微型雨雷达产品在几次不同量级降水过程中的表现特征

过霁冰 徐杰

摘 要：利用MRR-2微型雨雷达设备及相关软件对降水系统进行跟踪连续观测，分析微型雨雷达主要的4项指标：降水效率（Rain rate，mm/h）、雷达反射率（Radar reflectivity，dBZ）、液态水含量（Liquid water content，g/m3）及下降速率（Fall velocity，m/s），经研究得出以下结论：（1）小雨过程中，由于中高层湿度条件很差，降水率、雷达反射率、液态水含量、下降速率均分布在2400m以下，且峰值均较小，低于中雨、大雨及暴雨过程，仅在小时降水量超过0.2mm的时段才表现出一定的显著特征；（2）由于整层湿度条件较好，中雨、大雨及暴雨3次过程的降水率均表现出垂直分段分布的特征，且降水率高值区整层均有分布；（3）中雨、大雨及暴雨3次过程雷达反射率发展得均较高，达到了4800m左右，但高值区发展的高度并不相同，并且三者的峰值大小也有一定的区别，在降水量较大的时段，三者的峰值主要分布在低层；（4）中雨、大雨及暴雨3次过程的液态水含量与降水效率产品表现出类似的特征，同样呈现出了垂直分段分布的特点；（5）不同降水类型的下降速率和液态水含量各自表现出不同的特征。

关键词：微型雨雷达；降水效率；雷达反射率；液态水含量；下降速率

中图分类号 P426 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）09-0143-07

Characterization of the Micro Rain Radar Products in Different Precipitation Events

Guo Jibing1 et al.

（1 Fengxian District Meteorological Office，Shanghai 201416，China）

Abstract：Micro Rain Radar and related software systems was used to track and observer precipitation.Four kinds of Micro Rain Radar products（Rain rate，mm/h，Radar reflectivity，dBZ，Liquid water content，g/m3 and Fall velocity，m/s） were analyzed.The height resolution was set to 200 m.Observation height was between 200～6200m （the top height was near 500 hPa）.By study those cases，the following characteristics were found：*（1） In a light rain process，due to the poor humidity condition of the mid to high-level，most of precipitation rate，radar reflectivity，liquid water content and fall velocity are located below 2400 meters，the peak value was smaller than the rest three kinds of the rains，only when hourly precipitation was over 0.2mm，it showed some remarkable features.（2） Since the whole layer moisture conditions were better，the precipitation rate of moderate rain，heavy rain and torrential rain exhibited characteristics of vertical distribution segment，and the high precipitation rate value distributed in whole layer.（3） The radar reflectivity located in high layer in moderate rain，heavy rain and torrential rain process，the height was near 4800m.But the high value distributed in different height，and the peak value is different too，unless in a high precipitation period，the peak value was in lower layer.（4） the liquid water content of moderate rain，heavy rain and torrential rain exhibited characteristics of vertical distribution segment.（5） The fall velocity and liquid water content of different types of rains showed the different characteristics.

Key words：Micro rain radar；Rain rate；Radar reflectivity；Liquid water content；Fall velocity

天氣雷达是进行大气、云雾及降水物理研究和探测的主要手段，其重要作用之一是以云和降水为主要观测对象，实时估测降水系统的降水强度。它被广泛地应用于气象科学研究和业务天气警戒观测中，发挥着越来越重要的作用。定量估测降水强度作为天气雷达首要用途在灾害性天气监测和预警、人工影响天气的作业指挥、气象模式资料同化及模拟结果的检验等方面具有十分重要的意义。不同降水类型产生的影响不同，识别不同类型的降水可以更好地理解降水的机制，对降水估测、灾害性天气的监测和预警等方面都有很大的帮助。

