X波段相控阵偏振雷达观测墨...区云降水宏观特征的统计研究_张蔚然.pdf

张蔚然,刘黎平,吴翀.2023.X 波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究 J.大气科学,47(1):7085.ZHANGWeiran,LIULiping,WUChong.2023.StatisticalCharacteristicsofCloudPrecipitationintheMotuoAreaObservedbyX-bandDual-PolarizationPhasedArrayRadarJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(1):7085.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21050X 波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究张蔚然1,2刘黎平1吴翀11中国气象科学研究院灾害天气重点实验室,北京1000812陕西省气象台,西安710014摘要第二次青藏高原综合科学考察研究项目在墨脱布设了一部 X 波段相控阵偏振雷达（X-PAR），实现了首次对河谷地区云降水的雷达连续观测。为了揭示高原东南河谷地区云降水的宏观特征，本文利用墨脱 X-PAR2019 年 11 月至 2020 年 10 月的观测数据定量分析了墨脱地区云降水回波强度、回波顶高等参数的月变化、日变化和高度变化，并与那曲地区夏季季风时期多普勒雷达观测数据进行了比较。研究发现：（1）墨脱地区回波顶高、面积、强回波所占比例以及回波分布范围在 410 月大于 113 月，410 月降水频次高、对流性降水多，其中以 6 月最为显著。而进入 4 月后弱回波数量的大幅度增加导致了 410 月回波强度小于 113 月。降水回波月变化特征结合高原季风指数，将一年分为旱季（113 月）与雨季（410 月）。（2）雨季降水回波频次、顶高、面积均大于旱季，说明雨季降水频次更高、对流性活动更旺盛。降水回波频次、顶高、面积的日变化表明，旱季日降水主要发生在下午与上半夜，雨季主要发生在下半夜。（3）墨脱降水回波强度大部分小于 30dBZ，旱季在海拔高度 3km 以上回波发生频次高，雨季在 3km 以下高。（4）夏季季风期间墨脱回波顶高低于那曲，其顶高、面积日变化趋势与那曲不同。夏季季风期间那曲日降水主要集中在下午与上半夜，而墨脱则集中在下半夜。墨脱旱季云降水特征与那曲夏季季风时期特征较为相似。关键词墨脱相控阵双偏振雷达云降水特征文章编号1006-9895(2023)01-0070-16中图分类号P412文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21050Statistical Characteristics of Cloud Precipitation in the Motuo AreaObserved by X-band Dual-Polarization Phased Array RadarZHANGWeiran1,2,LIULiping1,andWUChong11State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 1000812Shaanxi Meteorological Observatory,Xian 710014AbstractDuringthesecondcomprehensivescientificexpeditiontotheQinghaiTibetPlateau,anX-bandphasedarraypolarimetricradar(X-PAR)wasinstalledinMotuo.Forthefirsttime,themostadvanceddual-polarizationphasedarrayradarisusedtocontinuouslyobservetheprecipitationinthevalleyarea.Themonthly,diurnal,andaltitudevariationsofechointensityandechotopheightofprecipitationinMotuowerequantitativelyanalyzedusingtheobservationdataof收稿日期2021-03-29；网络预出版日期2021-12-17作者简介张蔚然，女，1996 年出生，硕士研究生，主要从事雷达气象研究。E-mail:通讯作者刘黎平，E-mail:资助项目第二次青藏高原综合科学考察研究项目专题“西风季风协同作用对亚洲水塔变化的影响”，国家自然科学基金项目 91837310Funded byProject of the Influence of Westerly Monsoon Synergy on Asian Water Tower Change of the Second Comprehensive