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雨一直下,双偏振该怎么抓住它

最近雨一直下,江淮地区“梅超疯”肆虐,6月2日以来,中央气象台更是连续发布暴雨预警,多地因暴雨灾害损失严重,安徽黄山歙县高考因暴雨受严重影响,各地防汛形势严峻。

天气雷达是监测暴雨最有效的手段,暴雨的在雷达图上有显著的特征,之前,CINRAD/SA天气雷达探测暴雨写过一篇文章,白素贞在哪儿水漫金山?

强度和雨滴谱的关系

雷达的回波强度表示的是单位体积内粒子直径的6次方之和,它无法识别雨滴大小和分布(雨滴谱),例如图1中,1立方米里729个1mm直径大小的雨滴产生的回波强度是29dBZ,1立方米里1个3mm直径大小的雨滴产生的回波强度也是29dBZ,但是同样的强度雨滴小而雨滴多的产生的雨量远比雨滴大而雨滴少的产生的雨量要大,也就是说同样的强度对于不同类型的降水降雨强度是不同的,这也是雷达估测降水误差的主要来源

图1 强度和雨滴谱的关系

雷达估测降水需要分不同降水类型,并根据不同降水类型采用不同的强度和雨量对应关系(即Z-I关系),而雷达1小时、3小时等估测降水产品,一般不会去调Z-I关系,用的固定Z-I关系,即用的是 Z = 300R1.4的公式计算,造成暴雨时的降水估测误差很大。

两种降水类型

在实际业务中,预报员主观上为了更好地估测降水,一般把单偏振雷达降水回波分为两种类型:大陆对流型降水、热带海洋型降水(图2)。两种类型的降水特征差别比较大,大陆对流型降水(图3):对流比较剧烈,高度高、单体少而强、移动快、雨滴大甚至含有冰雹;热带海洋型降水(图4):对流中等,高度不高、单体个数多但强度不太强、雨滴较小而数目非常多,所以它的降水效率高。

图2 两种降水类型的模型(左 大陆对流型降水,右 热带海洋型降水)

图3 大陆对流型降水雷达剖面特征

图4 热带海洋型降水雷达剖面特征

两种类型的差别比较大,它们的Z-I关系从图5可以看出,在<35dBZ差别不大,35dBZ后差别越来越大。图6是两种类型降水的Z-I关系比较参考表,可以看出两种降水的降水效率相差1倍左右。雷达估测降水固定用大陆型降水的Z-I关系,所以在热带海洋型降水时误差很大(图7)。

图5 两种类型降水的Z-I关系曲线图

图6 两种类型降水的Z-I关系比较参考表

图7 单偏振雷达估测降水热带海洋型降水误差大

双偏振天气雷达估测强降水

双偏振雷达是单偏振雷达的升级(双偏振天气雷达偏出了什么?再说双偏基本参数和产品),同时发送水平和垂直偏振电磁波,得到了协相关系数CC、差分反射率ZDR、差分相移PhiDP、差分相移率KDP等双偏振参量。简单讲,其中协相关系数CC区分可以区分降水与非降水,并识别降水相态,差分反射率ZDR判断降水粒子大小,差分相移率KDP值的大小和雨滴数目密切相关。双偏振的这些参量就很好地改善了单偏振无法识别降水相态、雨滴大小、雨滴多少的问题

双偏振雷达估测降水的算法就用了组合的降水估测公式(图8),先用经典Z-I关系计算雨量,然后根据算出来的结果分为三种级别,小于6mm/h的用强度和差分反射率ZDR估测公式再进行计算,6mm/h与50mm/h之间的用差分反射率ZDR和差分相移率KDP估测公式再进行计算,大于50mm/h的直接只用差分相移率KDP计算。如果要自己主观估测降水雨强且不要求非常精确时,KDP大于1°/km的可以直接用KDP的值×40来估算雨强。

图8 双偏振雷达估测降水的组合公式

这里以龙岩2020年6月上旬的暴雨个例来做个简单说明

2020年6月8日暴雨的龙岩双偏振天气雷达特征

2020年6月8日04时到10时龙岩市西南部出现了暴雨,其中武平出现了大暴雨的天气(图),最大雨量在武平146.8mm,其中大部分雨量在4时到8时30下的,雨强在20到60mm/h。此次降水是热带海洋型降水,降水效率高。