定量估测降水一直是天气雷达应用的主要目标之一。从第二次世界大战后雷达技术开始在气象部门应用，至今已有60多年的历史，随着应用研究的广泛开展，雷达估测降水技术发展非常迅速。1959年Battan[1]首次提出雷达气象学概念，并对那一时期雷达气象学的研究进展和成果作了概述。由此，多普勒天气雷达作为一种重要的技术手段逐步发展成为专门学科。在天气雷达应用研究的早期，就发现雷达估测降水的潜力，并对联合雨量计的多普勒天气雷达定量估测降水进行了大量研究[2]。

MRR-2（Micro Rain Radar）是一种小型的垂直指向多普勒测雨雷达（以下简称“微型雨雷达”），由德国METEK公司生产。其工作原理是以雨滴大小和散射截面、雨滴大小和下降速率的关系为基础，根据多普勒频率反演出降水状况[3]-[4]。微型雨雷达可测量雨强、雷达反射率因子、雨滴下降速度及雨滴粒径分布等垂直廓线，从而判断降雨状况。如何科学合理地开展微型雨雷达的观测试验，分析典型降水过程的微型雨雷达产品，使微型雨雷达产品投入业务化显得非常迫切和必要。本文选取了几次不同量级的降水过程，分析每次过程中各类微型雨雷达产品的表现特征，为微型雨雷达产品投入业务化使用积累经验。

1 资料介绍和降水过程选取

1.1 资料介绍 MRR-2微型雨雷达设备及相关软件安装于上海市奉贤区气象局的气象应急移动车上，移动车停放在上海市奉贤区气象局单位内，经纬度为：121°30′E，30°53′N。雨雷达安装在气象应急车上，适合对降水系统进行跟踪连续观测，可以及时有效地获取所需的观测数据资料，仪器的无人值守设计，可在任何气候条件下运行，非常有利于工作的持续进行。经过前期维修及协调，从2014年6月开始实现微型雨雷达设备稳定运行、连续观测、实时产生资料数据并批量保存。

本文分析的微型雨雷达指标主要为以下4种：（1）降水效率（Rain rate，mm/h）：单位面积垂直方向上液态水体积通量；（2）雷达反射率（Radar reflectivity，dBZ）：雷达发射率因子与雷达衰减反射率因子；（3）液态水含量（Liquid water content，g/m3）：单位体积的液态水质量；（4）下降速率（Fall velocity，m/s）：粒子下降的速率。本文设置的微型雨雷达数据高度分辨率为200m，观测高度为200～6200m，约观测到500hPa的高度。

1.2 降水过程选取 本文选取2014年夏季（6-8月）的小雨、中雨、大雨和暴雨降水过程各一次。其中小雨的定义为：12h内降水量为0.1～4.9mm，或24h内降水量为0.1～9.9mm的降水过程；中雨的定义为：12h内降水量为5.0～14.9mm，或24h内降水量为10.0～24.9mm的降水过程；大雨的定义为：12h内降水量为15.0～29.9mm，或24h内降水量为25.0～49.9mm的降水过程。暴雨的定义为：12h内降水量为30.0～69.9mm，或24h内降水量为50.0～99.9mm的降水过程。本文分别选取了每次过程中降水量较明显的时段进行微型雨雷达产品的重点分析。为方便描述每次降水过程，进行简化描述，例如“8月2日00：00-07：00降水过程”简写为“（0802：0000-1700）”。

小雨（0802：0000-0700）过程中（图1a），分钟降水量均为0.1mm，小时降水量均在1mm以下，其中01-03时及05-07时降水量略大。中雨（0818：1200-1700）过程中（图1b），分钟降水量也均为0.1mm，小时降水量在1～3mm，其中14-16时降水量较大。大雨（0626：1200-1700）过程中（图1c），分钟降水量在0.2mm左右，小时降水量差异较大，小的在2mm左右，大的在6mm左右，其中15-16时小时降水量达到了8mm。暴雨（0820：0300-1500）过程中（图1d），分钟降水量在0.4mm左右时，小时降水量在达到了16mm，分钟降水量在0.2mm左右是，小时降水量在5mm左右，其中09-13时降水量较显著。

