[11-13]、龙卷和冰雹等强对流过程观测[14-16]等方面。北京地区的X波段双偏振雷达投入使用时间不长，还未在短临预报业务的应用中进行深入的分析总结。因此迫切需要研究它在对流性天气中的特征，从而进一步提升灾害性天气临近预报预警能力。

1 资料与方法

本文资料有：①乡镇信息员上报和测站冰雹记录资料、房山区加密雨量站资料，用来筛选2018年冰雹、暴雨天气过程。②北京房山X波段双偏振雷达资料，包括ZDR、ρhv、KDP等。用来分析冰雹、强降水的观测特征，总结在短临预报、预警中可利用的信息。③北京观象台常规SA多普勒天气雷达资料(以下简称“SA雷达”)。用来与双偏振雷达观测特征进行对比。北京房山X波段雷达站位于北京西南部，北京观象台SA雷达站位于北京南部，2站直线距离约27 km。

1.1 双偏振雷达资料介绍

差分反射率因子(ZDR)：

ZDR=10lg(Zhh/Zvv)

(1)

式中Zhh和Zvv分别为水平偏振的雷达反射率因子和垂直偏振的雷达反射率因子。ZDR反映降水粒子偏离球形的情况，同时反映粒子群体在空间的取向情况，它的大小还与粒子的形态有关。雨滴呈扁旋转的椭球，Zhh>Zvv，故ZDR>0；冰雹由于翻转作用，总体效果接近球形，ZDR值在零值附近。

差分传播相移(Ødp)及差分传播相移率(KDP)：

Ødp=Øhh-Øvv

(2)

式中Øhh和Øvv分别表示水平及垂直偏振发射波通过相同长度的降水区后，散射回天线处的相位值。它的大小既与粒子形状、相态、取向有关，也与通过降水区的长度有关。Ødp经过降水区时，是单调累积递增，当Ødp增加到很大时，很难用其描述降水区的变化，因此需要引入KDP。设rm与rn是降水区中相邻2个距离库的中心离雷达的距离，Ødp(rm)及Ødp(rn)是从该2库分别获得的差分传播相移，则KDP定义式：

(3)

式中，KDP反映降水粒子浓度和大小，以及降水粒子成分构成。

相关系数(ρpv)：指先后间隔1个脉冲周期T接收到的回波水平偏振分量与垂直偏振分量之间的相关程度。粒子的形状和空间取向以及降水粒子的数量是影响其值的主要因素。

1.2 个例筛选

考虑到X波段双偏振雷达探测距离短，以及衰减的影响，选取距离X波段雷达站较近的15次强对流天气过程，包含3次冰雹天气过程以及12次雨强>20 mm·h-1的强降雨过程。

2 强对流天气X波段双偏振雷达特征分析

2.1 冰雹天气

6月30日冰雹天气过程：受高空槽后冷空气和切变线共同影响，6月30日北京房山区中部、西南部地区部分乡镇出现降雹，最大冰雹直径1～2 cm。

15时前后在雷达站西南部有回波单体生成，快速加强发展并向东北方向移动，同时在其后侧不断有回波生成，前侧回波强度不断加强。此次冰雹强度强，且范围较大，S波段雷达和X波段雷达的反射率因子和垂直累积液态水含量表现一致：在相同高度上，最大回波强度均大于65 dBz，且均有明显的入流缺口特征(图1)；垂直累积液态水含量均大于60 kg·m-2，回波顶高超过14 km，预示着出现冰雹的可能性很大。而X波段雷达的偏振参量表明， 2.4°仰角强回波对应的ZDR较小，为-1～3 dB，KDP为4～8 °·km-1，ρhv显著降低为0.7～0.9(图2)，由此结合反射率因子等信息，可判断强回波区域有降雹，且在降雹时伴有降水。