图8 2020年6月8日4到10时自动站累积降水色斑图

图8 武平大暴雨的实况照片

从回波动画看此次过程强度不强(小于50dBZ)、移动慢、有后向单体发展,回波持续时间长,影响武平达4个半小时。

图9 2020年6月8日4:00-8:32回波强度动画

风暴趋势图上(图10),回波的质心低,风暴高度也不高,强度<50dBZ,VIL不大。再结合经向和纬向的雷达剖面图(图11),可以看出符合典型的热带海洋型降水特征。回波的三维结构看(图12),回波分布均匀,中间少数单体发展较高,这也是降水强度最大的地方。

图10 风暴趋势看,回波不强、质心低,VIL不大

图11 经向剖面和纬向剖面

图12 回波的三维结构特征

从双偏参数看(图13),相关系数CC值0.98~1.0,雨滴谱均匀;差分反射率ZDR值1~2.5dB,雨滴3mm左右;差分相移率KDP值,0.5~1.7°/km,估测雨强在20到60mm/h

图13 暴雨过程的双偏参数特征

多普勒速度场(图14),4:33在武平境内有较宽的弱气旋,发展高度不到5km,之后从多普勒速度场的回波动画分析表明,不断有弱的低层涡旋生成北移(图15),造成在武平回波长时间维持。

图14 暴雨过程的多普勒速度场

图15 4:00到8:32多普勒速度场动画

8:53的1.5°仰角双偏雷达参数叠加融化层ML产品(图16),可以分析在融化层(蓝黑线之间),双偏参数杂乱,但是有一片区域的相关系数CC>0.98区域,和差分相移率KDP>0.75区域,差分反射率ZDR>1dB区域重合,强度也较强,表明此处是较宽范围的上升气流区,上升气流使水滴突破了融化层,这是维持降水的主要动力机制,这里也是降水较强的区域。

图16 8:53的1.5°仰角双偏雷达参数叠加融化层ML产品

从双偏振雷达组合降水估测公式计算出来的降水QPE雨强产品来看(图17),雨强在20到60mm/h,较强降水主要在武平境内。

图17 6:52双偏参数计算的降水率产品QPE

6:35相态识别(HCL)产品(图18),相态识别主要为降水,在武平少部分区域有“大雨”区域,是相对比较均匀的降水类型。

图18 6:35相态识别(HCL)产品

对降水比较集中的5时到6时,单偏、双偏降水估测算法估测的累积降水和自动站1小时降水比较(图19)。可以看到强降水估测,双偏算法和自动站更接近

对降水比较集中的4时到7时,单偏、双偏估测和自动站3小时降水比较(图20),情况和1小时估测类似。但是,双偏算法的累积算法有错误,导致图像失真不可靠。

图19 5到6时1小时降水,单偏、双偏和自动站对比

图20 4到7时3小时降水,单偏、双偏和自动站对比

单偏、双偏估测和自动站风暴总降水4-10时(6小时)比较(图21)。红色区域为自动站色斑图70mm的大致轮廓。强降水估测,双偏算法可参考性强。但雷达估测降水强中心比自动站降水更靠回波移动前侧,这是因为雷达探测到的强中心在空中(见图22,没有美工,“灵魂画手”随手一画,表达大概意思),雨受回波移动和前侧上升气流的影响,向移动的后方降水,所以强降水中心不一致,大约差3-5km左右,图中上方箭头是回波移动方向,下方箭头是上升气流区,红色椭圆圈是雷达估测降水中心,蓝色椭圆圈是自动站测到的降水中心。

图21 风暴总降水4-10时(6小时)比较

图22 雷达估测降水强中心与自动站不一致的模拟图

小结

此次降水过程可以小结为:

  • 热带海洋型降水
  • 强度不强,移动慢,后向单体发展
  • 强降水区的双偏振参数特征明显
  • 持续时间长,4.5小时
  • 不断有涡旋产生北移,上升气流范围宽但不强,是维持降水的主要动力机制
  • 雨强20-60mm/h
  • 雨量估测,特别是强降水,双偏明显优于单偏
  • 雷达估测降水中心位置和自动站降水强中心不一致,雷达中心偏回波移动前侧3-5km

本文分享自微信公众号 - 编外气象人(OutWeatherMan)

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原始发表时间:2020-07-21

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