1.3 温度对数压力图（Tlogp图） 提取了每次降水过程中主要降水时段的温度对数压力图，由图2a可见，此次小雨过程中，400hPa以下均为西北风，水汽条件不足，且风向随高度改变没有明显的变化，动力条件也较差。图2b可见，此次中雨过程中，500～700hPa均为西南风，该层水汽条件较好，但是850hPa以下为西北风，低层水汽较差。由图2c可见，此次大雨过程中，850～700hPa均为西南风，中低层水汽条件较好，925hPa以下为弱的偏东风，风向随高度有顺转的特征，提供了一定的动力条件。由图2d可见，暴雨过程中，700hPa以上均为西南风，且风力较大，提供了充足的水汽条件，850hPa以下为偏东风，风向随高度表现出明显的顺转特征，动力条件也很好。

2 微型雨雷达产品特征分析

首先，简单分析每次降水过程中4类微型雨雷达指标的大概特征。

小雨降水过程中，由图3a可见，这次的降水率集中分布在6.0mm/h以下，在01时、02时较为显著，降水率垂直分布集中在2400m以下；其雷达反射率（图4a）分布在20～25dBZ，主要集中在2400m以下；降水时，液态水含量值（图5a）集中在0.6g/m3，所分布高度与前两者一致；下降速率（图6a）为4m/s左右，分布高度与前者一致。

中雨降水过程中，由图3b可见，本次降水率呈現较明显的垂直分段分布特征，高层分布在4500～6000m，降水率为8～9mm/h，低层在3000m以下，降水率为5～6mm/h，在14-16时较为显著；其雷达反射率（图4b）在14-16时较为显著，分布在25～30dBZ，主要集中在4800m以下，其他时段雷达反射率分布在20～25dBZ，主要集中在3000m以下；降水时，液态水含量（图5b）同样呈现垂直分段分布特征，高层分布在4800m以上，液态水含量值在0.5～1.0g/m3，低层在3000m以下，值在0.4g/m3左右；下降速率（图6b）较显著的时段为14-16时，为5～8m/s左右，主要在5000m以下，其余时段在5m/s以下，高度也在5000m以下。

大雨降水过程中，由图3c可见，这次的降水率呈现更明显的垂直分段分布特征，高层分布在4800～5600m之间，降水率为8～10mm/h，高层的这一特征几乎分布在整个降水时段，低层在4000m以下，降水率为10～18mm/h，其中在15-16时降水量较大的时段内较为显著；其雷达反射率（图4c）在15～16时最为显著，分布在30～40dBZ，主要集中在5000m以下，其他时段雷达反射率分布在25-35 dBZ，大值区主要集中在3500m以下；降水时，液态水含量（图5c）同样呈现垂直分段分布特征，高层分布在4800～6000m之间，液态水含量值在1～2g/m3，在15-16时值较小，低层在4200m以下，15～16时较显著，值在1g/m3左右，其余时段在0.5g/m3以下；下降速率（图6b）较显著的时段同样是15～16时，为8～10m/s左右，主要在5000m以下，且整层分布较均匀，高层值略大，其余时段在8m/s以下，高度也在5000m以下，但高层值明显大于低层，大值区普遍分布在较高层。

暴雨降水过程中，由图3d可见，这次的降水率同样呈现出一定的垂直分段分布特征，高层分布在4200～5200m之间，降水率为15～20mm/h，低层在3500m以下，11-12时最为显著，降水率为18～25mm/h，此时降水量也较大，其余时段降水率在15mm/h以下；其雷达反射率（图4d）在整个降水时段均较为显著，分布在35～45dBZ，主要集中在4800m以下，且低层值更大；液态水含量（图5d）同样呈现垂直分段分布特征，高层分布在4500～5600m之间，液态水含量值在1.5～2.0g/m3，低层在3800m以下，值在1.5g/m3左右，在11-12时较为显著；下降速率（图6d）较显著的时段为9-11时，为8～10m/s，主要在5000m以下，其余时段在8m/s以下，高度也在5000m以下，表现出高层值较大，低层值较小的特征。

