基于一次降水转换过程的单、双偏振雷达对比分析

摘 要：利用ERA5再分析资料及常规观测资料、单偏振雷达、双偏振雷达等观测资料，分析2022年11月11日—12日长春市一次雨雪转换天气的降水相态演变特征，以及单偏振雷达和双偏振雷达的对比分析。结果表明：单偏振雷达比双偏振雷达的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，单偏振雷达受非气象回波干扰较多，不能较好地判断回波的强度和落区；单偏振雷达的产品数据在210°～240°区域存在明显遮挡；双偏振雷达的分差反射率和粒子分类产品可以较准确地反映降水相态，分差反射率的大值区与反射率因子大值区重合，是降水落区的存在。差分传播相移和差分传播相移率变化趋势与降水量变化基本一致，在降水加强时出现跃增现象，且提前于降水量变化20～30 min，对降水强度的增强具有提前指示意义。

关键词：单偏振雷达；双偏振雷达；降水相态

中图分类号：P412.25 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

降水相态是东北地区秋冬和冬春过渡季节降水预报的重要因素之一，相同的降水量，出现降水和出现降雪造成的影响截然不同[1]。降水相态及其转换时间预报是天气预报的难点和重点，有关雨雪相态转换的研究由来已久，并已取得一定的研究成果[2-9]。冬季水凝物粒子与夏季粒子在偏振参量特征上差别较大，且冬季小雨、雪等粒子偏振参量特征相近，因此识别难度较大。当前，利用双线偏振雷达观测冬季降雪过程的研究较少，东北区域关于此方面的研究几乎是空

白[10-13]。因此，以吉林省长春市一次雨雪转换天气为研究对象，研究其降水相态演变特征及对比分析单偏振雷达和双偏振雷达，具有重要的现实意义。

1 资料来源

欧洲中期天气预报中心提供的ERA5再分析数据。其时间间隔为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，该数据资料用于环流背景和物理量诊断。

地面小时常规观测资料。该资料用于分析研究时段的小时降水量和地面温度。

天擎小时雨雪实况资。该资料用于分析研究时段研究区域的降水相态。

单偏振、双偏振雷达的基本反射率、双偏振参量等的PUP数据。该资料用于分析降水过程的雷达数据特征及对比分析单偏振和双偏振雷达基本反射率特征。

2 天气实况与环流背景

2.1 天气实况

2022年11月11日07：00—11月12日19：00，长春市出现了从液态到混合态再到固态降水的天气过程。从图1可知，降水主要集中在11日21：00—12日19：00，

其中长春站和双阳站降水量较多，达到30 mm以上，公主岭最少，仅有3.3 mm。

图1" 2022年11月11日07：00—12日19：00长春市降水量

从吉林省小时雨雪实况（图2）可以看出，11月12日02：00前，长春市的降水相态，以雨为主；04：00开始，长春市的降水相态以雪为主。根据时间分布来看，此次降水过程以混合态降水和固态降水为主。

2.2 天气形势分析

11月11日20：00，500 hPa高空槽在巴湖，吉林省位于槽前，850 hPa切变线位于吉林省西部；12日

03：00，高空槽东移，切边线位于吉林省的中部地区。11日19：00，850 hPa比湿值在6 g/kg左右。综上，此次降水受高空槽和低空切变线的影响，同时，配合较好的水汽和上升运动。

3 雷达资料分析

3.1 对比分析单偏振雷达与双偏振雷达产品特征

3.1.1 不同仰角基本反射率产品对比

基于Rose 2.0对2022年11月11日21：18双偏振雷达水平基本反射率和单偏振基本反射率的0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°、6.0°6个不同仰角的基本反射率分析可知，同一块雷达降水回波在0.5°（图3红圈内）和1.5°仰角单偏振雷达比双偏振雷达的基本反射率值偏高，平均高5 dBz；在2.4°、3.3°仰角时，该回波在双偏振雷达基本反射率产品中已经不明显，而在单偏振雷达的基本反射率产品中仍可以看到20 dBz以上的回波；在4.3°和6.0°仰角时，单偏振雷达基本反射率产品中基本看不到回波，而在双偏振雷达的基本反射率产品上仍可以看到20 dBz的回波。同时，从0.5°和1.5°的低仰角基本反射率产品可以看出，单偏振雷达受低空非气象回波的干扰较多，导致不能较好地判断回波的强度和落区，而双偏振雷达能够较好地反映雷达回波强度和落区。

