通过两次天气过程分析双偏振雷达回波垂直剖面特征

论文总字数：22110字

目 录

摘要 3

关键词：双线偏振雷达，差分反射率因子，垂直剖面 4

1 引言 4

1.1 研究意义 4

1.2 国内外进展 4

1.3 问题的提出 5

1.4 本文的研究内容 5

2 双偏振雷达资料简介 6

2.1 雷达的主要参数及其特点 6

2.2 水平雷达反射率因子ZH单位：（dBz) 7

2.3 差分反射率因子ZDR(单位：dB) 7

2.4 水凝物的ZDR阈值 8

2.5 多普勒径向速度回波的识别和分析原则 9

2.6 RHI的分析原则 10

2.7 几类降水回波RHI特征 11

3 2018年1月2日-4日雨-雪过程分析 12

3.1 雨-雪过程天气的背景简介 12

3.2 降雨过程的大气结构特点 15

3.3 降雪过程的大气结构特点 20

4 2018年4月13日降雨过程分析 26

4.1 降雨过程天气背景简介 26

4.2降雨过程天气结构分析 28

5 结论 33

5.1 利用RHI回波分析不同高度上的水凝物转换 33

5.2 偏振参量ZDR的分析 34

5.3 降过程雨和降雪过程的ZDR回波对比 34

5.4 三次降水过程对比分析 34

双偏振雷达回波垂直剖面特征

李彦平

，China

Abstract：In order to explore the characteristics of echoes reflected on the dual-polarized radar vertical profile RHI through in-depth exploration of different weather phenomena,combining PPI Echo Features,microphysical characteristics of dual polarized radar echo structure are studied,this article uses the C-band dual-polarization full-coherent pulsed-Doppler weather radar from Nanjing University of Information Science and Technology (abbreviated as NUIST C-Pol Radar),focusing on the radar data of the weather process from January 2 to April 4 and April 13, 2018,combined with radar echo data and sounding data,echo vertical profile characteristics were studied.Z_DR is a very important polarization parameter in radar echoes,it contains special weather phenomena in the clouds,but only in combination with radial velocity, velocity spectrum width and reflectivity factor,the specific weather process can be analyzed exactly.The results show:In the Z_DR vertical echo diagram,in addition to the zero degree bright band,it can also be seen that there is a strong echo zone in the ice layer above the bright zone of the zero degree zone,with the zero-threshold bright band as the dividing line,the regions with stronger echoes below the bright zone correspond to the raindrops in the cloud where the hydrogel particles are liquid;the strong echo region above the bright band corresponds to the solid snow particles or ice crystal particles in the cloud layer.According to comparison,in the course of rainfall, Z_DR strong echoes above zero light,is a radar band in the precipitation layer,corresponding to the growth process of ice crystals,it is a ZDR strong echo zone caused by non-spherical ice crystal particles in the cloud.

Key words：Dual-polarization radar,Differential reflectance factor,Vertical profile

1 引言

1.1 研究意义

双线偏振多普勒雷达具有测量两个偏振方向上回波功率的功能，它可以同时或交替发射垂直、水平两种线偏振波，获得两个方向的回波信息，既能探测到常规天气雷达的三要素（强度、速度、谱宽），还可获得多个雷达偏振参量（差分反射率因子、差分传播相移、差分传播相位常数、相关系数）。相比于常规多普勒天气雷达，双偏振天气雷达拥有更高的探测精度，能提供更多的物理参量，提升灾害性天气监测预警能力^[10]。