2.1 降水效率 小雨过程（图3a）由于中高层湿度条件很差，所以2400m以上无降水率，而近地层降水率峰值仅为6.0mm/h，均低于其余3次降水过程，仅在小时降水量超过0.2mm的时段才表现出一定的降水率特征。由于整层湿度条件较好，中雨（图3b）、大雨（图3c）及暴雨（图3d）3次过程的降水率均表现出垂直分段分布的特征，且降水率高值区整层均有分布；但是3次过程的降水率峰值大小有明显区别，且低层的降水率与对应时段降水量大小成正比，当降水量大时，降水率峰值也较大，且主要分布在低层，而对应时段高层降水率则较小。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.2 雷达反射率 小雨过程（图4a）雷达反射率主要集中在2400m，发展得不高，峰值在20-25dBZ，且仅在降水量超过0.2mm时有此特征的表现。其余3次过程雷达反射率发展得均较高，达到了4800m左右；但大值区发展的高度也不相同，如雷达反射率30dBZ，在中雨（图4b）过程中发展到3500m左右，在大雨（图4c）过程中，发展到了4000m左右，在暴雨（图4d）过程中，发展到了4500m左右；且三者的峰值大小也有一定的区别，但在降水量较大的时段，三者的峰值均主要分布在低层。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.3 液态水含量 小雨过程（图5a），液态水含量峰值在0.6g/m3，发展得不高，主要集中在2400m以下，与前两类产品类似，仅在降水量超过0.2mm时有此特征的表现。其余3次降水过程表现出与降水效率产品类似的特征，同样呈现出了垂直分段分布的特点，高层主要分布在4500m以上，低层三者分布略有区别，中雨（图5b）分布在3000m以下，大雨（图5c）和暴雨（图5d）分布在3800m以下；中雨和大雨过程的液态水含量高值区主要分布在高层，而暴雨过程中液态水含量高值区在整层均有分布；三者低层液态水含量的峰值有显著区别，中雨的峰值分布最靠近底层，大雨仅在降水量超过4mm以上有一定的表现，在3800m以下分布较均匀，暴雨过程中液态水含量峰值最大，且在降水量显著的时段在3800m以下随高度分布也较均匀；3次降水过程高层和低层的液态水含量有反相分布的特征，即高层液态水含量高时，对应时段低层液态水含量则低，反之亦然。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.4 下降速率 小雨过程（图6a）下降速率仅为4m/s左右，且与前3类产品特征较一致，主要分布在2400m以下，且仅在降水量超过0.2mm时有此特征的表现。其余3次过程下降速率均分布在5000m以下；三者大值区分布高度较一致，降水显著的时段，下降速率大值区均分布在2000m以上，而2000m以下下降速率略减小；三者下降速率峰值有一定区别，中雨（图6b）在降水显著时段峰值在5～8m/s，其余时段在5m/s以下，而大雨（图6c）和暴雨（图6d）峰值大小较一致，降水显著时段峰值均在8～10m/s，其余时段在8m/s以下。

