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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?

雙偏振雷達

天氣雷達依靠脈沖形式的電磁波進行探測。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)。天線發出的電磁波與雨滴相遇后將產生散射，雷達通過接收向后散射的信號強度及其多普勒效應，分別計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，對應散射電磁波的能力就越強，因此全國布網的常規天氣雷達發射的均為水平極化的電磁波，這樣越大的回波強度對應了越強的降水。

考慮到降水粒子中不僅有液態的雨滴，還可能出現固態的冰晶、雪或者冰雹，在實際觀測中僅靠水平方向的反射率因子很難將不同相態的粒子區分開來。雙偏振雷達在原有水平極化通道的基礎上增加了垂直極化的通道，同時發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、徑向速度的基礎上，還可以獲得兩個通道的強度差(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)、和相關系數(ρhv，反映不同方向回波信號的一致性)等，大大增加了信息量。

常規天氣雷達工作示意圖

雙偏振雷達工作示意圖

2、雙偏振雷達怎么用？

雙偏振雷達的原理

識別降水粒子的相態信息是雙偏振雷達最重要的功能之一。由于不同相態粒子的形狀和介電常數各不相同，對應的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行判斷，進而識別出具體的粒子相態，這便是雙偏振雷達相態識別方法的基本原理。以融化中的濕雪為例，當冰晶和雪花下落到0℃高度附近時，表面融化并相互粘連形成雪團，介電常數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、中國的雙偏振雷達進入業務化

我國雙偏振雷達的業務化

早在上世紀90年代，國內便開展了雙偏振雷達的相關研究。受技術條件和經費的限制，早前的雙偏振雷達僅作為科研雷達，沒有業務化的運行。隨著常規體制的天氣雷達基本完成布網，同時國產雷達的技術日趨成熟，雙偏振雷達業務化的門檻已經不再高不可攀。國內首部業務化的雙偏振雷達是中國氣象局與廣東省政府合作建成的珠海雷達，2013年12月建成后為珠海、澳門的災害性天氣臨近監測預報預警發揮了重要作用。除廣東省外，福建、浙江、北京等地區也紛紛建設了多部業務運行的雙偏振雷達。隨著越來越多的雙偏振雷達投入業務運行，這些雷達的數據是否可靠？用于相態識別的效果如何？能否提高臨近預報的準確性？這是雙偏振雷達在國內全面業務推廣前急需回答的問題。吳翀,劉黎平等(2018)通過對珠海雷達2014年觀測資料的統計優化，得到了適用于珠海雷達硬件特點和華南地區降水特征的雙偏振雷達相態識別方法。將方法應用在一次颮線過程的分析中，證明了相態識別方法能夠直觀、準確的展現出偏振參量的所含的信息，在臨近預報中具有較高的價值。相關成果即將發表在《大氣科學進展》（AAS）2018年第3期。

颮線的反射率因子

颮線的相態識別結果，紅色為降雹區

(感謝吳翀博士供稿）

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