1.2 国内外进展

Ryzhkov^[1]等研究发现，用Z_DR定量估测降水时，0.2dB的Z_DR误差会导致18％降水估测误差；国外很多学者利用垂直天顶扫描、太阳标定法和气象回波法等对Z_DR进行系统误差订正^[2]；Giangrande^[3]等依据毛毛雨及干雪的Z_DR近似为零，对Z_DR进行系统误差订正。我国从80年代开始双偏振雷达的理论研究^[2]；在国内，吴林林^[4]根据差分传播相移确定毛毛雨区域，采用自然目标物法（毛毛雨）订正Z_DR系统误差，经过订正后Z_DR数据质量得到显著提升^[2]；胡志群^[5]等对比分析了不同Z_DR系统误差标定方法，结果表明微雨滴法是订正Z_DR系统误差最好的方法^[2]；高度与时间格式的准垂直简介QVPs通过多种S波段、C波段、X波段以及双极化雷达在海拔范围从6.4°到28°的QVPs的例子说明了其本身技术的优势^[6]；信噪比SNR是影响双偏振参数的一个重要指标，在小信号时，受硬件条件影响，两个通道的一致性往往得不到很好的保证，造成Z_DR测量偏差，当通道SNR降到20 dB( － 90 dBm) 以后，两个通道的差值上下波动很大，说明在小信号时Z_DR很不稳定，测得的值不可信，在实际业务中将信噪比 ＞ 20 dB 作为双偏振量可用的阈值^[7];毛毛雨等弱回波Z_DR近似为零，如果能确定毛毛雨等区域，它的Z_DR值就可以认定为是Z_DR的系统误差。可以使用Φ_DP增量这个参数来寻找降水粒子中的Z_DR近似于零的小雨滴^[7];Z_DR的标定方法中，太阳法由于偏振雷达水平与垂直方向两个接收机在较弱的信号下很难保持一致性，目前实际应用比较困难; 垂直指向法要求雷达天线必须达到90°仰角，机械上有所制约; 仰角法要求探测到非常均匀的雨区，在时间与空间上极难满足; 地物引起的Z_DR变化，在统计上无任何规律可循，微雨滴法是一种利用气象目标进行Z_DR系统误差估计较好的方法^[8];可通过如下方案对Z_DR信号进行订正: 1) 整体订正，即采用订正均值对所有强度的信号进行订正；2) 逐点订正，即信号强度在订正曲线信噪比范围内的信号用订正曲线对应的值进行订正，其它信号则采用订正均值进行订正^[9];

1.3 问题的提出

文献调研发现，国内外的双偏振雷达观测模式主要是体积扫描，很少进行RHI扫描，因此对实际降水物理过程的垂直剖面特征、垂直方向上的差分反射率因子Z_DR以及对应的特征还知之甚少，用体积扫描资料处理的垂直剖面显示很粗糙，不能反映云和降水的水凝物转换的微物理过程，无法充分利用双偏振参量的特征信息。在近些年的研究中，对于双偏振雷达回波的垂直剖面特征、垂直方向上的差分反射率因子Z_DR以及不同特征对应的实际天气现象还知之甚少。

1.4 本文的研究内容

本论文首先通过阅读国内外文献，了解国内外对双偏振雷达回波Z_DR垂直剖面特征的研究现状，在此基础上，采集NUIST C-Pol雷达在不同天气条件下（如：小雨、降雪等）的水平和垂直回波，在雷达回波的基础上，结合与雷达数据同一时刻的T-lnP图分析当时的天气现象、大气风温湿结构以及每一层的云物理结构，进而分析雷达数据RHI，找出不同天气现象回波与垂直剖面物理结构之间的联系。

（1）根据2018年1月2日-4日南京地区的T-lnP探空数据，分析出这几日降水的温度湿度和风速特征，各层的云物理结构以及风向风速变化，结合ProdTerminal软件分析的NUIST C-Pol雷达在2018年1月2日-4日的Z_DR垂直剖面、Z_H垂直剖面、各仰角速度图以及各仰角PPI反射率因子图。

（2）将2018年1月2日-4日各个时刻的不同图像进行交叉对比，分析不同天气现象雷达回波图的差异、雷达回波图反映出的天气过程的变化以及不同资料分析的天气过程的结论是否一致 。

