关于多普勒天气雷达设立降雪侦测模式的设想

姜继祥，刘丽薇

（1.牡丹江市气象局，黑龙江牡丹江157000；2.绥化市气象局，黑龙江绥化152002）

关于多普勒天气雷达设立降雪侦测模式的设想

姜继祥1，刘丽薇2

（1.牡丹江市气象局，黑龙江牡丹江157000；2.绥化市气象局，黑龙江绥化152002）

1　雪的生成

雪花的产生，它必须依托同温层以下空气中一颗颗肉眼看不到的微尘粒子做晶核，使水分子在冷空气作用下围着它一层又一层地凝结，晶核就从中央向外长大。形成一颗雪晶体大约要用5 min时间，在这段时间里，造雪环境中的气流始终升降浮沉，动荡不定，但水蒸气必须保持等量作用于晶核的周边。空中云层的厚度、湿度、温度对雪花的形态有极大的影响，星形雪花的形成要求较大的湿度，而湿度较小的云层易于形成片状、粉末状雪花。其实雪花的个体是极其微小的，直径在0.5-3 mm之间，5000颗雪花放在精密天平上才不过1克。雪花产生于云层中的这些小晶核，如果周围水汽浓度较大，那么增长过程中不仅体积会增大，形状也会改变，最常见的就是天空中飘落的六边形雪花。形成雪花之前的冰晶受周围环境的影响，位于底面上的正六边形和侧面长方体的晶体生长速度出现差异，形状也相应发生变化，比如气温会给结晶的表面带来微妙变化，接近0℃时底面水平扩展成六边形，-5℃时形成针状，降到-5-（-10）℃时侧面上开始生成正六棱柱体及侧面镂空的六棱柱体，-15℃时形成树枝状，在降至-10-（-21）℃时，正六边形又开始扩展，继而再生成六棱柱体。周围水蒸气含量较少时，生成过程也较慢，而且不易出现复杂形状。相反，水蒸气含量越大，生成速度越快形状也越复杂。被人们称做"雪花"的树枝状雪晶往往生成于-15℃左右、含有大量水蒸气的环境中。尽管晶体的形成速度取决于温度及水蒸气浓度，但空气中的其他气体也会影响它的形成。实验表明，在只有水蒸气的真空空间里形成的冰晶几乎都有单三棱柱体，而在天空中形成的晶体则呈现针状和六棱柱形状。经过计算机计算可以再现冰晶向六个方向延伸的形状，而中途分解，呈现树枝状的原因却始终无法解释。

2　雪的定性分析

雪的定性就是通过天气雷达在对天气过程的扫描过程中确定空中要降落的是雨还是雪，以及侦测出是大雪、中雪或者是小雪。通过上面对雪的生成过程可以看出对雪的定性分析是十分困难的，特别是生成初期两种物体都是以颗粒状存在，无法正确区分出来。现在所有的雷达侦测理论都是建立在被探测体是圆形或者椭圆形物体的基础上，而对于被侦测物体是片状物体到底如何表述还没有一个通用的理论。

回波极化信息的收集可以作为日后鉴别雨、雪、冰雹的方法，气象雷达向空间辐射的电磁波信号，除有一定的波长、波形、强度特征外，还具有一定的极化形式，球型粒子和非球粒子后向散射的极化方式与入射波极化方式的区别是不同的，所以能够通过极化方式的提取，来识别降雨，降雪的特征。只是目前回波极化信息的获取常采用双偏振体制的天气雷达，所以对这方面的研究还有待进一步深入。

3　雪的定量分析

因为雪整个生命周期的演化过程受着周围气压、湿度、大气压力等影响，增加了雪形状的厚度性。形状的复杂性决定着回波面积的大小也就决定着回波强度的大小。单个雨滴体积不会变得很大，当它大到一定程度就会分裂，而雪从小颗粒形状开始如果有合适的温度、湿度等其他因素会变成"鹅毛大雪"，回波面积的增大不是一个数量级的。另外就是雪中的含水量大小，北方的雪因为形成雪时当地上空湿度较小等原因，所以往往含水量较小，对于雷达的侦测都是有难度的。如果空气中的湿度较大，特别是在南方湿度很大的状况下形成的雪它含有的水份就很大。这两种雪既使单位体积里的个数是一样的那么对于雷达回波显示的强度dBz也应该是不一样的，综上所述可以看出对雪定量的难度。

现在CINRAD/CC天气雷达降水扫描模式中降雨量使用的公式是：

Z=200R1.6

R是每小时降雨量。

如果使用降雪模式应该将此公式进行修改，可能的公式为：

R是雪融后的降雨量。

国家关于降雪量的定义：对于降雪量，在气象上是有严格的规定的，用一定标准的容器，将收集到的雪融化后测量出的量度。气象上对于雪量有严格的规范。如同降雨量一样，是指一定时间内所降的雪量，有24 h和12 h的不同标准。在天气预报中通常是预报白天或夜间的天气，这主要是指12 h的降水量，各种基本降雪量的标准：

零星小雪＜0.1 mm；0.1 mm≤小雪＜0.25 mm；

0.25mm≤中雪＜3 mm；3 mm≤大雪＜5 mm；

暴雪：≥5 mm。

降雪量是指将雪转化成等量的水的深度，与积雪厚度可按照1：15的比例换算。如此计算，97.7 mm降雪量约为1.5 m厚的积雪。

那么在终端中色标的颜色就应该进行重新的规定，因为按照这个公式算出的dBz值和降雨模式下算出的dBz值是不一样的。

R=0.01 mm/h dBz=-7

R=0.1 mm/h dBz=13

R=0.25 mm/h dBz=21

R=3 mm/h dBz=43

R=5 mm/h dBz=47

在实际雷达运行中还要注意的一个雷达常数中的参数就是复折射指数，这个值在现代多普勒天气雷达被设置为0.93（液态降水），按照复折射的概念，如果将其用在侦测雪的过程中时这个值应该比0.93小许多，但是至于小多少现在还没有看见任何文章关于这方面的定论。现在看这个值虽然比0.93小但是从雷达常数这个值来看应该不会有太大的变化（指数量级的差别），所以建议用测雨的这个复折射指数来作为测雪过程中的系数。

降雪和降雨这两种天气过程有很大的不同。降雨在全国各地的形式是差不多的，雨的体积太小C波段或者S波段就测不出来，大了就自行一分为二了。但是雪的生成初期与“鹅毛大雪”相差很大，所对应的回波强度也会有很大不同。使用上面这个降雪量公式的应该按照各地的实际情况对参数进行修正。

在雨加雪的天气过程中，雪的个体体积及和雨的比例不算大，天气过程会向纯雨或者纯雪过度。在雨和雪的混合天气过程中，根据现有的知识可以知道雨的回波强度应该比雪的回波强很多，因此这种天气过程应该还是按正常降水模式1或降水模式2去侦测。

上面给出的关于降雪侦测模式的设计仅仅是一个比较粗略的设想，因为需要考虑的还应该有雪对雷达信号的衰减处理、雷达对雪的专门的信号处理设置等等。只是现在对降雪还不是很清楚的这种情况下单独重新指定有别与降雨模式1或者降雨模式2那样的体扫也不太可能，所以在这些方面可以先套用降雨模式去做，那么在硬件上现在也就不需要进行什么改动，只需对终端软件进行相应修改即可。

1002-252X（2016）03-0025-02

2016-6-1

姜继祥（1962-），男，黑龙江省牡丹江市人，成都气象学院，专科生，工程师.