ScientificExpeditiononQinghaiTibetPlateaua,NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant91837310)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023MotuoX-PARfromNovember2019toOctober2020torevealthecharacteristicsofprecipitationinthesoutheastvalleyoftheplateau.TheresultsarethencomparedtothoseobtainedusingDopplerradarduringthesummermonsooninNaqu.Theresultsshowthat:(1)Theechopeakheight,echoarea,proportionofstrongecho,andechodistributionrangefromApriltoOctoberaregreaterthanthosefromNovembertoMarchinMotuo,indicatingthattheprecipitationfrequencyishighandconvectiveprecipitationismorefromApriltoOctober,particularlyinJune.However,theincreaseinthenumberofweakechoesinAprilshowsthattheechointensityfromApriltoOctoberislessthanfromNovembertoMarch.AccordingtothemonthlyvariationcharacteristicsofcloudprecipitationinMotuoandtheplateaumonsoonindex,theyearisdividedintothedryseason(NovembertoMarch)andtherainyseason(ApriltoOctober).(2)Theechofrequency,topheight,andareaofprecipitationintherainyseasonarehigherthanthoseinthedryseason.Thediurnalvariationsofecho frequency,top height,and area show that the strongest convection occurs in the afternoon in both seasons.Precipitationoccursprimarilyintheafternoonandfirsthalfofthenightduringthedryseasonandinthesecondhalfofthenightduringtherainyseason.(3)InMotuo,theechointensityofprecipitationismostlylessthan30dBZ.Theechofrequencyishigherbothindryandrainyseasonsforaltitude3kmand30dBZ 的值表示强回波。对雷达强回波发生频率的统计实际是对雷达单个体扫中30dBZ 回波的发生频率 FZ30的统计，FZ30的计算公式如下：FZ30=NZ30NZ100%，（9）其中，NZ30表示单个体扫中回波强度大于 30dBZ的点数，NZ则表示雷达体扫在墨脱地形下理论可探测回波点总数。PMiZjPHiZj根据 2.2.2 节对雷达有效探测回波的分析，可确定雷达在某时间段内、某海拔高度理论探测数据格点数。据此统计不同月份、不同小时降水回波强度、顶高发生频率的分布情况，以及雷达降水回波的垂直分布规律。下面给出降水回波（分辨率为1dBZ）月变化（）和日变化（）的出现频率分布计算方法：PMiZj(PHiZj)=NMiZj(NHiZj)NMiZ(NHiZ)100%，（10）NMiZjNHiZjNMiZNHiZ其中，Mi表示第 i 月，Hi表示第 i 小时，Zj表示回波强度等于 j（单位：dBZ），为第 i 月回波强度等于 j 的回波点数，为第 i 小时回波强度等于 j 的回波点数，第 i 月对应的所有回波强度总点数，第 i 小时对应的所有回波强度总点数。PMiETjPHiETj降水回波顶高月变化（）与日变化（）发生频率分布计算方法为PMiETj(PHiETj)=NMiETj(NHiETj)NMiET(NHiET)100%，（11）NMiETjNHiETjNMiETNHiETj其中，ETj表示回波顶高等于j（单位：km），为第 i 月回波顶高等于 j 的点数，为第 i 小时回波强度等于 j 的点数，为第 i 月中所有雷达体扫笛卡尔坐标格点总数，第 i 小时中所有雷达体扫笛卡尔直角坐标格点的总和。PHgiZjX-PAR 不同海拔高度对应的降水回波（分辨率 1dBZ）出现频率的计算方法为PHgiZj=NHgiZjNHgi100%，（12）HgiNHgiZjNHgi其中，表示海拔高度 i（单位：km），在高度 i 探测到的回波强度为 j 的点数，为理论上雷达在海拔高度 i 时能够探测到的回波总数。3 墨脱地区云降水宏观特征统计分析 3.1 云降水宏观特征的月变化为了探究西藏墨脱云降水宏观特征，首先对该地区云降水特征逐月变化情况进行详细的统计分析，其中包括对不同月份降水回波强度、顶高发生频率分布的统计与降水回波强度、顶高、面积、强回波发生频率逐月变化箱型图的分析。不同月份降水回波发生频率分布（图 6a）显示，2019 年 11 月至 2020 年 3 月降水回波强度主要集中在 1131dBZ，2020 年 4 月至 2020 年 10月集中在 533dBZ。不同月份降水回波顶高频率分布（图 6b）显示，2019 年 11 月至 2020 年 3 月顶高主要分布在 15km，最大顶高频率对应 3km处。2020 年 4 月至 2020 年 10 月顶高分布在 17km，其中 45 月与 810 月最大顶高频率对应顶高分布在 34km，56 月最大顶高频率对应顶高为 45km。根据图 6 可知，墨脱地区降水回波强度、顶高的分布范围在 2020 年 4 月至 2020 年 10 月大于2019 年 11 月至 2020 年 3 月。进入 4 月后，降水回波发生频率突然增大，最大顶高频率对应高度也随之升高，其中 6 月达到最大，随后开始减小。据此，认为墨脱 410 月降水较 113 月多，且云降水的垂直发展更加旺盛，其中 57 月在一年中降水最旺盛。为了检验图 6 的分析结果是否合理，对相控阵雷达观测时间段内墨脱站的月降水量