贵州中部冰雹的双偏振雷达参量特征与识别

李 玮，李 皓，刘 伟，李怀志

(贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

1 引言

冰雹是贵州危害较大的主要灾害性天气之一,全省因冰雹造成的受灾农作物面积平均在5.3～13.3万hm2之间，重灾年的受灾面积在13.3万hm2以上，贵州的冰雹还具有生成发展快、降雹频次高、影响范围广、局部灾害重、防范难度大的特点，使得冰雹灾害预警信息发布滞后，响应时间短，有效应对困难，常造成农作物受灾，甚至人畜伤亡，因此及时准确的识别冰雹云，对于人工防雹作业有着十分重要的意义。近年来，双偏振雷达日益成为改善测量雷暴云中粒子相态的一种新方法，它测得的水平反射率(ZH)、差分反射率因子(ZDR)、差传播相移率(KDP)、相关系数(ρhv) 等参量与水成物粒子类型、形状及分布等要素密切相关[1]。国内张鸿发、刘黎平等在双偏振雷达探测冰雹和估算降水方面做了大量工作[2-3]，王致君等提出了双偏振雷达在人工影响天气作业指挥及效果检验方面的应用前景[4]。本文利用选取2017年4月16日贵阳市修文县冰雹天气过程，分析了降雹时的4种偏振参量特征，同时分别用的多普勒雷达和双偏振雷达进行了冰雹识别，并用地面降雹资料进行了检验。

2 天气背景分析

2017年4月16日08时(图1)，高空，位于贝加尔湖南侧的高空槽，在河套地区分裂出一个短波槽，短波槽东移携带冷空气影响贵州省。地面，重庆到四川南部有一冷锋，贵州位于冷锋前低压区域，锋前存在暖湿平流，冷暖气流在贵州交汇，有利于强对流的生成。贵州区域0℃层高度在4 500 m附近，处于贵州有利于产生冰雹的高度。从16日08时贵阳探空T-logp图(图2)可以看到，在850～500 hPa的大气层结中，下层的水汽含量大于上层的水汽含量，这种下湿上干的配置有利于对流的生成。08时的对流抑制能量CIN值为16.9 J/kg，CAPE值为145.4 J/kg，将08时地面气温用14时地面实况气温替换后发现CAPE值为1 269.5 J/kg，说明实际上整层大气中具有很大的不稳定能量，有利于对流发展。

图1 2017年4月16日08时高低空配置图Fig.1 Weather system configuration for both high and low altitude at 8∶00 on April 17,2017

图2 2017年4月16日08时贵阳探空T-logp图Fig.2 Guiyang sounding chart at 8∶00 on April 17,2017

3 冰雹云的偏振参量特征分析

2017年4月16日修文六屯和久长在15时48-49分降雹,图3a～3d中红圈中为对应的冰雹云回波偏振参量。

水平反射率ZH反映了降水粒子的数目和尺寸大小，不受雷达常数影响的散射特征量,类似于多普勒雷达水平方向的反射率因子。从图3a可知，在降雹时，强回波中心的值达到了55 dBz，表明此时在云体中云粒子尺寸较大，或粒子数较多。

ZDR为差分反射率因子,受粒子外形的影响,它反映了降水粒子的空间取向和长短轴之比，表征云中粒子偏离球形的大小以及在水平和垂直方向上的取向程度，对于液态粒子，ZDR>0，且雨滴越大，ZDR的值越大，雨区ZDR值在0～5.0 dB之间;而冰雹在下落过程中翻滚和形状不规则，认为其是各向同性的，它的ZDR值较小，甚至可以出现负值，从图3b可知与强回波中心对应的区域ZDR值出现了0～-2的负值区，该负值区和ZH的强回波中心有较好的吻合，且从云体发展到发生降雹之前，其值有一个快速从正变负、负值区变大的过程，表明云内部出现了相态为椭球状或锥球状的冰雹粒子，冰雹粒子数快速增加。

KDP为差分传播相移,反映了各种偏振参量在传播途径上,由于传播系数不同所导致相位的变化，值的大小反映出液态含水量的多少，而液态水和冰雹的取值范围有较大的区别，有研究表明[3]，KDP的大小和降水强度成正比，而冰雹粒子区域的KDP比较小，接近于零。从图3c可以看到云内存在0.1～0.3(°)/km之间和1.0～4.0(°)/km的区域，因此云中既存在着冰雹粒子，也存在雨滴，与地面观测到的雨中夹雹的现象相吻合。

ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波之间的零滞后相关系数，反映云水粒子前后形状和尺寸，降雨和干雪的水平和垂直信号相关性较好，因此，ρhv值较大时(>0.98)对应的是降雨和干雪;ρhv值相对较小时，对应的是融化层中冰雹和湿雪，图3d可以看到ρhv在0.85～0.98之间，属于湿雹或湿雪粒子的取值区间。

