广州两次降水的双偏振雷达回波特征分析

郑钟尧 傅 超 牟凤军 崔 倩

（沧州市气象局，河北 沧州061001）

双偏振雷达与目前业务普遍应用的多普勒天气雷达相比，不仅能同样获取到目标物的回波强度，还能测得偏振参数包括差分反射率因子Zdr、差分传播相移率Kdp、相关系数CC 等新的独立变量，获得表征目标物的更多信息。这对于提高雷达在识别和消除地物杂波、识别降水类型、识别零度层亮带、分辨降水相态等方面更有优势。

双偏振雷达是未来天气雷达的发展趋势，研究双偏振雷达在识别降水等方面的应用具有重要意义。现有数据表明，双偏振雷达对对流性降水有较好的指示作用，随着我国越来越多的双偏振雷达投入业务运行，气象部门对对流性天气系统的监视和预警能力将大大提高[1-3]。我国正在进行对现有的多普勒天气雷达升级改造，后续新建雷达也均为双偏振雷达，从2015 年开始，广东省先后通过新建、升级改造的方式，在华南地区增加了多部业务运行的双偏振雷达，在全国双偏振雷达的应用中排在前列[4]。

本文利用广州的双偏振雷达，选取2016 年5 月广东省两次典型天气过程，利用常规观测资料分析两次过程降水实况，结合双偏振雷达典型偏振参量推断降水粒子属性，以期更好地了解双偏振雷达的探测性能，为其他地区后续改造成双偏振雷达的业务应用提供更多参考资料。

图1 2016 年5 月9 日20:48 广州双偏振雷达0.48 度仰角Z、Zdr、Kdp、CC 产品

1 5.9-5.10 广州暴雨天气过程

1.1 天气实况及背景分析

2016 年5 月9-10 日，广东省大部分地区出现了暴雨并有局部大暴雨，部分地区伴有8-9 级雷雨大风、短时强降水等强对流天气。广州南沙区东涌镇最大1 小时雨量达到93 毫米。受这一过程影响，珠三角多个地市出现了城市内涝，广州、东莞、深圳内涝严重，多地出现积水。5 月8 日20 时500hPa 中高纬为两槽一脊型，从贵州北部到两广交界处有一短波槽，温度槽落后高度槽，冷平流明显。副热带高压稳定控制在华南南部，为华南上空带来西南暖湿气流。9 日08 时，高空槽继续东移，广东处于槽前部，此时850hPa 切变线图中可以看到贵州南部和广西东北部附近存在一东西方向的切变线，以后低空切变线东移南压，冷暖气流在切变线以南交汇，低层有强烈辐合，给广东大范围降雨创造了有利条件。

1.2 雷达回波演变

从雷达回波的演变可以看出广东此次降水从5 月9 日白天开始，移入广东的强回波合并发展成弓形，最大反射率因子达到55dBz 以上，此后强回波中心位置没有发生太大变化且逐渐分散成小的回波单体，强回波不断在广西与湖南交界处生成，并往东南方向移入华南地区，强降水持续到12 时。5 月9 日-10日，广东省自西北向东南再一次出现大雨到局部大暴雨。分散的对流单体在两广附近生成并合并成弓形回波并向东南方向移动，19:36 强回波单体到达广州中部并不断发展，直到10 日2:00 回波开始向东南方向逐渐移出。特点是每个强回波单体持续时间较短，回波不连续，广东西北部不断有新的、分散的对流单体生成并移入广东，强回波中心强度达到55dBz，给广东局部带来对流性降水天气。

1.3 双偏振回波特征分析

选取20:48 的双偏振雷达产品，此时回波正发展强盛，如图1。从反射率因子可看出弓形回波已经影响广东中部（A 区域）地区，回波强度达50dBz 以上，广东东北部（B 区域）也存在一块较大范围的对流性降水回波，中心强度达30dBz。可以分析出A 地区有大雨或冰雹，B 地区也有对流性降水。

结合其他偏振参量可知，A 区域Zdr 也呈带状分布，强度在2dB 以上；Kdp 在1.5deg/km 左右，CC 在该区域达到0.97 以上。A 处的Zdr 为正值且较大，说明降水粒子呈非球形，CC 接近1，也可以说明A 区域有降水、无冰雹，Kdp 虽大于1deg/km，但在含有未融化完冰晶的大雨滴时也可达到较大值，从Kdp 上难以判断降水粒子的类型。B 区域Zdr 在0.0-1.0 之间，Kdp 在0.1deg/km 之间，CC 在0.96 以上。当小冰雹和雨滴共存时，Zdr可以表现为较小的正值，但结合Z 值不高而CC 较高可以排除小冰雹的存在。所以B 处判断为对流性的中雨。

