姜紫阳 吴瑾 刘英杰 颜秉芝

摘要 为了研究飑线的降水结构和云物理特征，利用南京信息工程大学的C波段双偏振雷达资料，分析了2014年7月4日飑线的双偏振雷达多参量回波。研究发现，雷达回波图中降水回波结构较紧密，降水范围较大，但降水强度并不是很高；相关系数回波图中存在亮度层亮带，相关系数与差分反射率因子成负相关。这项研究有助于增进对飑线天气的云物理结构和回波演变机理的认识。

关键词 双偏振雷达；回波；多参量；降水粒子；飑线；2014年7月4日

中图分类号 P412.25 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）03-0199-05

Abstract In order to study the precipitation structure and cloud physical characteristics of squall line，using the C-band dual-polarization radar data of NUIST，the multi-parameter echo analysis of squall line of dual polarization radar on July 4，2014 was conducted.It was found that the structure of precipitation echo was relatively close in radar echo images，precipitation range was relatively large，but the precipitation intensity was not high.In echo image of correlation coefficient，there had a luminance layer bright band，and the correlation coefficient of the differential reflectivity factor was negatively correlated.This study will contribute to increase knowledge on cloud physical structure and echo evolution mechanism of squall line weather.

Key words dual polarization radar；echo；multi-parameter；precipitation particle；squall line；July 4，2014

双偏振天气雷达是新一代天气雷达的发展趋势，因其具有测量不同偏振方向上回波功率的功能，所以可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量。双偏振天气雷达是利用不同类型、尺度的降水粒子对极化回波散射能力不同的特性来估算降水粒子的类型、尺度等自身特征，以此来实现对降水类型的分辨和识别。对偏振参数进行分析、反演，从雷达回波图中可以总结出降水粒子的类型、尺度、空间分布和降水类型等具体气象信息。相对于常规的天气探测雷达，双偏振多普勒天气雷达可以提高对降水粒子的探测精度，为数值预报提供高质量的初始场，加强对灾害性天气的监测预警和提高对气象目标的识别能力[1]。

1976年，Seliga和Bringi[2]创造性地提出了双偏振天气雷达的2种体制，即交替发射/接收体制和同时发射/接收體制。在此之后，Jemason、Sachidananda、Zrnic等[3]分别提出了利用相干多普勒雷达时间序列资料提取差分传播相移来进行气象探测。上海市气象局对原有的WSR-88D多普勒雷达进行了双偏振升级，并投入于2014年汛期前的业务使用[4]，为汛期上海及周边地区的灾害性天气监测分析、预报预警业务以及中尺度数值天气预报模式资料同化提供更多样化、更精准的信息。

本文选用南京信息工程大学C波段双偏振雷达，利用2014年7月4日南京信息工程大学的C波段双偏振雷达数据对飑线天气进行分析，经处理得到回波图像，总结降水粒子的类型、尺度、空间分布和降水类型等，分析飑线天气下雷达回波图特征、各偏振参数特征以及飑线回波的形成机理与降水的云物理特征。

1 研究方法

1.1 方法简介

本文选取双偏振雷达回波的多参数分析法进行分析。首先分析2014年7月3—4日的温湿压场以及卫星云图，得到飑线发生的天气环流背景。其次对2014年7月4日南京信息工程大学的C波段双线偏振雷达探测数据进行处理分析，得到各偏振参数的雷达回波图像，分析各参数回波图像与降水强度之间的关系以及各自的内在联系。最后观测总结出飑线天气下双偏振雷达回波图的特征以及各参数的取值范围，以便为后期更深层次的研究作一参考。

1.2 双线偏振雷达主要参量

双偏振雷达能够探测到的参量主要为以下几种（不完全列举），包括水平和垂直反射率因子、差分反射率因子、相关系数、比相差等。

1.2.1 水平和垂直反射率因子。水平反射率因子表达式如下：

垂直反射率因子表达式如下：

式中，N（D）为降水粒子的滴谱分布。

1.2.2 差分反射率因子ZDR。差分反射率因子表达式如下：

式中，ZDR是对以反射率因子为权重的降水粒子平均轴比的测量。如果出现大量尺度较大的粒子也会严重影响ZDR的信号，因为这些粒子的后向散射能力较强，所以产生的反射率因子较大。ZDR不受粒子总数的影响，但受粒子空间中不同尺度分布的影响。

