基于双偏振雷达产品人工防雹作业指标研究

陈熙航 王然 罗小杰 褚云江 郑皎

收稿日期：2023-12-10

基金项目：红河州气象局科技项目（项目编号HK202310）。

作者简介：陈熙航（1990—），男，云南泸西人，助理工程师，主要从事人工影响天气研究工作。#通信作者：郑皎（1973—），Email：hhmzzj@126.com。

摘 要：利用红河多普勒双偏振雷达资料，分析2020—2022年红河州14个冰雹个例，反演出冰雹发生前雷达的各类参数及变化特征，提取降雹前30 min、18 min雷达特征指标，为人工防雹作业精准指挥提供科学支撑。结果表明：常规雷达参量指标出现ZH≥51 dBz，TOPS≥8.3 km，VIL跃增量≥12 kg/m2，“TBSS”等特征时，可作为出现冰雹的判别指标；当双偏振雷达参量ZDR值接近于0 dB，且符合高Zh、低ZDR特征，KDP值小于1°/㎞，CC值在0.85～0.95之间，可作为冰雹预报的指标。对HDR检验结果表明，降雹前30 min、18 min预报的准确率均很高，可作为冰雹重要判别指标来使用。

关键词：人工防雹；双偏振雷达；指标

中图分类号：P412.25 文献标识码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

红河州位于云南南部，地处云贵高原，是昆明准静止锋影响最大的地区，地形地貌复杂，春夏季冷暖气流在红河州交汇，特殊的地理位置和气候造成了红河州春夏季冰雹灾害频发，给露天生长的经济作物造成了巨大损失。目前，人工防雹是减轻冰雹灾害的有效手段，即在冰雹云出现早期对其进行有效识别，在冰雹云特征明显之前进行人工防雹作业。

我国有许多学者对人工防雹作业进行了研究。金毅仁等[1]结合基层防雹实践经验，反推出冰雹的物理模型和数值模型。崔红等[2]利用雷达资料建立了吉林省的防雹作业条件指标，提升了冰雹云的识别率。王莎等[3]对冀东地区的冰雹云多普勒雷达参数特征进行了分析总结，提取了各种参数与冰雹发生时的关系。

随着科学技术的发展，双偏振雷达成了观测冰雹云主要工具。双偏振雷达通过发射水平、垂直两种正交线极化波束，能提供的双偏振产品包括差分反射率（ZDR）、差分相位（φDP）、差分相移率（KDP）和相关系数（CC），利用这些双偏振产品可以监测云中降水粒子的微物理特征和识别云中粒子的相态，得到降水粒子大小、密度、形状、空间取向等相态信息。前期，红河州降雹作业指挥主要依靠云南省雷达拼图，在雷达不能覆盖的地区，主要靠人工识别冰雹云，作业指挥效率不高。红河州新一代双偏振天气雷达在2019年11月建成，2020年正式投入使用，是云南省第一部C波段双偏振雷达。当前，红河州还未开展冰雹云有效识别及预警方面的研究，尚未建立本地客观定量化的识别技术和作业判别指标，人工防雹作业的盲目性

较大[4-5]。

对2020—2022年红河州出现的所有冰雹过程进行分析统计，剔出受静锥区等原因影响雷达探测完整性的个例，遴选出14个冰雹个例，运用天气学、统计学方法研究了降雹前雷达常规参量和双偏振雷达参量等特征，提取降雹前30 min和18 min雷达特征指标。冰雹特征指标的建立和应用能大幅提升红河州人工防雹作业指挥水平，增强了作业的针对性和精准度。

1 资料选取

1.1 冰雹个例来源

以红河C波段双偏振新一代天气雷达站为中心，观测半径在20～150 km范围内，选取2020—2022年出现的冰雹直径大于5 mm的14次冰雹天气过程（表1）。雷达基本参数如下：天线馈源海拔2 491 m，雷达波长5.5 cm，采用水平、垂直双极化方式，强度监测≥