2 5.15 广东飑线天气过程

2.1 天气实况及背景分析

2016 年5 月15 日广东地区自西北向东南出现了一次飑线过程。过程伴随中到大雨、局地暴雨，并伴随有雷电、短时大风等强对流天气。5 月16 日08 时24 小时降水量显示，广东省有19 个测站降雨量超过25mm。受高空槽、冷空气和切变线共同影响，此次飑线过程风强雨大，移速较快。5 月15 日08 时500hPa高空图上我国东北地区经华北到江淮流域有一低槽，温度槽落后于高度槽，有正涡度平流有利于槽的发展，广东省位于槽底前部。四川盆地南部存在一伴随明显辐合的冷式切变，在高空槽的引导下缓慢东移，中高层有干冷空气南下。对比同时次的低层风向，可看出广州大部分地区都处于较强的垂直风切变环境中，有利于对流的发展。

2.2 飑线回波演变

图2 2016 年5 月15 日9:48 广州双偏振雷达Z、Zdr、Kdp、CC 产品（a）0.480 仰角；（b）2.410 仰角

5 月15 日5:30，广州双偏振雷达回波图上出现了很多孤立的对流单体及具有层状云降水特征的回波，对流单体多分布在湖南西部、广西北部，有小部分回波中心强度可达55dBz。广东南部有零星对流单体生成，这些单体逐渐发展合并，最终形成一个东北- 西南走向的带状结构回波。8:30 已经形成飑线型弓形回波结构，并开始移入广东地区。回波带范围超过100km，中心强度达55dBz，分析径向速度可知，飑线后部存在急流，最大风速达20m/s，飑线位于零线附近，谱宽图上可以清楚看到辐合区边界。9:30 飑线已移至广东省中部，之前分别位于广西东部和湖南南部回波强度较强的两条带状回波已经合并，此时飑线长度超过300km。在飑线后方存在一定面积的层状云降水区，此时飑线处于强盛阶段，飑线强度总体维持不变。

2.3 双线偏振参数回波特征

从5 月15 日9:48 反射率因子产品可以看出飑线呈东北-西南走向横扫广东大部分地区，强回波达50dBz 以上，由回波强度可以分析出强回波所在红色带状区域有大雨或暴雨，有降雹可能。结合其它偏振参量可知，带状回波相同位置上Zdr 也呈带状分布，范围相对较小，在测站西南方向的带状回波的Zdr 可达2dB, 在雷达测站周围的Zdr 值分布较为分散，在1.0-2.0dB 之间。Zdr 均为正值，可以排除大冰雹的发生。Kdp 在1.5deg/km 左右，CC 在该区域达到0.97 以上，所以判断飑线所在地区没有发生冰雹，图2（a）是0.480仰角对应的四种产品，但测量的高度距离地面较近，为进一步分析该过程的空间结构，分析了2.410仰角层对应的回波。从2.410仰角强度图中可以看到在飑线后部还有一处强回波，位于广东与湖南的交界处（A 处），回波强度达45dBz 以上，而低仰角层此处的回波强度只有30dBz 左右。Zdr在此处为1.5-2.0dB，Kdp 大约为1.0deg/km，CC 与周围相比较低，为0.94，这些在0.480的回波图上都是不明显的。A 处在较高的高度时CC 较低，而回波强度较高，说明此处降水粒子相态不单一，可能为融化过程中的冰水混合物，较高高度的小冰雹或冰晶在下落过程中受热融化，转换为外包一定厚度的水膜，有的可能已经完全转化为液态降水，在下落过程中由于粒子的碰并聚合作用而造成尺度增加，或外包水膜的冰晶，它们均使得Zdr 增大，Kdp 也较高，而CC 较低。通过这些偏振参量可以推断出降水粒子在不同高度的相态不同，这是常规基数据参量无法做到的。

3 结论

结合对以上两个过程的分析，可以得到以下结论：

3.1 两次对流性天气强度大、影响范围广，均给广东地区带来了暴雨、雷电大风等灾害性天气。在双偏振雷达特征方面，不同的降水粒子对于双偏振雷达发射的水平和垂直两种偏振状态的电磁波的散射特性会有差异，根据偏振参量的特点能够判断出粒子的大小、形状、密度等信息，较常规天气雷达而言能够更好地识别冰雹、雨夹雪等这些存在混合相态的降水粒子。从“5.15 飑线过程”不同高度偏振参量的差异可推断出降水过程中高层可能存在外包水膜的小冰晶，在下落过程中逐渐融化，这是目前常规新一代天气雷达资料无法分析出来的。

3.2 偏振参量中差分反射率因子Zdr 可以用来辅助分析降水粒子的形状，Zdr 是识别效果最好的偏振参量。差分传播相移率Kdp 可以用来辅助分析不同相态粒子的含量。相关系数CC用来辅助判断地物和降水回波。多普勒参数是利用雷达识别降水天气系统的基本数据，但较为粗糙，例如暴雨和冰雹难以区分。双偏振雷达得到的几个偏振参量每一个都对降水粒子的相态识别上有贡献，但也无法单独使用。只有偏振参量和基数据参量结合起来识别降水的效果才最好。