基于X波段双偏振相控阵雷达的冰雹云水成物粒子识别方法及应用
曾勇^1,2，李皓¹，罗雄³，张小娟¹
（ 1.贵州省人工影响天气中心，贵州 贵阳 550081；2.中国气象局雷达气象重点开放实验室，北京 100081； 3.贵州省山地气象科学研究所，贵州  贵阳 550081）
摘  要
雹暴作为发生降雹过程的冰雹云体，分析其如何生成、如何发展、如何降雹并对降雹进行早期预测一直是短时强对流天气预报的关注焦点。雷达是观测中小尺度对流系统最常用且最直观的工具。与传统S/C波段天气雷达相比，X波段雷达能够探测到更小粒径的粒子，提供更精细的观测细节。随着双偏振技术的引入，通过同时发射和接收水平、垂直偏振波，能够获取差分反射率（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）、相关系数（CC）等参数，极大地增强了对雹暴内部粒子形状、大小、相态分布等微物理特征的探测能力，增加对雹暴内部冰雹的研究能力^[2-4]。而相控阵技术的发展，进一步将扫描时间缩短至分钟级，实现了对强对流系统生命史更快速、更连续、更精细的捕捉。本文基于X波段双偏振相控阵雷达，提出一种改进的冰雹云水成物粒子识别技术方法，可以实现对冰雹成雹雹胚粒子的识别，为冰雹云早期识别诊断、冰雹形成机理研究和防雹效果分析提供技术支撑。
基于双偏振参数（Z_H、Z_DR、K_DP、CC）和环境温度参数T，在Park et al.（2009）和Huang et al.（2021）的HID算法基础上进行进一步改进研究，将水成物粒子分为7类，分别为：毛毛雨（DZ）、雨（RN）、雪晶（AG）、冰晶（CR）、高密度霰（HDG）、低密度霰（LDG）以及雨夹雹（RH）。在模糊逻辑分类的框架中，常见的隶属函数形式包括Beta型函数、对称梯型函数与不对称梯型函数。由于对称型函数在实际水凝物参数分布中适用性不强，为提高粒子识别结果与实况的吻合度，本文选用不对称梯型函数作为各参数的隶属函数，其数学形式如公式(14)所示。最终，采用最大集成法确定每个雷达扫描单元的水成物类型。
（1）
基于模糊逻辑的不对称梯形函数，对各参数权重进行设置，其中T、Z_H、Z_DR、K_DP、CC的权重分别设置为0.35、0.1、0.05、0.15、0.35。为增强识别效果，将冰雹识别部分Z_H的权重调整为0.55；同时，由于在-20℃高度层之上低密度霰识别权重应更高，故将其Z_H的权重也调整为0.55。权重值的设定主体参考Huang et al.(2021)的研究。
基于上述方法进行识别效果验证。降雹过程主要发生在2024年4月17日贵州威宁县秀水至观风海一带（图1 a,b中三角标记区间内）。由图1（b）的粒子识别（HID）结果可见，大冰雹（RH）的识别位置与降雹记录完全吻合，表明HID算法对RH的识别具有可靠性。
图1（c）展示了水凝物的垂直分布特征：LDG分布于雹暴对流核心区高层，HDG分布于对流核心区低层，RH集中在对流核心区域，AG分布于雹暴边缘，CR位于雹暴顶层，DZ则分布于0℃层高度以下。上述垂直分布特征与前人研究结论（Dolan and Rutledge, 2009；Zhao et al., 2020）一致，进一步证实HID算法对其他水凝物粒子的识别同样具有可靠性。

(a)                        (b)                      (c)
图1 16:20 时刻0.2km离地高度(a)反射率、(b)HID图；(c)沿黑色箭头方向的HID剖面

图2  18:10、18:14各代表性高度HID水平识别结果叠加水平风矢量及垂直速度等值线图（红色实线等值线代表正的垂直速度，黑色实线等值线代表垂直速度0线，蓝色虚线等值线代表负的垂直速度，橙色箭头指示雹胚自上而下存在的位置）
在雹暴初始阶段（18:10），单体较弱，雹胚数量少，集中分布于3.7~5.5 km高度。低空雹胚主要形成于主上升气流西侧，并沿其边缘抬升增长；高空雹胚则聚集于垂直速度＞3 m/s的上升气流核心区。18:12时，上升气流增强，雹胚垂直分布扩展至1.9~6.5 km（跨度4.6 km）。低空雹胚仍位于主上升气流西侧，高空雹胚集中于垂直速度＞5 m/s的强上升区，＞7 m/s区域成为雹胚生长核心。至18:14，雹暴进入强盛阶段，垂直速度峰值超过11m/s。雹胚活动范围进一步扩大，低层＞5 m/s区域内雹胚数量增多，高空雹胚主形成区北侧出现雨夹雹（RH），对应胚胎帘区，显示次级环流开始形成。高空雹胚仍集中在＞5m/s的强上升区，核心区风速＞9 m/s。从以上雹暴关键发展阶段雹胚形成及发展能够很好刻画出冰雹生长过程。
关键词：雹暴；雹胚；X波段双偏振相控阵雷达；水成物粒子识别；冰雹形成机制
 

雹暴；雹胚；X波段双偏振相控阵雷达；水成物粒子识别；冰雹形成机制