（3）根据上述相同的方法，分析2018年4月13日的T-lnP探空图、各参量的雷达回波图，得出相应结论。

2 双偏振雷达资料简介

2.1 雷达的主要参数及其特点

双线偏振多普勒雷达有利于识别各种相态的非球形雨滴（冰晶、大雨滴、冰雹等）的形状和降水云体中的空间分布，加强地物回波的识别、剔除和雷达定量测量降水的能力，还能深入理解稳定性和对流性降水的云物理特性和演变机制。除了测定云和降水的反射率因子Z、径向速度Vr、谱宽W外，双线偏振多普勒雷达还可以测得差分反射率因子Z_DR、双程差分传播相位变量Φ_DP、零滞后互相关系数ρ_HV（0）、差分传播相位常数K_DP。其中，差分反射率因子Z_DR由Z_H（水平反射率因子）和Z_V（垂直反射率因子）之比来定义，反映了水凝物粒子的非球形程度，即水平方向尺度和垂直方向尺度的差异性；双程差分传播相位变量Φ_DP随着距离的变化而变化，由于水凝物的密度、形状以及偏振波衰减率不同，会引起水平和垂直偏振在传播过程中的相位变化不同；零滞后相关系数ρ_HV（0）反映的是完全只由于偏振不同造成的样本之间的相关情况；前向散射的相位差会引起差分传播相位常数K_DP，它反映了水凝物粒子对雷达电磁波传播速度或相位的影响^[10]。

2.2 水平雷达反射率因子Z_H单位：（dBz)

水平雷达反射率因子是为了使不同波长雷达所观测到的云、雨等情况进行直接比较而引进的量，公式如下：

(公式1)

它表示单位体积内的粒子谱分布。Z_H和粒子直径的六次方成正比，常用单位mm⁶/m³，说明了散射回波功率的绝大部分由少数大水滴提供，它反映的是散射粒子浓度和尺度的大小，其值主要受尺度和浓度的控制。对于纯降雨区（融化层以下的区），Z_H值随雨强增大而变大^[10]。

2.3 差分反射率因子Z_DR(单位：dB)

非球形粒子造成了Z_HH与Z_VV的差异，差分反射率因子Z_DR定义为水平反射率因子Z_H和垂直反射率因子Z_V之比^[10]。它反映降水粒子的非球形情况，同时反映了粒子群体在空间的取向情况，还与粒子的相态有关，通过Z_DR值可以了解粒子的形状、相态及可能的取向。

(公式2)

（公式3）

（公式4）

图1是不同直径雨滴的扁平程度示意图。差分反射率因子Z_DR的大小主要由降水粒子在水平方向和垂直方向上尺度的差异性决定，它的取值范围一般为-0.5到 6.0dB。

图1.不同直径雨滴的扁平程度示意图

图2是有效照射体积内的一群粒子示意图，说明回波偏振参量的数值是雷达有效照射体积内一群粒子散射的综合结果。

图2.有效照射体积内的一群粒子示意图

图3是圆球及扁旋转椭球极化示意图。对于球形粒子，水平偏振Z_H和垂直偏振Z_V的大小相同，而对于非球形粒子如扁椭球粒子，由于水平偏振Z_H大于垂直偏振Z_V，所以偏振参量Z_DR就大于零。

图3.圆球及扁旋转椭球极化示意图

当水凝物粒子为大雨滴时，雨滴呈更扁的椭球形，Z_DR值可达3-5dB；因为翻转作用，冰雹的总体效果接近球形，所以冰雹的Z_DR值在零附近，可以是小的负值或小的正值。当层状云降水中出现零度层亮带时，Z_DR值会增大。纯降雨区的Z_DR为正值，当出现大雨滴时，Z_DR可达3-5dB；对于雨及冰雹共存区，会在同一个区中出现较大的Z_H值与较小的Z_DR值；大的冰雹，将具有很高的Z_H值（如gt;50dBZ）及负的Z_DR值（如-1到-3dB）；锥球状或扁旋转椭球状冰雹Z_H值可以很大，而Z_DR为负值；大雨滴的最大Z_H值没有冰雹时大，而大雨滴Z_DR为正的大值，这样就可以将大雨滴和大冰雹区分开来。

2.4 水凝物的Z_DR阈值

表4是各种降水粒子的X波段偏振雷达参数和温度范围（15种）。

表4.各种降水粒子的X波段偏振雷达参数和温度范围（15种）

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