业务化双偏振雷达在国内首度应用

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Wu, C., L. P. Liu, M. Wei, B. Z. Xi, and M. H, Yu, 2018: Statistics-based optimization of the polarimetric radar Hydrometeor Classification Algorithm and its application for a squall line in South China. Adv. Atmos. Sci., 35, doi: 10.1007/s00376-017-6241-0. (in press)

1、什么是双偏振雷达?

双偏振雷达

天气雷达依靠脉冲形式的电磁波进行探测。电磁波作为横波，传播的方向与电场、磁场的方向相互垂直，电场的方向称为电波的极化(或偏振)。天线发出的电磁波与雨滴相遇后将产生散射，雷达通过接收向后散射的信号强度及其多普勒效应，分别计算出雨滴的反射率因子(Z)和径向速度(V)。由于越大的雨滴在下落过程中因形变而变得越扁，对应散射电磁波的能力就越强，因此全国布网的常规天气雷达发射的均为水平极化的电磁波，这样越大的回波强度对应了越强的降水。

考虑到降水粒子中不仅有液态的雨滴，还可能出现固态的冰晶、雪或者冰雹，在实际观测中仅靠水平方向的反射率因子很难将不同相态的粒子区分开来。双偏振雷达在原有水平极化通道的基础上增加了垂直极化的通道，同时发射垂直极化的电磁波。这样在保留原有水平方向反射率因子、径向速度的基础上，还可以获得两个通道的强度差(即差分反射率因子ZDR，反映降水粒子的长短轴比)、相位差的变化率(即差传播相移率KDP，反映降水粒子的含水量)、和相关系数(ρhv，反映不同方向回波信号的一致性)等，大大增加了信息量。

常规天气雷达工作示意图

双偏振雷达工作示意图

2、双偏振雷达怎么用？

双偏振雷达的原理

识别降水粒子的相态信息是双偏振雷达最重要的功能之一。由于不同相态粒子的形状和介电常数各不相同，对应的Z, ZDR, KDP, ρhv的特征分布也会不同。可以将上述偏振参量的信息综合起来进行判断，进而识别出具体的粒子相态，这便是双偏振雷达相态识别方法的基本原理。以融化中的湿雪为例，当冰晶和雪花下落到0℃高度附近时，表面融化并相互粘连形成雪团，介电常数的变化和体积的增加使Z、ZDR均不同程度增大，ρhv因散射性质的改变而降低，形成了明显的融化层亮带。通过Z、ZDR变大，ρhv变小的这一特征即可识别出湿雪。

融化过程中湿雪的双偏振参量特征

3、中国的双偏振雷达进入业务化

我国双偏振雷达的业务化

早在上世纪90年代，国内便开展了双偏振雷达的相关研究。受技术条件和经费的限制，早前的双偏振雷达仅作为科研雷达，没有业务化的运行。随着常规体制的天气雷达基本完成布网，同时国产雷达的技术日趋成熟，双偏振雷达业务化的门槛已经不再高不可攀。国内首部业务化的双偏振雷达是中国气象局与广东省政府合作建成的珠海雷达，2013年12月建成后为珠海、澳门的灾害性天气临近监测预报预警发挥了重要作用。除广东省外，福建、浙江、北京等地区也纷纷建设了多部业务运行的双偏振雷达。随着越来越多的双偏振雷达投入业务运行，这些雷达的数据是否可靠？用于相态识别的效果如何？能否提高临近预报的准确性？这是双偏振雷达在国内全面业务推广前急需回答的问题。吴翀,刘黎平等(2018)通过对珠海雷达2014年观测资料的统计优化，得到了适用于珠海雷达硬件特点和华南地区降水特征的双偏振雷达相态识别方法。将方法应用在一次飑线过程的分析中，证明了相态识别方法能够直观、准确的展现出偏振参量的所含的信息，在临近预报中具有较高的价值。相关成果即将发表在《大气科学进展》（AAS）2018年第3期。

飑线的反射率因子

飑线的相态识别结果，红色为降雹区

(感谢吴翀博士供稿）

（本文除文章图外，其他图均来源于网络)