(a)水平反射率ZH (b)差分反射率ZDR

(c)差分传播相移KDP (d)相关系数ρhv图3 2017年4月16日修文六屯和久长冰雹云回波偏振参量Fig.3 Polarization parameters of Hail cloud echo in Xiuwen Liutun and Jiuchang on April 16,2017

4 基于多普勒雷达和双偏振雷达的冰雹识别

4.1 基于多普勒雷达的冰雹识别

以多普勒雷达为基础的贵州春季冰雹云识别指标是从大量的历史冰雹个例统计分析得出的，该指标在我省从国家人影中心引进的云降水精细化分析系统(CPAS)中运用：

①雷达回波强度在45 dBz以上；

②回波顶高在8 km以上，降雹前有明显增高的现象；

③降雹垂直累积液态水含量VIL出现陡增现象；

④ 45 dBz回波在0 ℃层高度以上，发展到对流云中上部时，可能发生冰雹；超过-20 ℃层高度时，将有大冰雹发生的可能。

2017年4月16日修文六屯和久长在15时48-49分降雹，贵阳多普勒雷达在15时15分发现了初生回波并发展(图4中红圈中为对应的冰雹云回波)，图4a，在15时26分，根据上述指标识别该对流云为冰雹云：从图4c可以看到，此时雷达组合反射率因子在45 dBz以上，从垂直剖面图6a可知回波顶高发展到8 km，从图5 VIL演变的情况来看，垂直累积液态水含量出现陡增现象，从4月16日贵阳08时探空资料得到的0 ℃层和-20 ℃层分别为4 830 m和7 260 m，均满足各项，因此认为15时26分该对流单体为冰雹云。

图4 4月16日冰雹发生、发展、降雹的雷达回波Fig.4 Radar echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

图5 4月16日冰雹发生、发展、降雹的VIL演变Fig.5 The evolution of hail formation,development,and falling on April 16th

图6 4月16日冰雹识别、降雹时的垂直结构Fig.6 The vertical structure of hail detection and falling on April 16th

4.2 基于双偏振雷达的冰雹识别

与此同时，位于清镇的X波段双偏振雷达也进行了观测和识别，采用的是模糊逻辑相态识别(FHC)[5]，将雷达观测参数矩阵X通过一定的转换方式转换为降水粒子类型矩阵Y。X和Y之间的关系可以采用隶属函数的方式来建立(具体方法略),最后输出小雨、小雹、干雪等14种粒子识别类型。15时15分偏振雷达发现了该回波的生成(图7～图8中红圈中为对应的冰雹云回波偏振参量)，15时21分用基于偏振雷达的冰雹微物理模型指标，通过X波段双偏振雷达冰雹云监测预警系统，识别该对流单体为冰雹云，从图8a中可以看到，此时云体中出现了冰水混合物和小冰雹。半个小时后，根据实际观测，15时48-49分，修文县久长镇降雹，密度为7粒/m2，半径为2 mm，双偏振临近的一个观测时次15时51分也识别出云体内的冰水混合物和小冰雹(图8b)，与实际降雹时间、地点、冰雹大小相吻合。

图7 4月16日冰雹发生、发展、降雹的双偏振雷达回波Fig.7 The DPR echoes of hail formation,development,and landing on April 16th

图8 4月16日冰雹识别,a:15时21分,b:15时51分Fig.8 The hail detection on April 16th,a:15∶21,b:15∶51

5 结论

①高空槽和地面冷锋的共同影响，冷暖气流在贵州交汇，有利于强对流的生成。大气不稳定条件和水汽的下湿上干的配置是导致本次冰雹过程的主要原因。

②通过对2017年4月16日这次降雹过程分析，X波段双偏振雷达能够较好的反映冰雹云的回波特征，在降雹时的偏振参量ZH达到了55 dBz，强回波中心对应的区域ZDR值出现了0～-2的负值区，KDP在-0.1～0.3(°)/km之间和1.0～4.0(°)/km的区域，ρHV在0.85～0.98之间；

③从基于多普勒雷达和双偏振雷达的冰雹识别对比可以发现，两种方法都识别出该对流单体为冰雹云，多普勒雷达对冰雹云的判断主要是基于云体的宏观特征，如回波强度大小、回波顶高、强回波中心的位置等，双偏振雷达则注重于云内粒子的形态；从识别的时间来看，双偏振雷达提早5 min识别出冰雹云，这对于人工防雹作业是非常重要的，但这仅是一次个例，实效性还有待在未来的工作中积累大量的个例来验证。