ZDR反映的是水平和垂直偏振的反射率因子之比，比值的大小受粒子的形状影响。粒子的非球形程度用椭率（a/b）表示，a、b分别为旋转椭球的旋转轴和半径。单个粒子的ZDR与a/b之间的关系如图1所示，其表示等效直径为0.4 cm的旋转椭球粒子的ZDR与椭率之间的关系[5]。虽然不同等效直径的粒子关系函数不同，图像的曲线也有所不同，但总体变化趋势相同。

由图1可知，a、b比值越小，即粒子的椭率越大，则ZDR值越大。当粒子的形状无限接近球形时，也就是a、b比值等于1时，差分反射率取值几乎为0。实际降水区中，大雨滴比较易变形，形状接近于扁椭球，相应ZDR为较大的正值；小雨滴和翻滚下落中的大冰雹椭率小，形状接近球形，相应的ZDR取值就接近零。在实际探测中若发现某一区域雨强较大，而差分反射率取值却很小，则几乎可以判定有冰雹出现。

1.2.3 相关系数。假设雷达的雷达发射脉冲重复周期为T，对于双线偏振雷达只有在相隔2T的重复周期内才能在每个距离库上取得相同偏振的样本，样本之间的自相关系数可以用如下表达式计算：

相关系数ρHV（T）受取样体积内粒子径向速度分布、倾斜角及形状等的变化的影响，其取值也由以上几项共同作用决定。

通常情况下，将零滞后相关系数ρHV（0）定义为水平偏振回波信号与垂直偏振回波信号零滞后相关系数的幅值，零滞后相关系数用来反映水平与垂直偏振波的后向散射特征的相关性。对于瑞利散射而言，零滞后相关系数可用来说明水凝物水平和垂直大小变化而引起的非相关程度。零滞后相关系数值不受雷达标定、水凝物浓度及传输等因素影响，对雷达信噪比较敏感，易受旁瓣回波和地物杂波的影响[6]。

每个偏振参数对区分粒子形态起到不同的作用，并表现在不同的方面，但是单独使用某一种参数时存在许多限制，会大大影响结果的准确性。表1给出了双偏振雷达几个基本偏振参数在不同降水类型中的取值范围，在实际预报工作中可以参考这些参数的取值来进行预报工作，但一定要对各参数进行综合考虑。

1.3 观测取样

本次对流性降水开始于2014年7月3日23：52，从次日2：00开始加强并继续发展，降水区域进一步扩大，强度加大，出现局部中到大雨天气。而后对流性云团处于不同发展阶段，出现减弱消散又再次聚合加强的情形，多次反复，并一直维持向东北方向移动的趋势。大部分地区依旧处于对流云团的影响控制之下，有持续降水的趋势，直至2014年7月5日7：00，大部分对流云团发展到消亡阶段，趋近消亡并且离开探测区域，除东南方向上部分区域有小雨外，大部分区域已停止降雨。

取部分观测资料，对雷达的反射率因子与探测云、雨目标的差分反射率因子ZDR、差分传播相移KDP、相关系数ρHV进行分析，以2014年7月4日15：04的大范围降水为代表。

2 结果与分析

2.1 天气背景分析

图2为2014年7月4日500 hPa的高空图与地面气压图，由图2（a）高空图可以看出，亚洲中高纬地区为两槽两脊的环流形势，南京上空风向为西南风，为降雨提供了充足的水汽，黄河“几”字型流域上空有形成闭合低压的趋势，下一时刻形成闭合低压并延伸出一条小槽，南京则位于槽前，处于较不稳定的区域，加上水汽供应，为降雨创造了有利条件。20：00闭合低压形成，高空的水汽输送更加旺盛。

地面图中2014年7月4日8：00—11：00在湖南以及云南上空形成了1个较大范围的低压中心，与500 hPa高空配合，形成了1个深厚系统。17：00后低压强度加大但范围缩小，南京东部洋面出现1个小高压中心，与低压系统配合，为南京降水提供了充足的条件。结合高空与地面图的分析，此次飑线过程是在1个深厚系统的影响控制之下，因而可能持续的时间较长，对流发展也会比较强烈。同时，又由于地面高空的风向影响，来自印度洋和南太平洋的水汽持续供应，为降水提供了极为有利的条件。

图3为2014年7月3—4日500 hPa温度场，南京上空的等温线较稀疏，温度梯度变化较小，结合相同时刻500 hPa等高线可以看出，南京上空温度平流变化不明显，但温度明显降低，可能会造成一定程度的降温。高空的低温会促进地面低压中心的发展，使系统发展更为深厚，加剧飑线天气，也延长了飑线的持续时间。

