新一代C波段双偏振多普勒天气雷达在黄南州冰雹中的应用分析

邢子毅 严继云 郭安欣

摘 要：利用黄南州新一代C波段双偏振多普勒天气雷达资料，对2022年黄南州境内出现的11个直径＞5 mm的冰雹个例进行研究与分析，通过对双偏振雷达参量水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDr）、差分传播相移率（KDP）、差分传播相移（ΦDP）、相关系数（CC）等参数的特征差异进行分析。结果表明：黄南地区发生冰雹时段的ZH在34～69 dBz、ZDr在-3.87～4.87 dB、KDP在0～8.6 deg/km、ΦDP在0～153.7 deg、CC＞0.56；当ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8时，出现冰雹的可能性大；当ZH＞60 dBz、ZDr＜0、KDP在0～1.0 deg/km、ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93时，冰雹出现的可能性极大，同时，水平反射率因子和相关系数的大值对应较小的差分反射率因子、差分传播相移率、差分传播相移，有利于冰雹识别；低层反射率因子强梯度区和中高层强回波悬垂和该回波悬垂下面的弱回波区也是地区出现强冰雹的重要特征之一。

关键字：雷达；双偏振参量；冰雹；灾害性天气

中图分类号：P412.25 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

冰雹是影响黄南州的重要灾害性天气之一，局地性强，危害性大，往往给人民生命财产安全和经济发展造成较大损失。传统多普勒天气雷达对冰雹的监测和识别能力有限，加上高原地区冰雹多发，黄南州新一代天气雷达于2022年1月开始试行，是青海省最为先进的新一代双偏振天气雷达之一。

目前，国内外学者针对双偏振雷达应用于探测冰雹的个例分析较多，其中典型个例分析居多。相比常规多普勒雷达，双偏振多普勒天气雷达的差分反射率因子、传播常数、自相关系数在降雹前可以对云中的雹区进行直接、有效的判断，对冰雹的预报具有重要的指示意义[1]。出现冰雹的地区具有水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDr小、相关系数CC小的特征，ZDr值为-1.0～0.5 dB，CC值＜0.85；超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷、ZDr柱、差分相移率KDP柱等特征[2]。典型降雹时次具有明显的三体散射特征，1.5～5.5 km高度冰雹区对应的反射率因子（ZH）均＞65 dBz，差分反射率因子（ZD）介于-2.6～1.5 dB，相关系数介于0.80～0.96[3]。处于相同高度时，冰雹越大雷达水平反射率因子ZH中位数越大、差分反射率因子ZDr中位数越小且基本为正值，但在-10～-20 ℃层，大冰雹的ZDr中位数易呈现负值；相关系数CC中位数随冰雹增大或高度降低而减小；大冰雹或特大冰雹基本特征是ZH大、CC小、ZDr小，CC可低至0.7 以下，所有冰雹的ZDr、KDP可出现负值，小冰雹ZDr＞0 dB的情况较多，特大冰雹ZDr接近0 dB[4]。基于此，统计了黄南州2022年出现的11次冰雹个例，利用黄南州新一代双偏振天气雷达的雷达参量进行研究与分析。

1 资料与方法

冰雹探测资料来自黄南州C波段双偏振雷达，包括2022年雷达观测范围内11次直径＞等于5 mm冰雹的降雹时间、地点和冰雹大小。由于降雹具有局地性强、落区分散、时空尺度小和持续时间短的特点，因此很难确定实际降雹地点、开始时间和结束时间，降雹相关信息均由台站业务人员监测及气象信息员提供。研究的雷达参量有水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分传播相移（ΦDP）、相关系数（CC）、差分传播相移率（KDP）等参数。由表1可知，从时间分布来看，降雹天气均发生在8月，其中河南县6次、泽库县4次、同仁县2次，8月21日16：00～17：00同仁隆务镇、年都乎乡出现2022年最强冰雹天气，其中隆务镇冰雹持续时间25 min，冰雹最大直径为25 mm。

2 参量分析

2.1 水平反射率因子（ZH）与差分反射率因子（ZDR）

水平反射率因子表示云团在某一仰角的强度，因此反射率因子越大，说明云团强度越强，通过比较冰雹云在0.5°、1.5°、2.4°三个仰角的差异性，得出同一时次在不同仰角上的反射率因子最大值相差仅在5 dBz之内，随着雷达探测距离的增加，雷达探测的回波高度也逐渐增加，由于黄南雷达海拔达3 886 m，因此0.5°仰角的水平反射率因子识别效果最佳。冰雹发生地同仁、泽库、河南距离雷达均在100 km之内，在有效探测范围内，同理ZDR、ΦDP、KDP、CC也应是0.5°仰角最佳。