400 km，双偏振测量≥150 km，采用VCP21观测模式，数据平均间隔为6 min。冰雹灾情资料取自云南省灾情直报系统。

1.2 雷达产品

选取某一地点，以离降雹发生时最接近的体扫为基准，向前推3个雷达体扫为降雹前18 min，向前推5个体扫为降雹前30 min的雷达数据。雷达数据采用红河雷达站观测到的基数据，通过北京敏视达公司提供的RPG和PUP程序进行回放，利用相关产品进行冰雹特征识别，包括常规雷达参量：水平反射率因子（ZH）、回波顶高（TOPS）、垂直累积液态水含量（VIL）；双偏振参量：差分反射率因子ZDR、差分相位常数KDP、相关系数CC；利用SCIT算法得到的冰雹指数HI产品和风暴结构SS产品。

2 雷达产品特征分析

2.1 常规雷达参量特征

通过对14个冰雹个例的ZH分析发现（表1），降雹前30 min，有11个个例出现雹云回波，ZH中心强度最小52 dBz，最大66 dBz，平均59 dBz。降雹前18 min，有13个个例出现雹云回波，中心强度最小51 dBz，最大66 dBz，平均61 dBz。有1个个例捕捉到雹云回波时距降雹仅为12 min，中心最大强度44 dBz。从统计来看，降雹前30 min、18 min漏测率分别为21.4%、7.1%，2个时段雹云回波中心强度变化不明显，ZH≥51 dBz可作为降雹的判别指标。

从回波顶高TOPS来看，均超过-20 ℃层高度，降雹前30 min和18 mim无明显变化。前30 min最高19.2 km，最低8.3 km，平均12.1 km。前18 min最高15.7 km，最低8.4 km，平均12.3 km。回波顶高TOPS≥8.3 km，

且超过-20 ℃层高度可作为降雹的判别指标。

从垂直累积液态水含量（VIL）来看，除2次冬季降雹过程外，其余12次均在降雹前30 min内出现跃增，最大跃增量达32 kg/m2，最小12 kg/m2。在14个个例中，共有2次冬季降雹过程，均表现为垂直累积液态水相对较小且未出现显著跃增。垂直累积液态水含量跃增量≥12 kg/m2可作为春夏季降雹的判别指标。

有研究证明[6]，“TBSS”是降雹的充分条件。本研究14个冰雹样本中，有10次提前出现了“TBSS”，出现率为71.4%，其中提前量最大为60 min，最小12 min。

是否出现“TBSS”可作为降雹的主要判别指标。

2.2 双偏振雷达参量特征

常规多普勒天气雷达无法通过回波强度和径向速度特征来区别不同相态的降水粒子，而双线偏振雷达通过发射水平、垂直两种正交线极化波束，得到丰富的雷达偏振参量[7]，利用双偏振参量实现对冰雹生消的有效监测并建立判别指标，对制定相对有效的作业方案，提高作业效率具有重要意义。

2.2.1 差分反射率因子（ZDR）

ZDR反映降水粒子偏离球形的情况，同时反映粒子群体在空间的取向情况，利用高ZH 、低ZDR的特性可区分和判别云内水成物粒子的相态[8-9]。通常情况下冰雹由于翻转作用，总体效果接近球形，ZDR值接近于

0 dB，通过对14个冰雹个例的分析可以看出，降雹前30 min ZDR接近0 dB（±1之间）的概率为54.5%，前

18 min为53.8%，基本符合高Zh 、低ZDR的特征。

从统计来看，降雹前30 min和18 min ZDR最大值为6.51 dB，最小值为-2.65 dB，表现出较大的波动性。主要原因有2个方面，一是强烈的上升气流将低层液滴和表面融化的冰雹带到高层，使粒子含水量和扁平程度增大，降落到融化层后形成外包水膜的大冰雹或大雨滴，在大冰雹周围存在大量较小的湿雹或大雨滴，呈更扁的椭球形，会造成ZDR异常值；二是由于C波段雷达衰减特性及冰雹粒子的大小不均匀等因素造成，需进一步研究和细化。