2.2 卫星云图分析

由卫星云图红外图像（图4）可知，强对流云团呈线状排列，形成了飑线，云团的对流发展旺盛，飑线的强度也较大。由可见光云图与水汽图可知，飑线体系中的云团对流发展旺盛，水汽含量也非常充沛。本次飑线产生于2014年7月3日，于7月5日减弱消失。2014年7月3—4日飑线一直在发展扩大，影响范围扩大并且一直向东扩展，长江中下游地区一直处于飑线的控制之下，飑线强中心也在向东发展。至2014年7月4日15：00左右，飑线的云系中有1个较强的降水云团移动到了南京上空，对南京影响最大，导致南京大部分地区产生降雨。随后，南京一直处于降水云团的影响之下，有持续性降水，19：00云团的对流发展有所减弱，对南京的影响减小，降水范围也缩小，但后续云团处于不断发展之中，南京上空又出现另一个云团，直至2014年7月5日9：00，南京几乎脱离云团的控制，此次飑线过程趋于结束，但西南方向有另一个飑线形成的趋势。

2.3 雷达图像分析

2.3.1 反射率因子的分析。图5为2014年7月4日15：04的强度回波图，从0.5°仰角的强度回波图分析，回波结构紧密且连续，降水范围较大且局部有大雨，因而属于积云层云的混合性降水。最大回波强度达到了45 dBZ，RHI图像中，强回波高度可达到6～8 km，降水范围较广泛，雷达站中心以及四周均有小雨到中雨，局部地区有大雨，中雨主要集中在南部以及东北部地区。相对0.5°仰角，1.5°仰角的强回波图中强回波区域明显偏向东北方向，即低层入流方向，飑线在不断向东发展之中。从3.4°仰角的回波图中可看出，回波最大值依旧可以到达45 dBZ，说明对流云团发展旺盛，达到较高的高度，降水的影响范围均较大，飑线在发展扩大当中，短时间内不会消失。

2.3.2 差分反射率因子ZDR的分析。图6为2014年7月4日15：04的差分反射率因子回波图，将同一时刻的双偏振产品资料与雷达回波强度图进行对比可知，通常情况下，回波强度越大，ZDR值越大，探测区域降水的ZDR值普遍在1.0以上，所以探测区域的降水粒子不是冰雹，而是雨滴，并且雨滴越大，ZDR值越大。中雨区域ZDR值较大，在1.0～2.0之间，局部大雨ZDR值可达2.5及以上。这是因为雨滴越大，越難以维持球形，雨滴接近扁椭球体的形状，ZDR值就越大。而小雨区域，比较辐合瑞利散射分布，由于雨滴较小不易发生形变，依然维持近似球形，ZDR值在0～1之间。较高仰角时，回波图中出现了较大的ZDR值组成的圆环，在3.4°仰角中尤为明显，并且偏振值靠近雷达站部分较小而四周值较大，由于积云层云的混合性降水，高度增加达到冰雪转换区，ZDR值明显增大。

分析过程中也可以看出，ZDR在探测时易出现错误，其值并不是一直与回波强度成正相关，在部分雨强较大的地区，ZDR值也比较小，这可能是由于衰减造成的；且ZDR对粒子分布情况较敏感，可能是探测出现误差的另一个原因。

2.3.3 相关系数ρHV的分析。图7为2014年7月4日15：04的相关系数回波图，在0.5°仰角的图中，ρHV值通常在0.97以上，因而可以判定降水粒子为雨滴。结合回波强度图，降雨部分的相关系数数值明显大于未降雨部分，在0.98～1.00之间，为小到中雨；而中间部分地区的数值明显低于四周，结合组合反射率的图像可以看出，是受地物杂波的影响而造成的。