分别对0.5°仰角的水平反射率因子与差分反射率因子（图1a、图1b）对比分析，结果表明：在冰雹发生时段，ZH在34～69 dBz；通过分析不同个例可知，第1、3、4、6、8、9、10、11个中冰雹发生时段反射率因子中位数均在55 dBz以上，其中在第1、3、6、8、11个例中反射率因子均在60 dBz以上；差分反射率因子ZDR在-3.87～4.87 dB；所有个例中冰雹发生时段的ZDR中位数均＜2.5 dB，其中第1、2、3、4、5、7、9、10个例中ZDR最大值均＜1.0 dB，而第1、3、4、6、9个冰雹个例的ZDR值均＜0。由11个冰雹个例可知，大的水平反射率因子对应接近0的差分反射率因子，有利于识别冰雹。

3.2 差分传播相移率（KDP）、差分传播相移（ΦDP）、相关系数（CC）

分析差分传播相移率（KDP）（图1c）可知，KDP在0～8.6 deg/km，除了第3个例KDP较大，其余个例KDP均＜8 deg/km，其中第2、4、5、6、7、9、10个例的KDP均＜2 deg/km，而第2、4、7、9个冰雹个例的KDP在0～1.0 deg/km；分析差分傳播相移（ΦDP）（图1d）可知，ΦDP范围在0～153.7 deg，从不同个例冰雹发生时段的ΦDP分析来看，所有冰雹的ΦDP中位数在0～110 deg，除了个例9，其余个例的ΦDP值均在60 deg以下，其中第2、3、4、5、6个例中ΦDP值在0～20 deg。此外，集中程度在各时次的值相差10 deg以内，有利于冰雹识别。相关系数CC与粒子形状、粒子密度有关，对11个冰雹个例的相关系数CC（图1e）分析可知，处于0.5°仰角时，CC范围在0.56～1.00，除个例1与个例6，其余冰雹的CC均＞0.8，其中第2、4、5、7、8、10个例的CC＞0.93，而第2、5、7、8个例的CC在0.98以上；从不同个例冰雹直径可知，上述个例冰雹直径明显偏大，因此CC在0.5°仰角＞0.8，有利于冰雹识别，＞0.93有利于大冰雹的识别。

3 冰雹个例分析

2023年8月21日16：00～17：00同仁市隆务镇、年都乎乡出现年度最强冰雹天气，其中隆务镇冰雹持续时间为25 min，最大直径为25 mm。

冰雹发生时段及对流单体移动雷达参量变化（表1），以下时次均有冰雹出现，从不同参量分析可知，水平反射率因子（ZH）范围在48.5～66.5 dBz，差分反射率因子（ZDR）范围在-4.5～1.25 dB，差分传播相移率（KDP）范围在0～0.9 deg/km，相关系数（CC）范围在0.75～0.95，差分传播相移ΦDP范围在3.6～21.8 deg。结合雷达图分析可知，水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分传播相移率（KDP）及相关系数（CC）有利于冰雹天气的识别，而差分传播相移（ΦDP）由于范围较大，雷达显示所有值均在0～24 deg，很难识别出降雹的具体位置，对冰雹位置的识别较弱。

图2为2022年8月21日16时36分黄南州CAD多普勒天气雷达反射率因子三维结构图，图中清晰显示了低层反射率因子强梯度区，尤其是庞大的强回波悬垂和该回波悬垂下面的弱回波区，属于典型的雹暴结构。

4 结论

对2022年黄南州境内出现的11个直径＞5 mm的冰雹个例进行研究与分析，通过对双偏振雷达参量水平反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分传播相移 （ΦDP）、相关系数（CC）、差分传播相移率（KDP）等参数的特征差异以及雷达回波剖面特征进行分析。结果表明：（1）黄南地区发生冰雹时段的ZH在34～69 dBz、ZDr在-3.87～4.87 dB、KDP在0～8.6 deg/km、ΦDP在0～153.7 deg、CC＞0.56；（2）当ZH＞55 dBz、ZDr＜1.0 dB、KDP＜2 deg/km、ΦDP＜60 deg、CC＞0.8时，出现冰雹的可能性大；ZH＞60 dBz，ZDr＜0時，KDP在0～1.0 deg/km，ΦDP在0～20 deg、CC＞0.93时，冰雹出现的可能性极大，并且水平反射率因子和相关系数的大值对应较小的差分反射率因子、差分传播相移率、差分传播相移，有利于冰雹识别；（3）低层反射率因子强梯度区和中高层强回波悬垂和该回波悬垂下面的弱回波区也是出现强冰雹的重要特征之一。

参考文献

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