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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、什么是雙偏振雷達(dá)?

雙偏振雷達(dá)

天氣雷達(dá)依靠脈沖形式的電磁波進(jìn)行探測。電磁波作為橫波，傳播的方向與電場、磁場的方向相互垂直，電場的方向稱為電波的極化(或偏振)。天線發(fā)出的電磁波與雨滴相遇后將產(chǎn)生散射，雷達(dá)通過接收向后散射的信號強(qiáng)度及其多普勒效應(yīng)，分別計(jì)算出雨滴的反射率因子(Z)和徑向速度(V)。由于越大的雨滴在下落過程中因形變而變得越扁，對應(yīng)散射電磁波的能力就越強(qiáng)，因此全國布網(wǎng)的常規(guī)天氣雷達(dá)發(fā)射的均為水平極化的電磁波，這樣越大的回波強(qiáng)度對應(yīng)了越強(qiáng)的降水。

考慮到降水粒子中不僅有液態(tài)的雨滴，還可能出現(xiàn)固態(tài)的冰晶、雪或者冰雹，在實(shí)際觀測中僅靠水平方向的反射率因子很難將不同相態(tài)的粒子區(qū)分開來。雙偏振雷達(dá)在原有水平極化通道的基礎(chǔ)上增加了垂直極化的通道，同時(shí)發(fā)射垂直極化的電磁波。這樣在保留原有水平方向反射率因子、徑向速度的基礎(chǔ)上，還可以獲得兩個(gè)通道的強(qiáng)度差(即差分反射率因子ZDR，反映降水粒子的長短軸比)、相位差的變化率(即差傳播相移率KDP，反映降水粒子的含水量)、和相關(guān)系數(shù)(ρhv，反映不同方向回波信號的一致性)等，大大增加了信息量。

常規(guī)天氣雷達(dá)工作示意圖

雙偏振雷達(dá)工作示意圖

2、雙偏振雷達(dá)怎么用？

雙偏振雷達(dá)的原理

識別降水粒子的相態(tài)信息是雙偏振雷達(dá)最重要的功能之一。由于不同相態(tài)粒子的形狀和介電常數(shù)各不相同，對應(yīng)的Z, ZDR, KDP, ρhv的特征分布也會不同。可以將上述偏振參量的信息綜合起來進(jìn)行判斷，進(jìn)而識別出具體的粒子相態(tài)，這便是雙偏振雷達(dá)相態(tài)識別方法的基本原理。以融化中的濕雪為例，當(dāng)冰晶和雪花下落到0℃高度附近時(shí)，表面融化并相互粘連形成雪團(tuán)，介電常數(shù)的變化和體積的增加使Z、ZDR均不同程度增大，ρhv因散射性質(zhì)的改變而降低，形成了明顯的融化層亮帶。通過Z、ZDR變大，ρhv變小的這一特征即可識別出濕雪。

融化過程中濕雪的雙偏振參量特征

3、中國的雙偏振雷達(dá)進(jìn)入業(yè)務(wù)化

我國雙偏振雷達(dá)的業(yè)務(wù)化

早在上世紀(jì)90年代，國內(nèi)便開展了雙偏振雷達(dá)的相關(guān)研究。受技術(shù)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，早前的雙偏振雷達(dá)僅作為科研雷達(dá)，沒有業(yè)務(wù)化的運(yùn)行。隨著常規(guī)體制的天氣雷達(dá)基本完成布網(wǎng)，同時(shí)國產(chǎn)雷達(dá)的技術(shù)日趨成熟，雙偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)化的門檻已經(jīng)不再高不可攀。國內(nèi)首部業(yè)務(wù)化的雙偏振雷達(dá)是中國氣象局與廣東省政府合作建成的珠海雷達(dá)，2013年12月建成后為珠海、澳門的災(zāi)害性天氣臨近監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)揮了重要作用。除廣東省外，福建、浙江、北京等地區(qū)也紛紛建設(shè)了多部業(yè)務(wù)運(yùn)行的雙偏振雷達(dá)。隨著越來越多的雙偏振雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，這些雷達(dá)的數(shù)據(jù)是否可靠？用于相態(tài)識別的效果如何？能否提高臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性？這是雙偏振雷達(dá)在國內(nèi)全面業(yè)務(wù)推廣前急需回答的問題。吳翀,劉黎平等(2018)通過對珠海雷達(dá)2014年觀測資料的統(tǒng)計(jì)優(yōu)化，得到了適用于珠海雷達(dá)硬件特點(diǎn)和華南地區(qū)降水特征的雙偏振雷達(dá)相態(tài)識別方法。將方法應(yīng)用在一次颮線過程的分析中，證明了相態(tài)識別方法能夠直觀、準(zhǔn)確的展現(xiàn)出偏振參量的所含的信息，在臨近預(yù)報(bào)中具有較高的價(jià)值。相關(guān)成果即將發(fā)表在《大氣科學(xué)進(jìn)展》（AAS）2018年第3期。

颮線的反射率因子

颮線的相態(tài)識別結(jié)果，紅色為降雹區(qū)

(感謝吳翀博士供稿）

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