1.5°仰角图中，相关系数从外围向内递增，2.4°与3.4°仰角的回波图出现较明显的低值组成的圆环，故可能存在一个冰水混合区。ρHV对冰相粒子十分敏感，而且混合区中，由于冰相粒子开始融化外面附着了一层水膜，不同尺寸的冰相粒子以及水滴混合在一起，导致ρHV的取值有一定幅度的降低，越向下，冰相粒子全部融化为水滴，在下落过程中产生变形，ρHV值反而增大，所以在ρHV图像中就出现了一个较低值的圆环，同时在ZDR图像的同一时刻同一高度上出现了一个较大ZDR值组成的圆环，故认为有零度层亮带出现。相关系数ρHV能反映降水粒子前后形状、尺寸、液化等变化情况，其大小由取样体积内粒子径向速度分布、倾斜角及形状等变化的情况而定，这一时刻降雨为小到中雨，小雨集中在西北部与东北部地区，因而雷达图中这2个部分的值在0.98～1.00之间，稍大于其余部分。相关系数对大于小雨的区分并不明显，对冰雹比较敏感。将相关系数图像与2014年7月4日15：04的ZDR图像进行比较分析，2.4°与3.4°仰角中2个图像均能体现出零度层亮带，一个是较大值，一个是较小值，1.5°仰角中一个越向四周发散值越小，另一个越向四周发散值越大，二者表现的是同一时刻的回波图。由此可得出，在降雨的过程中ρHV值与ZDR值成反比，即随ZDR值的增大，相关系数值减小。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文主要分析了2014年7月4日15：00的飑线过程，得出以下几点结论。

（1）据高空与地面天气图以及风云二系列产品显示，2014年7月4日飑线天气是一个深厚系统，发展较旺盛，影响区域较大，持续时间较长，从2014年7月3日23：00到5日7：00左右，探测区域内一直有持续性小雨，但从5日凌晨开始，降水区域大大缩减。

（2）从雷达图中可以看出，降水回波结构比较紧密，降水范围较大，但降水强度较弱，只有局部有较强的降水，回波顶高度较高，飑线影响下的降雨属于混合性降雨。

（3）本次飑线降水的类型为降雨，而且主要为小雨局部中雨，ZDR的取值范围在1.0～2.0之间。

（4）ρHV的取值范围在0.97～1.00之间，同时还可以从2.4°和3.4°仰角的回波图中看到亮度层亮带的存在，虽然本文只进行了个例分析，但可提出假设，即飑线中零度层亮带可以体现在相关系数以及差分反射率因子等参数的图像上。

（5）KDP的取值范围在0.1～1.0之间，极少部分区域超过1.0，是由于降水强度大，雨滴粒子也较大，变形较严重而导致椭率增大。

由以上各图像分析可以看出，双偏振雷达的各个偏振参量对降水过程的不同方面均有不同的体现，各偏振参量综合使用分析可以判断出降水的强度，降水粒子的类型、尺度、形状以及降水粒子的空间分布等问题，但单独使用时会有较大的偏差，对分析结果造成一定的影响。分析过程反应，在本次飑线天气中，各偏振参量之间存在或大或小的相关关系。在降雨过程中，相关系数与差分反射率因子成负相关，一般情况下，ρHV值随ZDR值的增大而减小；雨强与差分反射率几乎成正相关。在实际应用中，若将这些偏振参数综合使用，结合其他的数值预报产品，对典型天气现象的回波作出总结与分类，将使天气预报的准确度得到较大的提升。

3.2 讨论

本文定性分析了2014年7月4日一次飑线降水过程个例中各偏振参量与降水的关系以及彼此之间的联系，但未分析更多样本。1个样本存在较大的偶然性，而且在分析过程中没有把衰减作用列入考虑范围。本次飑线带来的降水过程强度较弱，部分参数的真实值与理想状况下的理论值有略微出入，这可能是探测误差或衰减引起的，如差分反射率因子在局部的大雨地区取值没有达到理想值。后期应对更多典型飑线天气过程进行细致分析，总结得出更为细致具体的飑线天气的双偏振雷达各参数回波特征，同时要注意定量分析各参数的数值，并加以总结和归纳，以便得到各参数在飑线天气中的一般取值范围，更加深入地认识各个参数所对应的降水云微物理机制，以提升天气预报的准确率以及飑线类强灾害天气的预报准确率。

4 参考文献

[1] 董振贤，李妙英.双偏振多普勒天气雷达的偏振参量及其应用[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2004，5（3）：98-102.

[2] 魏洪峰，杜智涛，王洋.国内外新体制天气雷达发展动态综述[J].气象水文海洋仪器，2013，30（2）：124-128.

[3] 钟晨，张羽，高建秋，等.双偏振多普勒天气雷达在冰雹识别中的应用[J].广东气象，2014，36（4）：76-80.

[4] 马学谦，董万胜，楚荣忠，等.X波段双偏振多普勒天气雷达降雨估算试验[J].高原气象，2008，27（2）：382-391.

[5] 馬学谦，陈跃，张国庆，等.X波段双偏振雷达对不同坡度地形云探测个例分析[J].干旱气象，2015，33（4）：675-683.

[6] 李宗飞，肖辉，姚振东，等.X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究[J].气候与环境研究，2015，20（3）：285-295.