c、大雨（0626：1200-1700）；d、暴雨（0820：0300-1500）

2.5 液态水含量统计 统计4次降水过程中不同大小液态水含量的百分率分布。液态水含量是单位體积内的液态水质量，本文统计了0～0.8g/m3范围内每隔0.05g/m3的液态水含量的百分率分布。小雨（图7a）过程中，液态水含量在0.05g/m3以下的占了90%，说明小雨量级降水中，单位体积内的液态水质量基本都在0.05g以下；中雨（图7b）过程中，液态水含量在0.05g/m3以下的较小雨有显著下降，仅占了41%，而液态水含量在0.05～0.2g/m3之间的百分率分布较小雨均有较大提高，尤其是0.05g/m3、0.1g/m3和0.15g/m3所占比例均超过了5%；大雨（图7c）过程中，液态水含量在0.05g/m3级别所占的比例较前2次过程有很大的提高，达到了30%，0.1g/m3和0.15g/m3所占比例也超过了5%，尤其是大于0.8g/m3的比例也达到了5%以上，这是和前2次降水过程的显著区别；暴雨（图7d）过程中，0.05g/m3、0.1g/m3、0.15g/m3、0.2g/m3级别的液态水含量分布均在5%，且其余各级别所占的比例较中雨均有所提高，大于0.8g/m3的液态水含量比例较中雨略有下降，但仍在5%以上。

3 结论

（1）小雨过程中，由于中高层湿度条件很差，降水率、雷达反射率、液态水含量、下降速率均分布在2400m以下，且峰值均较小，均低于其余3次过程，仅在小时降水量超过0.2mm的时段才表现出一定的显著特征。

（2）由于整层湿度条件较好，中雨、大雨及暴雨3次过程的降水率均表现出垂直分段分布的特征，且降水率高值区整层均有分布；但是3次过程的降水率峰值大小有明显区别，且低层的降水率与对应时段降水量大小成正比，当降水量大时，降水率峰值也较大，且主要分布在低层，而对应时段高层降水率则较小。

（3）中雨、大雨及暴雨3次过程雷达反射率发展得均较高，达到了4800m左右；但高值区发展的高度并不相同，并且三者的峰值大小也有一定的区别，但在降水量较大的时段，三者的峰值均主要分布在低层。

（4）中雨、大雨及暴雨3次过程的液态水含量与降水效率产品表现出类似的特征，同样呈现出了垂直分段分布的特点，高层主要分布在4500m以上，而在低层三者分布略有区别，中雨分布在3000m以下，大雨和暴雨分布在3800m以下；中雨和大雨过程的液态水含量高值区主要分布在高层，而暴雨过程中液态水含量高值区在整层均有分布；三者低层液态水含量的峰值有显著区别，中雨的峰值分布最靠近底层，大雨仅在降水量超过4mm以上有一定的表现，在3800m以下分布较均匀，暴雨过程中液态水含量峰值最大，且在降水量显著的时段在3800m以下随高度分布也较均匀；3次降水过程高层和低层的液态水含量有反相分布的特征，即高层液态水含量高时，对应时段低层液态水含量则低，反之亦然。

（5）中雨、大雨及暴雨3次过程的下降速率均分布在5000米以下；三者大值区分布高度较一致，降水显著的时段，下降速率大值区均分布在2000m以上，而2000m以下下降速率略减小；三者下降速率峰值有一定区别，中雨在降水显著时段峰值在5～8m/s，其余时段在5m/s以下，而大雨和暴雨的峰值大小较一致，降水显著时段峰值均在8～10m/s，其余时段在8m/s以下。

（6）统计4次降水过程中，不同大小液态水含量的百分率分布。小雨量级降水中，单位体积内的液态水质量基本都在0.05g以下；中雨过程中，液态水含量在0.05g/m3以下的较小雨有显著下降，仅占了41%，而液态水含量在0.05～0.2g/m3之间的百分率，分布较小雨均有较大提高，尤其是0.05g/m3、0.1g/m3和0.15g/m3所占比例均超过了5%；大雨过程中，液态水含量在0.05g/m3级别所占的比例，较前2次过程有很大的提高，达到了30%，0.1g/m3和0.15g/m3所占比例也超过了5%，尤其是大于0.8g/m3的比例也达到了5%以上，这是和前2次降水过程的显著区别；暴雨过程中，0.05g/m3、0.1g/m3、0.15g/m3、0.2g/m3级别的液态水含量分布均在5%，且其余各级别所占的比例，较中雨均有所提高，大于0.8g/m3的液态水含量比例，较中雨略有下降，但仍在5%以上。

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（责编：王慧晴）