a.02：00；b.04：00

图2" 2022年11月12日吉林省小时雨雪实况

a.单偏振雷达；b.双偏振雷达

图3" 0.5°仰角基本反射率

3.1.2 单偏振雷达和双偏振雷达遮挡情况对比

对比分析2022年11月12日多时刻的双偏振雷达和单偏振雷达的0.5°基本反射率，以及1 h累计降水量可知，单偏振雷达的产品数据在210°～240°区域存在明显遮挡，导致回波到达此区域后无法较准确地分析回波的强度和落区，而双偏振雷达不存在遮挡问题，可以清晰地看到回波的强度和落区。

3.2 双偏振产品数据分析

3.2.1 基本反射率与质控后的基本反射率

对比降水集中时段的19（公司出厂的基本反射率产品）和019（经过进一步质控后的基本反射率产品），

19的显示范围为75 km，距离分辨率为300 m（图4a），

019的显示范围为199 km，距离分辨率为150 m（图4b），

表明经过质控后的数据不仅测距范围大，且在同一方向上两个大小相等点目标之间的最小可区分距离小。由于测距范围大，019能够全面观察降水回波的变化，19可以更精细地分析长春市区降水回波情况。

3.2.2 差分反射率

差分反射率（ZDR）与粒子的形状密切相关，分析12日12：52的差分反射率产品可知，长春市的差分反射率为0～-3 dB，此时的降水粒子形态为椭球形，绝对值越大则形状越尖，在降水相态上表现为干雪，水平基本反射率大值区与差分反射率的大值区基本对应。

3.2.3 相关系数

相关系数（CC）可用于识别气象回波、非气象回波及降水相态。冰雹和湿雪的CC值为0.80～0.97；纯雨和纯雪的CC值＞0.97；HCL中的湿雪区域对应的CC值较小，基本在0.80～0.97；100～150 km距离圈内的纯雪区对应的CC值均较大，基本＞0.97。此外，低空靠近雷达50 km距离圈内的纯雨，在12日11：44的2.4°仰角相关系数产品图中可以看到明显的零度层环，与同时刻的基本反射率中的零度层亮带对应。

图4" 2022年11月12日09：56 19（a）和019（b）基本反射率

3.2.4 差分传播相移、差分传播相移率

差分传播相移（φDP）与传播距离有关，与粒子在水平、垂直方向的大小有关，与粒子的疏密度有关，对精确降水估计很有效，对雷达的标校、衰减和波束部分阻挡不敏感，差分相移突然增大的区域表明降水回波有变强的趋势。而差分传播相移率（KDP）与传播距离无关，与粒子在水平垂直方向的大小有关，与粒子数密度有关，反映降水回波中的纯液态含水量。

这两个参量均可以提高降水强度的估测，例如，在08：19的基本反射率图（图略）中圈出部分没有较强的回波，在同时刻的φDP产品图（图略）中圈中区域存在明显增大的区域，KDP产品在第二和第三象限内存在正值区域，表明两个区域内回波中有液态水存在，在08：53的基本反射率雷达的第三四象限内存在两个较强降水回波区，相对应φDP和KDP产品同样位置也存在同样增强的大值区。

综上所述，差分传播相移和差分传播相移率增强与降水强度的加强存在正相关关系，且具有超前指示意义。

4 结论

（1）单偏振雷达比双偏振雷达的基本反射率值偏高，在低仰角基本反射率，单偏振雷达受非气象回波干扰较多，不能较好地判断回波的强度和落区。单偏振雷达的产品数据在210°～240°区域存在明显遮挡。

（2）双偏振雷达的HCL、CC、ZDR产品可以较准确地反映降水相态，ZDR的大值区与反射率因子大值区重合，存在较强降水落区。同时，CC和HCL可以反映出零度层亮带。

（3）φDP和KDP变化趋势与降水量变化基本一致，

在降水加强时出现跃增现象，且提前降水量变化20～

30 min，对降水强度的增强具有提前指示意义。

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收稿日期：2024-07-09

作者简介：解彦维（1990—），男，吉林长春人，高级工程师，研究方向为气象科学。