2.2.2 差分相位常数（KDP）

KDP是表征不同偏振分量在传播路径上，因传播系数不同引起的相位变化。KDP的大小能反映出液态含水量的多少、较大水滴聚集区，且不受强度标定和部分阻挡的影响，实际工作中常用来判别强降水和上升气流，冰雹表面越湿则KDP值越大[10-11]。

分析14个冰雹个例可知，降雹前30 min KDP值最大值4.59°/km，最小值-0.05°/km，小于1°/km占72.7%。降雹前18 min KDP值最大1.3 °/km，最小值-0.07°/km，

小于1°/km占84.6%。从统计结果可看出：冰雹的KDP值通常小于1°/km，表现为干冰雹，当KDP值异常大时，可考虑为融化的湿冰雹。它的局限性在于当CC＜0.８时不进行计算，因此会出现KDP空洞。

2.2.3 相关系数（CC）

CC主要用于描述水平和垂直偏振回波信号变化的幅相一致性，CC的大小与粒子的轴化、倾斜角、形状不规则性以及相态有关。通常情况下，降水粒子均匀性和相关性较好，CC值接近1.0，混合水凝物因粒子形态呈现多样性，相关性明显偏弱，小冰雹CC值一般在0.90～0.95，大冰雹和冰水混合区CC值低于0.9，但一般都在0.85以上[12]。

分析14个个例可知，降雹前30～6 min，观测到CC值出现明显变化（0.85～0.95）的占78.63%，其中有2个个例前6 min才出现，占18.2%，其余均在前30至12 min出现。从统计结果可以看出，当冰雹和大雨滴混合时，ZDR难以区分，而0.85≤CC≤0.95可作为判断是否存在冰雹的可用指标。

3 人工防雹判别指标（HDR）

研究发现，ZDR与粒子大小和形状的扁圆程度紧密相关，液态水的ZDR值通常大于0 dB，变化范围在0～4 dB，与水平反射率因子ZH呈正相关[13-14]。与周围雨区相比，冰雹的ZDR值则趋近于0 dB，高ZH 、低ZDR是冰雹存在的主要特征[15-16]。根据这一结果，提出用参量HDR=ZH（dBz）-f（ZDR）来判断冰雹区，当HDR＞0时，认为有冰雹区存在，其中f（ZDR）取值见下式：

通过对14个冰雹个例HDR进行检验，降雹前30 min，

均满足HDR＞0，准确率为100%，降雹前18 min，准确率92.8%。

4 结论

分析2020—2022年红河州出现的14个冰雹个例常规雷达参数、双偏振雷达参数、冰雹指数HI产品和风暴结构SS产品，得出冰雹发生前的雷达参数指标和变化特征，为红河州人工防雹作业指挥提供可用性指标。

（1）降雹前30 min预警指标可为人工防雹作业提供宝贵的准备时间，降雹前18 min预警指标可为人工防雹作业进入实战状态提供精准指导。

（2）规雷达产品指标：ZH≥51dBz，回波顶高TOPS

≥8.3 km，且超过-20 ℃层高度，垂直累积液态水含量VIL跃增量≥12 kg/m2，是否出现“TBSS”可作为是否出现冰雹的判别指标。“BWER”“钩状回波”“旁瓣回波”“V形缺口”等雷达回波特征的出现能进一步判别出现降雹和大风的可能性。

（3）双偏振雷达产品指标：ZDR值接近于0 dB，且符合高Zh 、低ZDR特征，KDP值通常小于1°/km，CC值出现明显变化，且满足0.85≤CC≤0.95，可作为冰雹预报指标。

（4）HDR判别冰雹在降雹前30 min、18 min准确率均较高，可作为人工防雹的重要指标。

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