图1 2018年6月30日16时北京观象台SA雷达(1.5°仰角)和北京房山X波段雷达(3.4°仰角)反射率因子对比

图2 2018年6月30日16时30分X波段雷达2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

从双偏振雷达相态识别产品上看(图3)，该强回波上空1～8 km内识别出大量小冰雹，其中2～6 km高度上识别出大冰雹，说明高空部分小雹在强上升气流中不断增长为大雹。此外，3 km以下识别出雨夹雹，1～2 km处识别出大冰雹，预示空中的大雹在下降，与地面降雹实况观测较为吻合。近地面除了雨夹雹外还有大范围的大雨区，对应雷达反射率因子强，自动站雨强大，张坊站15—16时降雨量达12.2 mm。综合分析，X波段双偏振雷达的丰富信息在6月30日这次过程中能很好地监测和预警地面可能出现的冰雹、强降水等多种灾害性天气，为预警的发布提供有效的可参考信息。

图3 2018年6月30日16时30分X波段雷达相态识别剖面

6月13日冰雹天气过程：在相同高度上X波段雷达最大回波强度较SA雷达偏强(与衰减订正有关)。SA雷达1.5°仰角有入流缺口、有界弱回波区特征，但X波段雷达未表现出类似特征。X波段雷达垂直累积液态水含量达60～70 kg·m-2，明显大于SA雷达的45～50 kg·m-2，2部雷达探测的强回波顶高均大于10 km。降雹时段X波段雷达2.4°仰角ZDR为负值；对应的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～5°·km-1。但是由于降雹区域靠近雷达的区域有较大范围降水，造成严重的电磁衰减，因此ZDR出现大片小于-2 dB的失真区域；对应的ρhv和KDP也出现明显虚假值，给判定降雹区域造成一定困难。

6月26日冰雹天气过程：在相同高度上衰减订正后的X波段雷达最大回波强度较SA雷达偏强约5 dBz。X波段雷达垂直累积液态水含量50～60 kg·m-2，较SA雷达35～40 kg·m-2明显偏大。降雹区域X波段雷达2.4°仰角ZDR在-2～3 dB，对应的ρhv在0.7～0.9；KDP在2～8°·km-1，偏振量较好地指示了降雹。此外，在ZDR和KDP取值较大的区域，对应地面有明显降雨，自动站小时雨量>20 mm。

综上3次冰雹天气，X波段雷达反射率因子强度、垂直累积液态水含量(VIL)一般较SA雷达强度偏强。ZDR较小，接近0 dB，或在0 dB附近，有时为负值；ρhv也较低，在0.9左右。但是，如果在冰雹天气中伴有强降雨，强回波附近ZDR和KDP取值较大。此外，由于强降水造成的电磁衰减也往往给冰雹判别造成困难。

2.2 强降雨天气

以2018年1次强降雨过程为例，分析偏振参量的特征。受高空槽和副高外围暖湿气流的共同影响，7月15日夜间北京地区出现强降雨天气，局地大暴雨，个别点达特大暴雨，最大降雨288.7 mm(北京东北部的密云区西白莲峪站)，最大小时雨强也出现在该站，16日02—03时降雨117.0 mm(图4)。

图4 2018年7月15日20时—16日08时北京降雨量分布(单位：mm)

这次降水过程自北京西南部向北影响全市，因此X波段雷达能监测到降雨发生前和降雨初期的状况。15日19时前后，有零散降雨回波在西南部生成，SA雷达1.5°仰角最大回波强度维持在55～60 dBz，X波段雷达在相同高度最大回波强度60～65 dBz(3.4°仰角)。23时前后，大范围片状降水回波从西南方向进入房山区，X波段雷达开始出现电磁衰减，强降雨区后部回波强度显著偏弱，甚至出现完全遮挡的“V”型缺口空白区域(图5)。02时降雨开始显著加强，2.4°仰角的强降雨回波区，ZDR最大值大于3dB，KDP最大值大于8°·km-1，ρhv大于0.96，对应地面最大5 min雨强超过10 mm(图6)。由于衰减，在强降雨回波后部出现ZDR负值、KDP接近0、ρhv小于0.9。

图5 2018年7月16日01是30分X波段雷达(2.4°仰角)反射率因子

图6 2018年7月16日02时06分X波段雷达2.4°仰角反射率(a)；ZDR(b)；KDP(c)；ρhv(d)

根据房山国家气象观测站雨滴谱观测数据分析得知：在强降雨时段(16日03—04时，小时降水量19.5 mm)，雨滴直径范围在0～7 mm之间，粒子最大下落速度可达13 m·s-1，且雨滴直径与下落速度呈现正相关的关系。03时00—05分，5 min降水量达到最大值7.6 mm。在这一时段(图7)，直径在0～3 mm范围的粒子浓度最大。对比X波段雷达观测资料进一步分析：根据X波段雷达波长，参考赵城城等[17]对大雨滴直径的计算方法，将直径在1.3 mm以上的雨滴定义为大雨滴。那么由图7可见，这一时段的降雨中既存在大量的小雨滴，同时也有数量较多的直径约1.3～3 mm的大雨滴，并且还有少量的直径达4～7 mm的非常大的雨滴。ZDR的取值主要取决于采样体积内降水粒子的直径，研究表明[19-21]：直径大于1.3 mm的雨滴对应的ZDR取值范围在1.3 dB以上。从X波段雷达的观测来看，03时前后，房山站附近ZDR取值约为1.5～2.0 dB，由此也可以判断在此区域，降水粒子有大雨滴存在。此外，偏振参量KDP的取值与降水粒子的直径与浓度均相关，而该时刻KDP可达6～7°·km-1，综合雨滴谱的特征，判断此区域浓度大的小雨滴和直径大的大雨滴共同造成了地面的强降雨。

图7 2018年7月16日03时05分房山站5 min雨滴谱观测

此外，针对选取的12个强降水个例进行统计(表1)，相同高度上X波段雷达最大反射率因子强度也同样较SA雷达略偏强。并且，当出现大范围降水且降水强度较大时，X波段雷达探测方向上，在强降水的后方会发生严重衰减导致回波强度偏弱，甚至出现大片无回波区域(缺口)，分析时应结合SA雷达进行判断。

表1 2018年强降雨个例SA雷达(1.5°仰角)与相同高度X波段雷达对比

此外，从X波段雷达偏振量统计来看(表2)，当5 min雨量接近10 mm时(雨强非常大)，2.4°仰角的ZDR值可达5 dB以上，KDP值达8°·km-1以上，ρhv一般大于0.95，有时高达0.99。因此，在短临预警监测中，利用KDP的值，结合强反射率因子和比较大的ZDR，即可考虑发布分区暴雨蓝色预警信号(1 h雨量超过30 mm)。

表2 2018年强降雨个例X波段雷达偏振量特征统计(2.4°仰角)

3 结论与讨论

本文利用北京房山区单站X波段双偏振雷达、观象台S波段常规天气雷达探测产品，对2018年夏季北京15个强对流天气过程进行回波特征对比分析，得到以下结论：

①双偏振雷达相对于常规雷达来说在降水粒子识别上具有明显优势。临近预报中可将反射率因子与偏振量结合使用进行强对流天气类型的判别，使之成为冰雹、强降水等天气监测和预报预警的强有力手段。

②X波段雷达监测时，若ZDR较小，接近0，有时为负值，ρhv明显降低，约0.9左右，同时配合较高的反射率因子，可判别降雹。有时会出现较大的ZDR及KDP，结合ρhv降低，此时可能降雹的同时伴随强降水。

③强降水X波段雷达反射率因子强度最大可达60～65 dBz，同时具有较大的ZDR和KDP。较低的高度上ZDR>5 dB，KDP>8°·km-1，ρhv达0.95以上，能够较好地指示地面将发生5 min达10 mm以上的强降水，这一特征在分钟雨强的估计和暴雨预警信号发布时具有非常好的参考价值。

④目前单部X波段雷达的反射率因子强度、垂直累积液态水含量等相比较SA天气雷达探测强度偏强，并且在应用中也有很明显的局限性：电磁波波束经过强降水区会发生衰减，致使探测路径上强降水后部回波强度偏弱或缺失，严重影响对降水强度和持续时间的估计。此外，当较强降雨出现在距离雷达更近的区域时，偏振量会出现虚假值。但是，不可否认相比SA雷达，X波段雷达不仅能探测到边界层的对流触发，同时由于1个体扫时间短，在时效性上也具备一定优势，能更早地发现对流单体的新生。因此，目前北京地区采用7部X波段雷达组网的方式，搭配使用原有的SA雷达，获取较为准确的探测信息，从而在强对流天气过程中及时准确地发布预报和预警。